測井起源于法國，1927年法國人斯侖貝謝兄弟發明了電測井，開始在歐洲勘探煤和油氣，兩年后傳到美國和前蘇聯。自1927年發明測井以來，測井儀器發展經歷了模擬時代、數字時代、數控時代，到現在已發展到成像時代。

    我國的測井技術研究開始于1939年，測井地面系統的發展經歷了模擬測井地面系統、數字測井地面系統、數控測井地面系統，現在已發展到成像測井地面系統。我國的數控測井技術是從上世紀80年代初引進Atlas、Schlumberger、Halliburton等測井公司的數控測井設備開始的，隨后我國自行研究的測井儀器裝備也取得了重大的突破，獲得了迅猛的發展，相繼生產出一系列填補國內空白的數控測井設備，如HCS數控測井系統等。總的來說,我國對國際上比較流行的成像測井技術的應用剛剛起步,正在廣泛運用數控測井技術并不斷進行改進[1]。
1 數控測井地面系統的基本概念
    測井是獲取地層地質信息的過程。它在石油勘探和開發中，是一門不可缺少的學科技術。對于數控測井地面系統，不管它是國產的還是進口的，一般來說，它們的硬件系統和軟件系統都比較龐大。在硬件系統上，其龐大主要體現在硬件箱體比較多，元器件比較多，焊點比較多，因此，一般來說，這些地面系統維護成本不低，可靠性不高，出現故障后排除故障不易。在軟件系統上，其龐大主要體現在程序種類多、測井之前輸入參數多，因此，一般來說，這些軟件使用起來比較煩瑣，給使用者帶來不便。在電子技術、信息技術和計算機技術高度發達的今天，完全可以在不降低功能和性能甚至功能和性能更高的前提下大大簡化硬件系統和軟件系統。
2 系統核心的數據采集箱
    本文要開發的數據采集箱，作為數控測井地面系統的核心部分，包括采集箱硬件電路和采集箱軟件兩部分。采集箱在整個數控測井地面系統中所要完成的功能和任務如圖1所示。

    圖中A套件和B套件是完全一樣的箱體，其中一套用作備份系統，當地面系統在測井過程中出現故障時，操作員可以通過軟件操作立即切換到備份系統，減少了許多不必要的麻煩。圖中電源箱用于給井下儀器和地面系統供電；綜控箱完成常規信號處理、井下儀器控制和電纜選擇；采集箱主要完成各種信號的處理與采集，它是地面系統的核心。在采集箱軟件的控制下，從井下上來的測井信號(包括電阻率、放射性測井的脈沖等)和來自地面的深度、張力、磁記號信號都進入相應的采集卡進行采集，采集的數據通過串口進入工控機。
    隨著電子技術的高速發展，可編程邏輯器件的集成度越來越高，這給數控測井微型地面系統的設計帶來了極大的靈活性和可靠性,完全可以采用FPGA技術，使設計高度集成，減少采集卡的數量和面積，實現數控測井微型地面系統進一步微型化。同時，由于Nios的出現和發展改變了人們使用CPU的傳統觀念，用戶可以在任何有Altera FPGA的單板上使用CPU。有些CPU甚至只是用戶作系統調試或者測試時用到，而將在正式發布的產品中去掉。畢竟，人們可以用Nios實現傳統CPU無法實現的功能和想法。設計傳統的嵌入式系統時，CPU和外設均采用分立器件，在PCB上互連，大量分立器件占用了不少PCB的空間,因此集成度較差。如果采用Nios系統，單板上只需一個Altera FPGA即可實現整個系統，這樣大大提高了系統的集成度和可靠性。原來許多要通過專用集成電路(ASIC)完成的部分，全都用VHDL語言設計成NiosII系統功能子模塊，同NiosII軟核一起集成到Cyclone II系列FPGA中，從而提高了整個系統的性能[2]。
3 系統實現原理
3.1 數控測井數據采集箱的實現原理
    本系統可作為一個完整的測井數據采集和記錄系統,通過該系統可方便地實現對不同類型的測井信號（模擬量、脈沖量和數字量）進行程控數據采集、測井狀態控制、下井儀器供電的監測和調整等。根據實際要求，采集箱系統需要完成以下幾個任務：
    (1) 實時地接收并執行上位機的命令(包括硬件和軟件的設置)。
    (2) 發送命令，采集測井信號(包括深度信號、張力、模擬信號如電阻率、脈沖信號等)。
    (3) A/D不斷地采集模擬信號，NiosII軟核在中斷發出后讀取最新的采樣值，經過處理后傳給上位機。
    (4) 通過RS232串口，向上位機傳送測井數據。
3.2 NiosII系統資源及使用原理
    NiosII系統各外圍設備(Peripherals)內核都是以IP核的形式提供給用戶的，用戶可以根據實際需要把這些IP核集成到NiosII系統中去。一般包括：EPCS控制器、定時器、SDRAM控制器、CFI控制器、System ID和UART等。
4 系統方案的具體實現
4.1 系統方案概述
    考慮到NiosII系統的CPU核強大的運算處理功能,設計采用有豐富的I/O資源DE2開發板,采用以RS232串口通信的數控測井地面系統。整個系統包括深度信息處理及速度計算模塊、A/D測井數據采樣模塊、放射性測井脈沖信號采集模塊、曼徹斯特編解碼模塊以及上位機與NiosII軟核數據通信部分。總的系統設計原理框圖如圖2所示[3-5]。

