数控测井地面系统中模拟信号分离单元的设计

陈超波，高 嵩，何 宁，袁晓伟

（西安工业大学 电子信息工程学院，陕西 西安 710032）

在生产测井中，为满足油田的实际生产的需要，往往需要对套管井的井下的压力、温度、流量、密度、含水量、自然伽马、接箍磁定位、水位层、槽位置、油层动态等多个参数进行监测。根据这些井下参数的测量的需求，国内外相应的测井公司生产和研发了一系列的井下测井仪器，有的具有某一特定功能的测井仪、有的具有多个功能组合的测井仪。井下测井仪器的种类繁多，与其相配套的地面系统也参差不齐。针对这一现状，对各种井下仪器的进行了多方面、多角度的研究、探讨和总结，并在省教育厅资助下，研制一种新型、通用的便携式数控测井地面系统，使之能与绝大多数井下测井仪器配套使用。

1 系统结构图

在掌握生产测井的工作原理及对多种井下测井仪器的分析和研究后，归纳总结出多种井下测井仪器的回传信号的共性及特点，其回传的信号主要有3种信号：模拟量，脉冲量和曼切斯特编码信号。模拟量信号主要来源于各种模拟测井仪，如声波、接箍、磁定位仪等测井仪，其该信号主要的形式是类正弦波信号。脉冲量信号主要来源于自然伽马仪、多臂井径仪、脉冲水温等测井仪，其主要的形式是正脉冲和负脉冲。曼切斯特编码信号主要来源于组合式测井仪，该测井仪中有一个电缆遥测短节[1]（Wireline Telemetry Cartridge，WTC）单元，该单元在测井仪中起重要作用，主要负责将组合测井仪中其他仪器如温度仪、压力仪、流量计、密度仪、自然伽马仪、含水仪等采集的数据编辑成一定帧格式，编成曼切斯特Ⅱ码[2]，通过测井电缆发送到地面系统。鉴于数控测井地面系统各个模块处理的实时性要求较高，为此地面系统采用分布式控制方式，每个电路模块均用一个独立的CPU完成特定的功能，各个子系统板间的数据通信则采用高速、高性能、高可靠性的CAN总线通信方式。信号分离板在整个地面系统中处于首要位置，利用RS232完成与上位机的通信，完成3种信号的分离、调理，最后将信号送至相应的子系统板中进行进一步处理。另外子系统板与信号分离板还需完成一些特定信息的传送，为配合与子系统板完成CAN通信，最后选定信号分离板的CPU采用C8051F040单片机。C8051F040单片机[3]是Cygnal公司生产的增强型的单片机，是完全集成的混合信号系统级芯片（SOC），有100脚TQFP和64脚 TQFP两种封装，资源极其丰富：采用高速8051微控制器内核，以流水线指令结构，速度可达25 MIPS，提供20个矢量中断源。具有4 352（4 k+256）字节的片内RAM和64 k字节Flash存储器；可以在系统编程，扇区大小为512字节。其具有18个字节宽的端口I/O，内部还集成了一个控制局域网（CAN）控制器，可实现CAN2.0A和CAN2.0B协议规范的串行通信等资源。其地面系统结构图如图1所示。图1中虚线框所指的是信号分离板结构图。

图1 信号分离板系统结构图Fig.1 System structure of signal separation broad

2 硬件设计

在生产测井过程当中，模拟量主要来自于井下仪器上传的磁记号信号和张力信号等。由于模拟信号自身的特点，容易受到外界干扰。其信号包括井径信号、测向信号等，它们都是变化缓慢的信号，电压幅度范围一般在0～+5 V，其中测向测井信号中有几十个毫伏的电压信号。信号通过井下仪器进行检测后，再由井下电缆传输到分离板时，将融进一定的噪声，为了尽量恢复原始的模拟信号，同时为了满足不同测量要求，需要对模拟信号进行一系列的调理。由于井下回传的信号比较小，所以该处理单元要对信号进行放大，再进行滤波，采用多级放大电路的设计方式。整个模拟量分离单元的电路框图如图2所示。

图2 模拟信号分离单元原理框图Fig.2 Block diagram of analog signal separation unit

其中放大电路采用比例放大，如图3所示，可根据实际情况，调节R2电位器，改变放大倍数。图中第一级为比例放大环节，该环节放大倍数为由于模拟信号频率较低，变化缓慢，在信号长距离传输过程当中，容易引入高频噪声干扰，所以需要设计低通滤波电路将高频信号成分有效滤除后，再送入模数转换单元。电路设计时采用压控电压源二阶低通滤波电路[4]来完成对该类信号的处理。另外为了使后级电路不影响前级的滤波特性，故在滤波电路后面加入了电压跟随器，实现前后级电路的隔离，从而完成了对模拟信号调理单元的设计。

