超声波随钻井径检测仪的数据采集与传输

摘要：为了更好地发挥随钻测井仪检测数据的真实性和使用灵活性等优点，文中基于Actel公司的APA075FPGA数据采集和传输系统所涉及到的AD数据采集、FPGA数据缓存、FPGA中数据的串口发送三部分，在实验室自制的一块FPGA最小系统板上，开发了一种激发换能器来对回波进行采集、缓存和传输。
关键词：随钻井径检测；AD数据采集；FPGA；串口发送

0 引言
在油、气开发过程中，测井是必不可少的。在开发初期，有勘探测井，在开发中后期，则有生产测井。传统的电缆测井存在着种种难以解决的问题，如在某些大斜度井或特殊地质环境(膨胀粘土或高压地层)钻井时，电缆测井就无法进行。除此之外，电缆测井是在钻井完成之后，用电缆将仪器放入井中进行测量，钻井过程中带出的钻碎的岩屑和钻井液会侵入地层，这样测量的数据与真实的数据有一定的差别。因此，随钻测井技术就应运而生，而无论是在电缆测井还是随钻测井中，数据采集和传输都是必不可少的。
本文所涉及的超声波随钻测井径的基本原理是：沿着油井的径向向井壁垂直发射超声波，当发出的超声波遇到井壁时发生反射，反射的回波被换能器接收。这样，根据超声换能器发出超声波到反射回波被换能器接收所经历的时间t和已知的超声波在泥浆中的速度v就可以计算井径的长度。本文运用AD对回波进行采集，运用FPGA对AD转换后的数据进行缓存和传输，FPGA为AD提供片选信号和转换时钟，转换之后的数字量再给FPGA进行串转并、FIFO存储、串口发送。在本文中，FPGA采用的是Actel公司的APA075，开发平台采用的是Liber08．5。

1 系统的总体设计
本系统的总体设计思想是：FPGA为AD提供片选及时钟等控制信号，AD将数字化后的数据送给FPGA，并在FPGA中进行串并转换、缓存等一系列数据处理后，再通过MAX232完成TTL电平到RS-232电平的转换，然后在PC机上运用串口调试小助手显示数据。通过分析串口调试小助手上显示的数据来判断是否正确，从而验证系统设计的合理性。其系统框图如图1所示。

2 FPGA主要功能模块的设计
在本系统中，FPGA的功能模块主要包括AD控制模块、FIFO设计模块和串口数据发送模块三部分。FPGA系统与外围电路的信息交换主要由AD_out、clk、SCLK、CS、TXD等信号线完成。其中，AD_out负责将AD转换后的数字信号送入FPGA；CS和SCLK是FPGA为AD提供的片选信号和时钟信号，用来控制AD的转换；TXD是FPGA输出数据的通道：clk是FPGA的时钟信号。系统时钟采用50 MHz，其FPGA功能模块电路框图如图2所示。