本文属于随钻声波测量领域，先进的测井技术是我国能源探测事业蓬勃发展的基石，对于突破自然资源开发时的技术障碍，降低资源开发成本，提高开采效率具有重要意义。本文中关于主控电路相关功能的设计能够提升随钻四
极子声波测井仪的工作性能，增强仪器的稳定性和数据传输能力，并解决信号干扰等问题。
1.1仪器总体结构
随钻四极子声波测井仪主要由两部分组成：地面控制系统与井下电路。地面控制系统包括前端处理单元和上位机等井上信息处理系统，井下电路包括主控电路、采集系统、发射系统和电源通信系统。其结构示意图如图1-1所示。
图1-1随钻四极子声波测井仪结构示意图
地面控制系统主要功能就是接收井下测井仪器上传上来的泥浆脉冲信号，并将所有上传的信息集成汇总在上位机中，并通过泥浆脉冲下发相关指令。
由于泥浆脉冲传输速率的限制，井下测井仪器为多个系统组合工作，所以随钻四极子声波测井仪在作业中每个采集周期内只上传时差值至地面控制系统之中，通过时差判断钻铤周围地层环境和仪器工作状况。
随钻四极子声波测井仪井下电路系统的核心是主控电路。主控电路与其他模块连接，负责整个仪器采集周期流程的控制；在作业前，主控电路通过Port口与上位机进行通信，接收采集参数，使仪器采集模块和发射模块协调有序进行作业；主控电路还负责存储记录采集系统上传的声波数据，并对其进行时差算法计算处理，最后将处理之后得到的时差值传递给通信电源板，并由通信电源板上传至泥浆脉冲通信装置；主控电路负责记录仪器各模块的实时工作状况。
通信电源板是随钻四极子声波测井仪与地面控制系统沟通的桥梁，主要功能分为两部分，第一是为仪器其余模块提供稳定的电源，其次是负责将主控电路上传的数据实时传递给泥浆脉冲通信装置。
采集系统位于发射系统与主控电路之间，由四个通道组成，每个通道由1块采集控制板和8块采集板组成，每块采集板上都装有一块采集声波换能器。采集系统负责在发射系统发射声波信号之后，在主控电路控制下进行声波信号的采集，并将采集信号进行带通滤波，最后将处理后的声波数据通过传输线发送给主控电路。采集系统在作业中还需要根据主控电路的命令进行自动增益控制。
发射系统位于仪器的最下方，和采集系统共用一组传输线。其根据主控电路下发的采集模式码，在点火信号来临时根据采集模式码发射出不同频率的声波信号。
发射系统由一块发射控制板、一块发射电源板、六块发射驱动板以及六块发射换能器构成，电源板负责提供高压电源，控制板负责选择相关的发射模式，驱动板生成不同频率的声波信号并发送至换能器，最终由换能器激发声波信号。
根据发射系统所支持发射的频率，主控电路可以选择多种模式进行作业，具体的激发模式如表1-1所示。其中每种模式定义为一种Subcycle，一个周期内完成多种Subcycle，多个Subcycle的组合定义为一种Subset。
表1-1声波发射模式表
随钻四极子声波测井仪的整体机械结构由三部分组成：钻铤、隔声体和电路系统，整体结构如图1-2所示。钻铤整体是由特种钢制成，构成整个仪器的骨架，在强度和韧性方面均满足井下恶劣的工作环境；隔声体是一种哑铃状的、由多种材料组合而成的装置，可以防止发射换能器发出的声波信号直接延钻铤传播到采集系统当中，还有着耐高温、耐腐蚀的特性，隔声体的设计减小了钻铤波对声波数据的影响。
图1-2井下仪器整体机械结构示意图
电路系统在介绍主控电路、采集系统和发射系统时已经进行过简单的描述，各块电路板在骨架上放置的位置如图1-2所示。设计中将隔声体以上的部分称之为上骨架，其余部分为下骨架。
主控电路与采集系统位于上骨架，设计将一块采集控制板和8块采集板组合在一起，称之为一路，同一路上接收换能器间隔半英尺均匀摆放，采集系统共由四路组成，每两路之间成90度角固定摆放，用来接收四个方位的声波数据。
