引言

脈沖中子氧活化測井水流儀地面系統(tǒng)的主要功能：

接收井下儀器上傳的信號，解析數(shù)據(jù)并上傳至上位機；同時，接收上位機下發(fā)指令，并發(fā)送給井下儀器。本文是對傳統(tǒng)氧活化測井儀地面系統(tǒng)的改進，該系統(tǒng)提供ISA 總線接口規(guī)范，可實現(xiàn)與系統(tǒng)的快速配接，若用戶需要完成不同系列儀器配接時，只需要在前面板盤模組處更換相應的板卡和相應的軟件界面。即可實現(xiàn)不同儀器的配接。

1 脈沖氧活化測井原理

脈沖氧活化測井是一種測量水流速度的方法。由雙脈沖熱中子衰減時間測井技術發(fā)展起來的動態(tài)測量技術，其核心是用高能脈沖中子激活氧原子并引發(fā)多種核反應，其一為氧活化反應。激發(fā)態(tài)下的氧原子釋放出高能伽馬射線，通過探測伽馬射線時間譜，來反映油管內、油管/套管環(huán)型空間、以及套管外含氧物質特別是水的流動狀況。根據(jù)儀器源距就可計算出水流速度，在管徑已知且不變的條件下，可以計算出水流流量。可用于檢查射孔井段封堵、半段井下工具位置、檢查配注井漏點位置、檢查井下工具工作狀況和套管竄槽位置等。脈沖中子氧活化測井儀結構圖，如圖1所示。

脈沖中子氧活化測井儀地面系統(tǒng)，主要是對井下中子管的工作狀態(tài)進行控制，以得到合適的中子發(fā)射周期和中子產額。為此需要控制的參數(shù)有陽極脈沖的時序、燈絲電壓的幅度、靶壓的幅度等。需要監(jiān)測的信號有儀器纜頭電壓、燈絲電流、靶壓幅度、四個探測器的計數(shù)等。

2 系統(tǒng)硬件

氧活化測井地面系統(tǒng)主要由地面系統(tǒng)控制電路和ISA總線控制電路兩部分構成。

2.1 地面系統(tǒng)控制電路

地面系統(tǒng)與井下儀器通過電纜實現(xiàn)雙向通信，地面系統(tǒng)由信號接收和下發(fā)命令兩個模塊構成，通過主單片機和次單片機的基本系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲、總線收發(fā)、上傳信號前端處理以及下發(fā)命令后端處理等電路實現(xiàn)。其中，主單片機主要用于數(shù)據(jù)處理、指令下發(fā)與上位機通信等控制操作，而次單片機用于幀同步校驗及顯示。主單片機以50 ms的幀周期工作，通過片內通信D0~D3，F(xiàn)R（幀同步），SYNC1（字節(jié)同步）與次單片機通信，得到溫度、壓力、節(jié)箍、自然伽馬、Iw等上傳的數(shù)據(jù)值，并通過電路調解出的PCM命令并對其命令解釋，將有效的數(shù)據(jù)上傳至上位機進行下一步處理；同時，將上位機所下發(fā)的命令以PCM方式編碼并輸出A（正脈沖）、B（負脈沖）信號，將該信號通過驅動電路送至電纜，并下發(fā)給井下儀器。

井下儀器上傳信號經過變壓器T3-T4端口接收，為了消除電纜電荷的積累，所有的脈沖信號均隔一個正脈沖和一個負脈沖發(fā)出，因此，接收到的脈沖信號經過濾波、整流電路后，得到正脈沖。前端處理電路如圖2所示，其工作原理如下：首先，對該正脈沖進行信號放大處理。其次，由于傳輸過程中的干擾，使得上傳信號產生畸形，因此，需對其進行脈沖信號整形。為了恢復信號的幅度，需要將放大的信號進行電壓比較，通過調節(jié)電位器消除傳輸過程中帶來的畸形脈沖，從而得到與上傳信號一致的脈沖序列。再次，將該脈沖經過74LS221脈沖整形電路，根據(jù)外圍器件RC參數(shù)從而恢復脈沖信號的脈寬。經過前端處理電路處理過的信號SIGD，通過串口線發(fā)送給上位機進行軟件校對、數(shù)據(jù)采集等工作。

同時，上傳信號SIGD 作為主單片機INT1 的觸發(fā)脈沖，配合T0調用中斷命令，并將上傳的數(shù)據(jù)通過鎖存器存入雙端口RAM中。

后端處理電路工作原理如下：上位機下發(fā)的執(zhí)行命令由ISA 總線傳輸給總線收發(fā)器，通過控制總線收發(fā)器，可將執(zhí)行命令存入雙端口RAM中，等待主單片機的R-D- 信號將執(zhí)行命令送至主單片機進行操作。與此同時，下發(fā)命令通過從單片機進行校驗，信號從其P1端口發(fā)出，經過DIP 開關整合得到復合命令（CM+CMT），將此復合命令送至主單片機的P2.6 和P2.7 口。其中，主單片機的P1.0和P1.1端口分別作為定時計數(shù)器T2的外部計數(shù)器和外部控制器，對外發(fā)送執(zhí)行命令。為了降低傳輸功耗，下發(fā)命令以正負脈沖A、B 的形式發(fā)出。該A、B 脈沖信號經限幅、電平轉換電路得到TTL脈沖，并在驅動電路的作用下，由變壓器的T5-T6-T8 端口發(fā)送給井下儀器執(zhí)行命令。下發(fā)命令后端處理電路原理圖，如圖3所示。

2.2 ISA總線控制電路

氧活化測井儀地面系統(tǒng)的系統(tǒng)總線采用ISA 總線實現(xiàn)，地面系統(tǒng)與上位機之間通過ISA總線交換數(shù)據(jù)的實現(xiàn)方法為共用單片機系統(tǒng)外部數(shù)據(jù)存儲器與靜態(tài)數(shù)據(jù)傳送相結合的方法。