    當上位機向下發出控制命令時，深度信號處理模塊根據所得到的脈沖中斷數(發出一次中斷所用的脈沖個數)按時發出中斷，當NiosII軟核收到中斷信號后，將由AD0809采樣得到的模擬信號張力、電阻率以及由脈沖頻率計數器采集的放射性脈沖信號連同由深度信號處理模塊得到的深度信息一并發送給上位機，通過上位機編寫的串口通信程序將上述測井信號經過標度變換予以顯示。
4.2 數據采集箱子系統
    該數據采集箱子系統在結構上主要分硬件和軟件兩部分。其中硬件部分包括： SD卡外設、串口UART和JTAG_UART、LCD及七段數碼管顯示、音頻接口、按鍵開關及DPDT、LED、存儲器Flash及SDRAM等；通過開發自己的用戶功能模塊，并與Altera提供的IP資源在SoPC Builder中進行有效的整合，通過Avalon總線與NiosII軟核構成一個完整的系統。軟件部分主要是使用基于Eclipse IDE構架的集成軟件開發環境NiosII IDE以及上位機串口通信程序。 NiosII IDE用來編寫自己的C/C++應用程序代碼，完成NiosII 處理器系統的所有軟件開發任務。C/C++應用程序代碼主要用來編寫NiosII系統與DE2開發板外設間的控制命令以及NiosII核內各個模塊間的信號流程和控制。該系統的SoPC Builder資源如圖3所示。

4.3 系統部分測試結果
    系統測試結果包括深度信號采集仿真、脈沖信號采集仿真、深度及速度信息的采集顯示等。在此，以深度處理模塊中深度計數部分為例。具體深度計數仿真波形如圖4所示。在深度計數部分設計了一個32位的可逆計數器，在A、B信號的作用下，計數器做加減計數。從圖4中可以看出，當系統復位信號有效時，深度計數的初始值為80000000H。在101 ns前，即A超前B時，方向信號為低，說明儀器被上提，計數器從80000000H做減計數，當減到EFFFFFE7H時，深度信號發生改變，B超前A,方向信號為高，儀器被下放，計數器從EFFFFFE7H開始做加計數。

    目前在我國各大油田，雖然也擁有成像測井地面系統，但由于其測井成本較高，一般只在比較復雜的探井測井中才使用，而對于大量的測井任務還是使用數控測井地面系統，而且在相當長的時期內，數控測井地面系統仍將是各測井公司的主力設備。本文將NiosII軟核成功應用于數控測井地面系統中，使得地面系統進一步微型化，穩定性進一步提高。
參考文獻
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[2] 張志剛．FPGA與SoPC設計教程——DE2實踐[M].西安：西安電子科技大學出版社, 2007．
[3] 李洪偉，袁斯華．基于QUARTUS II的FPGA/CPLD設計[M]. 北京：電子工業出版社，2006．
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