下骨架包含发射系统，其关键在于发射换能器的摆放。单极子发射阵列由两块半圆形换能器组成，四极子声波发射阵列由四块四分之一圆形换能器组成，可以根据不同特性来发射不同方位的声波信号。
1.2仪器工作原理
随钻四极子声波测井仪基本工作原理是通过测量发射声波信号的回波在一路采集板上不同换能器之间的延时，判断目前地层的慢度值，进而判断地层信息情况。
图1-3随钻四极子声波测井仪的测井原理图
仪器的作业过程如图1-3所示。井下仪器在上电工作后，主控电路通过上位机得到作业要求的采集参数，之后按照相应的采集模式在每个采集周期内控制发射模块发送1到8次点火信号，每次点火信号相隔时间一致，并在每次下发点火信号固定时间后控制采集系统进行采集。
发射系统按照不同的模式发射不同频率不同极性的声波信号。采集系统在采集到声波信号后，会通过模拟滤波器对数据进行带通滤波处理，之后将声波全波列数据发送到主控电路。主控电路一般情况下将四路采集数据进行合并处理，在每一个高度点只保留一组数据，最后将不同高度的八组数据进行时差计算，按照时差处理算法得到的慢度值来表示当前地层信息。
最后将声波全波列数据存储在主控电路之中，在仪器出井后通过上位机再次进行处理。声波全波列是指采集系统在作业中所收集到的所有频段的声波信号，比较明显的有纵波、横波和斯通利波。纵波信号传输方向是平行的，所以能够首先被采集系统采集到，然后是与纵波相位相反的横波信号，斯通利波是低脉冲激励产生，所以最后被采集到。全波列声波波形图如图1-4所示。
图 1-4 全波列声波波形图
从图1-4中可以看出，纵波由于速度最快，最先达到采集模块。时差处理算法就是利用纵波在不同高度采集板中相差有序的到时，计算出相应的慢度值。
慢度值指的是声波速度的倒数，声波在不同物质中传播速度不同，所以其慢度值同样可以表示相应的地层信息，随钻四极子声波测井仪就是基于此原理，通过计算得到不同的慢度值来分析地层信息。
1.3仪器工作流程
仪器在下井前要进行一些准备工作，包括擦除已经存储区域、下发采集参数表和设置井下采集模式等；仪器在下井进入到规定工作区域后，通过配套的涡发装置进行供电，各个模块开始作业；主控电路按照设置好的采集参数，有序控制作业；仪器具体工作流程图如图1-5所示。
主控电路首先要进行上电初始化操作，对外设和系统参数进行初始化；仪器在一定时间之后，开始采集使能，选择设置好的采集模式和参数；为了确保仪器各个模块的工作状态，主控电路对采集系统和发射系统握手，并在握手成功之后将采集参数发送到相关模块；主控电路通过点火信号控制发射系统发射一定次数的声波信号，并在每一次点火的一定时间后，控制采集模块开始采集；主控电路通过查询命令判断采集系统是否准备好发送声波信号，之后通过收数指令控制采集系统将声波数据上传；主控电路需要对波形数据进行处理，包括归一化以及不同模式的运算处理；最后数据进行时差算法处理，将声波数据与时差数据存储进存储模块。
图1-5仪器工作流程图
流程执行完毕后，仪器判断此时subset状态决定继续下一个subcycle还是开始新的采集周期。在握手、查询以及收数阶段，如果仪器出现错误，需要判断是否对整个工作流程产生无法控制的影响，再决定是否重新开始整个流程。
2.1主控电路介绍
在随钻四极子声波测井仪中，主控板需要通过与各模块的通信实现整个仪器工作的控制，此外还需要额外进行其他核心工作，比如声波数据的处理与存储，温度等辅助信息的测量以及通过时差处理算法计算慢度值等，所以是仪器中最为重要的部分。仪器井下主控电路板总体设计如图1-6所示。
图1-6主控电路设计框图
主控电路板主要分为六大模块，分别是电源模块、DSP处理器模块、外扩SARAM存储模块、通讯模块、辅助信息测量模块和大规模存储模块。