若当R15=R16=R，C13=C14=C时，对压控电压源二阶低通滤波电路进行分析，可得出其传递函数为：

图3 模拟量信号处理单元Fig.3 Analog signal processing unit

在实际电路设计过程当中，取R17＝27 kΩ及R18＝25 kΩ，从而可以得出该滤波电路的通频带电压放大倍数：

在式（1）当中，当 Aup（s）小于 3 时，即分母中 s 的一次项系数大于零，电路将不会产生自激震荡，从而稳定工作。

若令 s=jω，并取 R=330 Ω，C=0.47 μF 时，则有：

将式（3）代入式（1）中可以得出，其电压放大倍数为：

在式（5）中，可见清楚地看到，电压放大倍数与通带放大倍数的比值Q≈0.93，从而保证了该滤波器在截止频率处的幅频特性比较理想，通频带内的电压放大倍数基本不受损失。

3 模拟量分离单元的调试

测井过程当中的磁记号信号及张力信号，通常是变化缓慢的低频模拟信号[5]。这类信号不同于数字信号，其频率较低，电压幅度较小，所以井下仪器将低频模拟信号送至测井电缆之前，往往都会由井下遥测短节模块将该类信号放大。若使用单芯电缆作为测井电缆，此时会将幅值放大以后的低频模拟信号加载到给井下仪器供电的直流电源之上，即电源线和信号线采用同一根传输线。低频模拟信号经井下电缆的长线传输以后，不仅会受到较大的幅度衰减，而且也可能会或多或少地引入外界干扰。如果该低频模拟信号不经过信号调理单元，而直接进入模拟信号转换单元进行模数转换，此时得到的数据就不能反映井下仪器实际测量的结果。因此必须对该低频模拟信号进行调理，利用压控电压源二阶低通滤波电路，可以将信号传输过程当中引入的外界高频干扰有效滤除。

磁记号信号反映了测井电缆上磁记号的位置，而张力信号反映了测井电缆在下放或提升过程当中所受到的作用力大小，它们均是低频模拟信号。在实验调试过程当中，首先利用Multisim仿真软件对信号调理单元的功能进行测试，随后再利用示波器调整该部分的硬件电路参数，得到预期的输出波形，完成对模拟信号的调试操作[6]。图4（a）给出了带阻容网络的模拟信号调理单元的硬件仿真电路，这里采用阻容网络来模拟测井电缆，利用信号源V1产生的低频正弦波信号来模拟磁记号信号，并在该信号上叠加由信号源V2产生的高频干扰信号。图4（b）利用虚拟示波器给出了该电路的仿真测试结果，其中通道1表示叠加了50 kHz干扰信号以后的测井输入信号，通道2则表示通过模拟信号调理单元处理后的信号。

图4 模拟信号分离单元的仿真电路及波形图Fig.4 Simulation circuit and waveform of analog signal separation unit

由上图可以看出，由于模拟信号调理单元内部二阶低通滤波器的截止频率为1 026.7 Hz，因此该模块可以有效地将高频干扰信号（50 kHz）滤除。将分离后的信号即可作为AD采集板的信号输入，进行下一步的模数转换。

4 结束语

经长距离的测井电缆传输后的模拟信号，势必融入高频的干扰信号，为提高后期模拟信号的采集质量，为此对其模拟信号进行分离处理非常必要，上述的设计模拟分离单元采用经典的压控电压源二阶低通滤波电路将其高频信号有效的滤除了，另外为了使后级电路不影响前级的滤波特性，故在滤波电路后面加入了电压跟随器电路，以提高输入阻抗。最后以磁记号信号为例，经模拟电缆传输后，融入了高频干扰信号，由模拟信号分离的处理，有效地滤除了高频信号，满足后期的信号处理要求。

[1]胡尔佩.数控测井系统技术基础[M].北京：石油工业出版社，1995：7-10.

[2]高嵩，何宁，王国珲，等.曼彻斯特码多路数据传输系统[J].西安工业学院学报，2003， 23（4）：294-298.GAO Song， HE Ning， WANG Guo-hui， et al.Multiple data transmission system with manchester code[J].Journal of Xi'an Institute of Technology， 2003， 23（4）：294-298.

[3]潘琢金.C8051F040/1/2/3/4/5/6/7混合信号ISP FLASH微控制器数据手册[M].北京：新华龙电子有限公司，2002.

[4]童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2002：350-353.

[5]高嵩，王国珲，潘泉.USB总线在便携式数控测井系统中的应用[J].弹箭与制导学报，2005， 25（4）：437-439.GAO Song， WANG Guo-hui， PAN Quan.Utility of USB in the portable computerized logging system[J].Journal of Projectiles Rockets Missiles and Guidance， 2005， 25（4）：437-439.

[6]袁晓伟，高嵩，陈超波，等.基于DSP便携式数控测井系统的设计[J].电子设计工程，2009， 17（11）：27-29.YUAN Xiao-wei， GAO Song， CHEN Chao-bo， et al.Design of portable computerized well logging surface system based on DSP[J].Electronic Design Engineering， 2009，17（11）：27-29.