井下振动数据测量仪器电路设计

时间：2024-08-31

李春楠

（中海油服油田技术研究院，河北燕郊，065201）

0 引言

随钻测井是一门多学科的应用技术，包括基本理论、仪器设计、仪器制造、测量数据处理和解释等，目前它已成为储量评估、油储勘探及油气开采等方面不可缺少的工具。在钻井过程中，井下仪器受到持续不断的振动，为了掌握井下仪器真实的振动情况，需要对振动数据进行有效的测量。仪器具有结构简单，操作方便的特点，非常适合应用于满贯测井作业。

1 电路结构

振动传感器采集的振动信号，经瞬时值电路、峰值保持电路和平均值运算电路，由主CPU的AD采样通道采集这些振动数据，DDS采集板主要完成DDS采集以及1553总线驱动与通讯等功能。

图1 电路结构框图

DDS采集板主要由以下3个电路模块组成。

DDS采集模块：3轴振动传感器，瞬时值、峰值、平均值采样保持电路。

主CPU及外围电路模块：主CPU（含A/D），外部SRAM，与调试上位机的串口通讯电路。

1553通讯模块：曼码编码解码电路，实现电源与信号的耦合和解耦的总线驱动电路。

2 CPU的设计

采用的CPU是一个16位RISC结构体系的ARM7内核，最高工作时钟可达44MHz，具有看门狗， 16通道1MSps采样速率的12位ADC、12位多达四缓冲电压输出的DAC、基准电压源、温度传感器、电压比较器、62KB闪存/EE存储器以及8KB静态随机存储器SRAM，串口包括1个UART、2个IIC和1个SPI，4个通用定时器，三相(6路输出)PWM、可编程逻辑阵列(PLA)具有40个通用输入输出(GPIO)端口并且支持外部存储器。

此CPU在本电路中除了作为控制中心外还负责着AD采样、数据存储和外部通讯功能。因此我们用到的功能包括ADC、基准电压源、温度传感器、闪存/EE存储器、SRAM、UART、通用定时器、PWM、 GPIO和外部存储器。

3 振动传感器

振动状态数据的采集用加速度计，因为受到的振动和冲击是三个方向的，即X轴Y轴Z轴，所以需要三个这样的加速度计所组成的振动量采集电路。加速度值经过采样保持电路。峰值保持电路和平均值运算电路得到瞬时值，峰值和平均值。

表1 振动传感器的性能指标

加速度传感器的线性度为0.2%，分辨率为0.2g，测量范围±250g，采样频率最高为5kHz，振动传感器是电压形传感器。通过上述差数对比，本系统所选加速度传感器满足合同指标的性能需求。

图2 振动传感器输出波形

此图为传感器放到振动台上，振动频率为23Hz振动加速度为10g时传感器所输出的波形。由此图可以看出该正弦波的峰峰值是185mV，周期是45ms。

4 采样保持电路

采样保持电路由瞬时值电路、峰值保持电路、平均值运算电路三部分组成。

瞬时值电路对振动数据进行脉冲采样。峰值保持电路对振动数据脉冲进行峰值采集。平均值运算电路对一定时间内的振动数据脉冲进行平均值的采集。这些振动数据用微处理器的A/D转换电路变成数字信号，并由微处理器进行采集。微处理器对三轴进行采集，所以需要三组这样的振动数据处理电路，需要九路微处理器的A/D转换通道。

瞬时值电路：振动传感器受到振动以脉冲方式发出，该脉冲幅度最大为±2V，该脉冲通过电容隔直，隔直后幅度最大仍为±2V，该脉冲再通过由运放组成的保持电路，该脉冲再通过由运放组成的保持电路后的波形由公式算出。最后的信号是幅度为0.25—2.25V的脉冲。

峰值保持电路：V3端的脉冲经低漏流的运算放大器和二极管组成的半波整流电路，再通过低漏流的运算放大器和电容组成的保持电路将峰值输出，。电容的作用是保存峰值，保持时间的长短主要由电容的大小而定。在一个峰值采样周期内重复上述过程，则电路输出为正半波的峰值。峰值保持电路按系统指标的4秒采样要求，结合微处理器数据保持的手段实现4秒以上的峰值采样性能。采样过后同样由软件实现对其4秒内峰值的清零，以便下一次的峰值采集。

平均值运算电路：V3端的脉冲经低漏流的运算放大器和二极管组成的全波整流电路整流后，再经过由运算放大器和电容组成的RMS均方根真值处理电路， RMS均方根真值处理电路对波形进行模拟运算，得到振动加速度的平均值。振动加速度的平均值的大小与RMS均方根真值处理电路中电容电阻有关。

5 采集电路

振动数据经采样保持电路处理后用微处理器的A/D转换电路变成数字信号，并由微处理器进行采集，采集的振动数据分别为瞬时值、峰值和平均值。微处理器对X、Y、Z三轴振动数据进行采集，所以需要九路微处理器的A/D转换通道。

6 1553通讯电路

1553驱动电路实现了总线信号的电源/数据分离。总线上输入的是信号和电压，电压为直流信号所以不能通过隔离变压器，在总线取电源时加一个电感能直接取到总供电电压，信号为交流信号通过变压器耦合再经过比较整形，输出高低电平给通信芯片1553。通过隔离变压器实现了1553总线信号的电源/数据分离。1553输出的信号为高低电平，高低电平经过变压器耦合直接输出到总线，通过总线把信号传递到上位机处理中心。

图3 1553发送信号波形

图4 1553接收信号波形

标准信号周期为23.44us，速率为42.66k BPS。

实际信号周期为23.5us，速率为42.55k BPS。

上升沿延迟时间为1us，下降沿延迟时间为1us。

7 编解码电路

本仪器与上位信息中心的通讯接口是 1553 格式的曼切斯特变换信号。在曼彻斯特编码中，由基本数据单元”0”和”1”组成二进制的数据流，数据的每一位中间有一跳变，位中间的跳变既作时钟信号，又作数据信号；从高到低跳变表示”1”，从低到高跳变表示”0”。曼彻斯特编码是将时钟和数据包含在数据流中，在传输代码信息的同时，也将时钟同步信号一起传输到对方，每位编码中有一跳变，不存在直流分量，因此具有自同步能力和良好的抗干扰性能。从电源线分离出来的命令信号经曼切斯特变换连接到主微处理芯片接收处理。应答数据通过发送缓冲器发送到应答格式曼切斯特变换处理器，在把曼切斯特信号经驱动发送耦合电路传送到信息中心。