可动态配置硬件电路的综合数控地面测井系统

摘要

一种可动态配置硬件电路的综合数控地面测井系统。它包括计算机系统(上位机)、信号预处理单元箱(下位机)、标准电源箱、总电源控制UPS箱、双踪示波器箱、打印机箱、数控测井软件、数控射孔软件。上位机与下位机通过USB通讯。下位机的核心采用基于SRAM的大规模高速现场可编程逻辑模块(SRAM－FPGA)。测井时，上位机利用系统软件、通过USB接口下传测井程序及控制指令，下位机根据上位机下传的程序及控制指令动态配置相应测井功能的小系统硬件电路，完成相应测井任务。小系统硬件电路的动态配置实现了测井功能的动态组合，解决了下位机资源占用过多、系统过于庞大的问题，避免了许多因系统庞大造成的不可预知的隐患。

说明书

技术领域

本发明涉及一种油田综合数控地面测井系统，尤其是可动态配置硬件电路的地面测井系统。

背景技术

现有的地面测井系统，有的采用标准逻辑器件组成测井电路，其逻辑功能固定，电路设计不具有灵活性；有的采用PROM，虽然可编程，但是因为采用了熔丝工艺，程序只能一次写入，不可擦除或重写；有的采用基于EEPROM和FLASH的CPLD器件，它分为在编程器上编程和在系统编程，虽然实现了程序多次写入，但是重新写入时，在编程器上编程需要断电后将电路板从系统中取出，使用专门的编程器进行编程，在系统编程虽然可以在线编程，但是需要JATG接口，而且需要专门的下载软件配合。各方面的限制使其应用不够灵活。

随着测井技术的不断发展，我们预先并不能完全确定将来需要扩充的功能，为了提高产品的竞争力，只能尽可能的全面。测井功能的不断累加，必然引起系统庞大的问题，庞大的系统又往往存在许多不可预知的隐患。所以测井系统一方面要求功能全面，另一方面要求系统简单，这是一对不可调和的矛盾。功能的增强与复杂度的增加一般又不是线性关系，功能增强一倍，复杂度往往增加数倍。许多现有的地面测井系统，为了提高系统的综合测井能力，不断累加测井功能，导致系统庞大的问题越来越突出。

发明内容

为了克服现有的地面测井系统灵活性不够和系统庞大的缺点，本发明提供一种可动态配置硬件电路的地面测井系统，该地面测井系统上位机利用系统配备的软件，通过USB接口下传测井程序及控制命令，不需要另外配置专门的下载软件和接口，用户可以使用同一软件进行程序下载和测井操作，在线配置硬件电路，不需要另外配置专门的编程器，方便灵活；下位机根据上位机下传的测井程序及控制命令，动态配置相应测井功能的小系统硬件电路，实现了测井功能的灵活组合，解决了下位机资源占用过多、系统过于庞大的问题，避免了许多因系统庞大造成的不可预知的隐患。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：整个系统包括计算机系统(上位机)、信号预处理单元箱(下位机)、标准电源箱、总电源控制UPS箱、双踪示波器箱、打印机箱、数控测井软件、数控射孔软件。上位机与下位机通过USB通讯。下位机的核心采用基于SRAM的大规模高速现场可编程逻辑模块(SRAM-FPGA)。测井时，上位机利用系统软件、通过USB接口下传测井程序及控制命令，下位机根据上位机下传的程序及控制命令动态配置相应测井功能的小系统硬件电路，完成相应测井任务。

本发明的有益效果是，上位机利用系统配备的软件，通过USB接口下传测井程序及控制命令，不需要另外配置专门的下载软件和接口，在线配置硬件电路，不需要另外配置专门的编程器，方便灵活。下位机根据上位机下传的程序及控制命令动态配置相应测井功能的小系统硬件电路，实现了测井功能的灵活组合，解决了下位机资源占用过多、系统过于庞大的问题，避免了许多因系统庞大造成的不可预知的隐患。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明配置FPGA芯片的示意图。