ISA總線的總線周期分成兩大類：一類是CPU驅動的總線周期；另一類是DMA 控制器驅動的總線周期。

在設計擴展卡時，可使用CPU總線周期中的I/O讀寫和DMA 驅動的DMA 傳送方式。DMA 傳送方式多用于實時性要求高、數(shù)據(jù)量很大的場合，其接口電路設計比較復雜。通常，ISA總線采用I/O讀寫方式。在I/O讀寫周期中，地址碼在讀寫過程中一直保持有效，可直接作為接口芯片的地址信號，不需進行鎖存。I/O 讀寫信號均為低電平有效。

由于通信信道為單芯電纜，因此單片機系統(tǒng)采用分時復用總線的工作方式，低八位地址碼與數(shù)據(jù)在一個讀寫周期中分時出現(xiàn)在單片機的P0口，需對低八位地址信號進行鎖存。在設計接口卡時，要嚴格遵循雙總線的操作時序。需要注意，由于DMA 傳送過程中也需要使用I/O讀寫信號，因而設計電路時要在地址譯碼電路中使用DMA 傳送的地址允許信號進行屏蔽，以防止接口誤操作。同時，為了防止時序混亂，采用總線控制模塊實現(xiàn)總線系統(tǒng)之間進行隔離，同時還要設置兩個系統(tǒng)之間的公用數(shù)據(jù)交換區(qū)，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。ISA總線接口電路原理圖，如圖4所示。

井下儀器內部通信是由井下儀器各個單片機通過LIN 總線互相傳遞數(shù)據(jù)和命令的過程。其原理圖如圖5所示。串行通信采用9位多機通信方式，波特率為20 kHz.其中遙傳短節(jié)內的TU1為主單片機，其他各短節(jié)內的單片機為次。TU1 單片機既發(fā)命令也接收數(shù)據(jù)，其他單片機只接收命令和發(fā)送數(shù)據(jù)，不接收數(shù)據(jù)，以免受其他單片機影響。

3 系統(tǒng)軟件下的通信協(xié)議

3.1 通信協(xié)議解釋

地面系統(tǒng)發(fā)送的控制命令及數(shù)據(jù)信息均采用PCM編碼方式，屬半雙工通信。地面儀器工作時不斷檢測電纜上有無信號，當檢測到電纜上有信號，則代表井下在上傳數(shù)據(jù)。如果出現(xiàn)一段時間間隔內（1 ms）無信號，表示井下儀器一幀數(shù)據(jù)已結束，該地面系統(tǒng)開始下發(fā)命令。與此同時，井下儀器每隔50 ms主動發(fā)送一組數(shù)據(jù)并接收一次命令（即一幀），每幀50 ms時間分為5個10 ms段，第一段10 ms為命令框，這時井下儀器不發(fā)數(shù)據(jù)，接收地面儀器發(fā)送的命令；第二段至第五段分別為井下儀器上傳的數(shù)據(jù)段，也叫數(shù)據(jù)框。每框含5個18位字，含1個狀態(tài)字，4個數(shù)據(jù)字，每字占空間1 900 μs，包括18位及一個100 μs 間隔。有效位16 位，第17 位是檢驗位，第18 位總是“0”。地面系統(tǒng)與井下儀器通信協(xié)議幀格式，如圖6所示。

3.2 狀態(tài)字與數(shù)據(jù)位的識別

系統(tǒng)采用時分復用通信方式，即對信道中相位抖動及接收端與發(fā)送端的時鐘同步問題提出了較高的要求。接收端根據(jù)對同步信號的識別，讀取數(shù)據(jù)和命令傳送等。

井下儀器向地面系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)需要先對其狀態(tài)字進行同步校驗。通過判斷狀態(tài)字，可得到上傳數(shù)據(jù)對應的井下信息。上傳數(shù)據(jù)的每個狀態(tài)字占空間1 900 μs，包括18位及一個100 μs間隔。有效位16位，第17位是檢驗位，第18 位總是“0”。每位占100 μs，每位前有一個位同步脈沖，100 μs中部有脈沖，代表該位為1，無脈沖為0.地面系統(tǒng)在讀取數(shù)據(jù)之前，先對此碼組進行幀同步校驗。判斷上傳數(shù)據(jù)是否符合要求，符合則上傳數(shù)據(jù)，否則等待下一幀命令。

當數(shù)據(jù)傳送完成后，地面儀器下傳復合命令（CM+CMT）。復合命令分兩部分，前部分為狀態(tài)命令CM，6位，每位280 μs，共280 μs×6，分布在前5 ms中部；后部分為靶壓命令CMT，4位，280 μs×4，分布在后5 ms中部。

每位前有一個位同步脈沖，其后有一個數(shù)據(jù)脈沖，用同步脈沖和數(shù)據(jù)脈沖之間的距離表示該位是1或0，同步脈沖和數(shù)據(jù)脈沖之間的距離小于140 μs表示該位為0，大于140 μs表示該位為1.井下儀器在讀取數(shù)據(jù)之前，先對此特定脈寬脈沖進行幀同步校驗。判斷下發(fā)命令是否正確，正確則執(zhí)行命令，否則返回待命。

4 結論

設計所提供的ISA 總線接口規(guī)范，可實現(xiàn)與系統(tǒng)的快速配接，當需要不同系列儀器配接時，只需要在前面板盤模組處更換相應的板卡和相應的軟件界面，即可實現(xiàn)，具有良好的設備兼容性。本設計是對傳統(tǒng)氧活化水流測井儀地面系統(tǒng)的改進，通過單片機控制實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳與命令下發(fā)的通信。