其中，电源模块负责为电路板中处理器和其他芯片提供适用且稳定的电压；DSP处理器模块选用TMS320F28335芯片，通过对外设的充分利用设计出其他延伸模块，并利用其浮点型处理器特性对声波数据进行高效的处理；外扩SARAM存储模块是为了存放波形处理以及时差算法计算时产生的大型数组；通讯模块由三路SCI模块组成，均使用RS485协议与采集系统、发射系统、上位机以及中控系统进行通信；辅助信息测量模块使用一款支持I2C协议的测温芯片，将实时温度数据存储在处理器之中；存储模块负责将井下声波数据等安全记录下来。
2.2井下大规模存储模块设计的必要性
井下仪器与地面平台之间极低的通信效率一直制约着测井技术的发展。两者进行数据传输的方式分为两种，分别是有线传输和无线传输。有线传输往往应用在电缆测井作业中，不能适用于随钻测井作业环境。无线传输中一般使用泥浆脉冲的方式进行通信。
泥浆脉冲通信的原理是首先将所传数据进行编码，之后经过电路驱动，产生携带着信息的泥浆脉冲，地面系统接受并解压泥浆脉冲信号，从而实现数据传输。
这种通信方式目前已经极为成熟，传输可靠性较高，传输距离较远，并且成本较低，唯一的缺点就是传输速率过慢，经过多年的发展，其速率仍然未能突破10bit/s。随钻四极子声波测井仪中同样使用泥浆脉冲与地面系统通信，不过只能将时差数据进行实时上传，通过时差数据是否变化判断仪器的实时工作状态。
正是由于泥浆脉冲传输效率低，无法将声波数据实时上传至地面，并且仪器在井下作业中会产生极大的数据量，所以需要设计一种大规模存储模块，将测井数据保存其中。
首先分析井下存储数据的总量，采集模块是由四路采集控制电路组成，每一路配有一块采集控制板和8块采集板，每块采集板都有与之对应的采集换能器，四路采集电路等高度摆放，每个高度点都存在4块采集板，一共有8个高度点。
在采集流程中，采集系统在发射系统发出声波一定时间后进行对声波信号的采集，每一个采集换能器都会采集到的256个16位整型数据，所以一路中会产生4096字节数据。
需要注意的是，在一次工作周期内往往会进行连续8次的发射和采集，但是这样做只是为了提高采集数据的准确度，在采集板中就会将数据进行合并处理，并不会全部传递给主控电路。
4路采集电路在采集完成后，分别将4096字节的声波数据传递给主控电路，主控板对数据进行处理，一般在每个高度点只留下一组数据，所以处理后的波形数据一般只剩下4096字节。
为了方便井上对数据进行分析。还需要将系统时间和状态、采集参数、仪器状态一并存入存储阵列中，其中采集参数包括采集模式、采样率、增益值、采样间隔等参数，系统状态包括井下时差处理后的时差数据，仪器状态包括采集模块与发射模块的实时工作情况，这些共计824字节，即一般情况下一种采集模式最终存储的数据量为5120字节，在本设计中将这个数据量称之为一包。
方位单极子模式比较特殊，需要分别记录四个方位的数据，不会对四路信号进行合并，所以一次方位单极子模式需存储的数据量是正常模式的4倍。
仪器常用的采集模式有单极子、四极子以及方位单极子模式。在单次采集周期里常常需要选择多种模式进行混合采集，最后通过不同模式数据相互比对来得到更准确的结果。
测试中单次采集周期内最少选择1次模式，一般最多选择包括方位单极子在内的三种模式；所以1次采集周期中产生的最小数据量为一包，最多产生6包。
仪器需要的最大数据存储量通过公式(1-1)进行计算:
(1-1)
其中Datastorage代表存储的数据总量，TA代表仪器作业时间，TC代表单个采集周期时间，A表示在单个采集周期中采集模式需要存储的数据包数，选择最大值进行计算。
目前，采集周期一般设置为10s，在每个采集周期中最多3种采集模式的采集，其中包括方位单极子模式，共需要存储6包数据，一次工作时长最长为四天左右。按照以上参数，仪器一次作业需要存储的最大数据量约为8Gb。