图2是信号通道程控接地设置的示意图。

图3是本发明第一个实施例的示意图。

图4是本发明第二个实施例的示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明中使用EZUSB单片机和上位机通讯，单片机里有一个引导程序，上位机通过类似于JATG的接口，将单片机的工作程序下载到单片机中，单片机在引导程序的控制下执行单片机的工作程序，执行完毕之后进行二次复位。然后由上位机动态下载配置FPGA所需要的电路文件到单片机中，单片机控制FPGA动态配置硬件电路。从上位机下载配置FPGA所需要的电路文件到单片机的过程中，可以同时配置FPGA硬件电路；也可以等到电路文件下载完毕之后，再配置FPGA硬件电路。

如图2所示，下位机的信号通道有程控接地设置，在没有有用信号流过通道的时候，程控开关合上，通过电阻，电容或电感将通道接地，有用信号到来前的某个时间，程控开关断开，恢复正常通道信号处理功能，此项功能的设置可有效防止电缆上积存电场可能造成的电磁振荡干扰。

在图3所示，是本发明第一个实施例的示意图，整个系统采用双机冗余配置，两套计算机可以同时进行数据采集，也可以一套采集，另一套解释，双系统也可互为备份，系统可靠性高。它包括：

(1)双信号预处理单元箱

每个预处理单元箱包含一个标准信号采集插槽，两个AC/DC(±12V±5V)开关电源，一套独立工作的深度张力显示单元，一个电极电源调制器(电极频率10～50Hz可调，电流0～300mA电压0～300Vp-p可调，带电流曲线)，一个井径恒流电源(5mA/2mA12V)；一个隔直电容匹配板。

(2)双计算机系统

均配P4CPU/2.8G、512MB内存、80G硬盘、DVD刻录光驱(R/W)，前后USB接口，开门式15寸液晶显示器；双计算机互置局域网、打印机共享设置。

(3)双标准电源箱

(4)一个820打印机箱

(5)一个双踪示波器箱

(6)一个总电源控制UPS箱，配置机柜式山顿2000VA在线UPS。

(7)系统软件：UNILOG2000数控测井软件一套

SK2004数控射孔软件一套

单个系统采用主从式测控结构，计算机系统(上位机)与信号预处理单元箱(下位机)通过通用串行总线(USB)通讯。上位机利用USB接口，下传下位机执行的测井程序及控制命令，并采集、记录、显示下位机上传的测井数据。下位机上传的每个采集数据包里都有深度标志和时间标志，作为软件处理时给数据包准确定位的依据，数据包的延迟不会影响软件处理结果。下位机的核心采用基于SRAM的大规模高速现场可编程逻辑模块(SRAM-FPGA)，具有高度通用性。对于不同的测井项目，由上位机动态下载不同的测井程序及控制命令，下位机根据上位机下传的程序及控制命令动态配置相应测井功能的小系统硬件电路，完成测井任务。小系统硬件电路的动态配置实现了测井功能的灵活组合，解决了下位机资源占用过多、系统过于庞大的问题，避免了许多因系统庞大造成的不可预知的隐患。

所述的信号预处理单元箱中的标准信号采集插槽，作为数控系统的核心，它由模拟通道板、脉冲通道板、FPGA板、信号仿真板、底版几个部分组成。下面分别对几个部分进行说明。

模拟板上和脉冲板上都有程控放大电路，它由数字电位器和运算放大器组成，上位机通过FPGA对数字电位器进行控制。

模拟板(anlog1.pcb)有8道模拟信号放大滤波通道，AD1(SP)/AD6(CCL)/AD7(TEN)/AD8(MMD)是专用通道，其参数滤波有一定的针对性；AD2/AD3/AD4/AD5是通用通道，在常规电极中可做4m、2.5m、0.5m电极和电极电流、井径等信号的采集通道。模拟信号增益采用8路64级数字电位计X9241控制，增益步进单位1/3，最大程控增益21倍。测井中，FPGA板上有专用的16位高速A/D芯片，它对8道模拟信号采用巡航式不间断采集。

脉冲板(puls1.pcb)有4道脉冲信号放大滤波通道，4正4负共8道脉冲逻辑电平比较通道，这4个基本脉冲通道均可完成普通脉冲信号、声波类信号、各种编码信号的解调和高速A/D采集。4个脉冲通道的增益控制和模拟板一样，8个比较电平D/A程控设置均达4096级，由AD7568完成；8个比较电平结果直接进入FPGA，所以理论上FPGA可以同时完成4路编码信号的解调；测井过程中，程控选择4路中的一路，做16位高速A/D转换。

FPGA板有一个核心的FPGA芯片，两个对称的高速A/D(AD7723)通道，以及USB媒体芯片(AN2131)等。该板作为下位机的核心，采用基于SRAM的FPGA编程，编程信息从外部存储器SRAM读入，测井时先在该存储器中查找并读取所需电路，如果存储器中没有存储所需电路，再由上位机通过USB将电路下载到存储器中，该存储器的设置提高了测井过程中电路的读取速度。两路对称AD的设置，使数据采集过程中高速信号和低速信号之间的切换更灵活。另外，该板上还有一片普通存储芯片和FPGA芯片组合实现先进先出存储器(FIFO)的功能，对采集数据做缓存处理，此设置保证上位机有轻微阻塞时采集数据也不会丢失。

信号仿真板(em3.pcb)可完成程控的仿真深度信号、频率可调的正负脉冲信号、调制和非调制的声波信号，可编程的原始曼码和微分曼码信号、归零的和不归零的AMI码信号、3502、3506、3508的仿真信号，陀螺仪的仿真信号，以及它们之间的各种组合应用。同时，仿真输出口也是井下仪下发逻辑、下发命令的驱动口，通过FPGA控制，它从两个途径，即OTL双极驱动和变压器差分驱动，兼容单芯电缆电容耦合双向传输、多芯电缆差分变压器耦合双向传输。

底板上有专门的示波器输出接口，可以将一些重要信号送到示波器上观察。数控测井中，示波器双踪信号输入端，通过程控电子开关，可以实时观测各类仿真信号，观测脉冲各通道的入口信号、放大信号、8道比较电平、8道比较结果信号、各通道编码信号的解调同步信号、以及FPGA内部对高速A/D片子的采集逻辑信号等。并且，示波器可以有选择的对信号加辉、同步。示波器电子开关，由多片MAX333A组成，主开关在模拟电路板上，负责转换来自仿真板、脉冲板、FPGA板的信号，次一级开关在脉冲板等。

所述的总电源控制UPS箱配置机架式山特在线1KWUPS电源，在测井现场上，当系统突然掉电时，UPS能保证现场的仪器数据及测井信息不会因突然掉电而丢失，方便操作员保存相关测井文件。

所述的示波器采用GW GOS-6112 100MHz双踪示波器，示波器“CH1”接下位机示波器通道1，用于监视脉冲板放大输出的信号(包括声波和曼码)；示波器“CH2”接下位机示波器通道2，用于监视脉冲板通道的比较结果或其它FPGA内部信号，其中脉冲通道的地址和FPGA内部信号均由软件程控决定；示波器Z轴输入端接下位机示波器加辉；示波器外触发输入端接下位机示波器外触发。

所述的系统软件基于Windows2000/XP多任务操作系统平台，采用VC/MFC编写；界面友好，操作简便。设备驱动程序按微软DDK/WDM驱动程序编写标准开发，微软98及以上操作系统全适用，不存在兼容性问题。程序结构采用面向对象的分层结构，模块化设计，具有良好的仪器挂接扩充和功能扩充。由于采用多层诊断系统，能够监控测井各环节状态，在系统出现故障时可通过软件定位，系统容错性能好。可以按用户实际应用要求任意组合输出各种格式的数据和图表，能够存储回放数据，并具有实时打印功能。下位机硬件功能由上位机通过USB总线程序下载，硬件参数设置由上位机软件窗口操作完成。软件具有在线帮助功能。

如图4所示，是本发明第二个实施例的示意图，系统作为一种便携的测井系统，需要与笔记本电脑配合使用。整个系统采用主从式测控结构，笔记本电脑(上位机)与便携测井系统(下位机)通过通用串行总线(USB)通讯。上位机利用USB接口，下传下位机执行的程序及控制指令，并采集、记录、显示下位机上传的测井数据。对于不同的测井项目，由上位机动态下载不同的测井程序及控制指令，下位机根据上位机下传的程序及控制指令动态配置相应测井功能的小系统硬件电路，完成测井任务。小系统硬件电路的动态配置实现了测井功能的灵活组合，解决了下位机资源占用过多、系统过于庞大的问题，避免了许多系统庞大造成的不可预知的隐患。