在每次作业中，工作日志等辅助信息同样需要进行存储，不过并不需要占用太多的空间。经过综合考虑，将大规模存储模块总容量设计为9Gb，足够满足一般作业的需求。
确定容量之后，还要根据数据总量和作业条件选择合适的存储芯片，并制定声波数据的存储格式和存取逻辑。为了提高井下存储效率，还需要在系统中设计合理的存取驱动函数，将波形数据与辅助信息的分区域存取。在上位机读取数据时，设计不同的读取操作，以及更换波特率读取等特殊功能，增加仪器的灵活性；由于井下系统在工作中可能出现供电不稳的问题，还需要针对存储地址设计定位算法来保护以前的声波数据不被覆盖。
对仪器作业整体时序进行分析，在数据处理之后，有大约200ms的时间用于存储数据，一次存储的最大数据量为30720字节，为了不影响仪器作业，最终数据读写时的波特率应大于2Mbps。
2.3井下实时滤波模块设计的必要性
在测井作业中，发射换能器在高压下激发声波信号时，会对采集模块产生高压脉冲冲击，再加上仪器作业时自身噪声造成的影响，可能使采集到的声波信号出现偏离基线的现象，由此引发自动增益失效、信噪比过低等一系列的问题，造成测井数据后期处理误差较大。
从测井声波记录文件中提取几组采样周期为20μs的单极全波声波进行分析，相关单极子波形如图1-7所示。可以看出，图1-7中(I)和(II)中采集到的单极子声波信号的前部均受到一段强噪声的影响，使信号一开始就出现了偏离基线的现象，后续的数据处理中很难找到首波开始信号，影响采集系统的自动增益功能，导致不能准确观测到后续声波细节；另外，噪声的能量过大也会对阵列声波信号相关性计算造成不利的影响。
所以，设计中首先需要选用一种易于实现的滤波算法减小高压脉冲信号对前部信号的影响，之后对不同频段的噪声信号进行带通滤波，使阻带衰减大于50dB，并且需要将滤波器移植进DSP处理器之中，通过代码优化减少运行电子科技大学硕士学位论文时间，避免影响仪器整体工作流程。
在仪器作业周期中，实时滤波功能使用在数据处理与数据存储之间，其中有近50ms的时间余量，在此时间内最多需要对六次8路信号进行滤波，所以需要在保证测井信号质量的前提下，将单通道滤波功能运行时间降低至1ms以下。
图1-7受到不同程度干扰的测井信号
2.4以太网通信模块设计的必要性
主控电路使用基于SCI协议的PORT口对数据进行传输，传输速度被DSP芯片性能和传输距离所限制。按照目前主控电路的传输性能，将数据全部读取需要3到4个小时，这样不仅降低了作业的效率，还增加了作业的成本和风险。
所以在主控电路的基础上，增加以太网传输模块，通过高速稳定的以太网传输，提升仪器的数据传输能力。但是在主控电路中，TMS320F28335处理器外设资源利用率太高，无法提供足够的资源设计以太网模块，所以经过综合考虑，采用新款的TMS320F28388D芯片为主控电路核心处理器，通过其丰富的外设资源，在满足原主控电路设计的同时，扩展出新的以太网传输功能，实现对主控电路传输能力的升级，设计总体框图如图1-8所示。
图1-8以太网通信电路设计框图
在设计中，首先根据DSP芯片的外设情况设计出以太网接口电路，之后将LwIP协议栈移植进处理器之中，并在其基础上建立UDP服务器，通过UDP协议将数据发送至上位机之中，考虑到设计中需要将数据首先从外扩Flash芯片中读取进CPU核，再将数据转移至控制以太网模块的CM核，结合各个模块的传输速率，以太网功能模块总体传输速率应该大于20Mbps，丢包率应该小于0.5%。
本文对随钻四极子声波测井仪的结构和功能进行说明，并详细阐述了主控电 路中大规模存储模块、实时数字滤波功能和以太网通信模块三种关键技术的研究和实现过程。