20世紀(jì)90年代以來(lái),國(guó)外測(cè)井公司陸續(xù)開(kāi)發(fā)研制了以DSI（Schlumberger,1990）、MAC（Western Atlas,1992）和LED（Halliburton,1994）為代表新一代多極陣列聲波測(cè)井儀器,這類測(cè)井儀具有其它聲波測(cè)井儀器不可替代強(qiáng)大功能。它可軟、硬層中測(cè)量充液井孔中縱波、橫波和斯通利波波速,可以記錄反射斯通利波和反射縱波。這些波形數(shù)據(jù)中包含大量有應(yīng)用價(jià)值質(zhì)信息,如橫波和反射斯通利波信息可以評(píng)價(jià)低角度裂縫;反射縱波可對(duì)井周近10米范圍內(nèi)質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像;交叉偶極資料可用于層各向異性評(píng)價(jià)。近幾年來(lái),我國(guó)斥巨資直接請(qǐng)斯侖貝謝測(cè)井公司服務(wù),并引進(jìn)了幾十套包括MAC內(nèi)ECLIPS2000系統(tǒng)。借鑒國(guó)外聲波測(cè)井儀器研制方面成功技術(shù),開(kāi)發(fā)新一代偶極聲波測(cè)井儀器是提高我國(guó)測(cè)井裝備水平重要途徑。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是決定偶極子聲波測(cè)井儀能否取合格數(shù)據(jù)關(guān)鍵部分之一,對(duì)整個(gè)儀器系統(tǒng)性能有重大影響。聲波信號(hào)頻率及數(shù)據(jù)處理對(duì)數(shù)據(jù)精度、動(dòng)態(tài)范圍要求是決定數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要因素。適應(yīng)廣泛層條件和保證數(shù)據(jù)能進(jìn)行高精度數(shù)值計(jì)算（如聲速衰減等）,要求該儀器系統(tǒng)有大動(dòng)態(tài)范圍和高分辨率測(cè)量,

并適合井下高溫、高壓工作環(huán)境。采集通道控制器有多種方案實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)中小規(guī)模數(shù)字電路功耗大、體積大,走線太多,給印刷板布線帶來(lái)困難,一種好方案。是多通道并行高速采集,且數(shù)據(jù)間隔精度直接影響到對(duì)數(shù)據(jù)分析精度,一般微控制器難以滿足要求。而大規(guī)模復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD具有集成度高、速度快（通常比單片機(jī)用軟件控制至少提高兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上）優(yōu)點(diǎn),并能重新編程來(lái)修改和增強(qiáng)系統(tǒng)功能,不必重新設(shè)計(jì)印刷板,是優(yōu)選方案。本設(shè)計(jì)選用Lattice公司ispLSI1k系列低端器件ispLSI1016E,可滿足系統(tǒng)控制功能。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　交叉偶極測(cè)量聲系設(shè)計(jì)要求,采用四組接收換能器,四組數(shù)據(jù)采集通道完成多道數(shù)據(jù)同時(shí)采集任務(wù)。使各通道具有較好一致性,并滿足系統(tǒng)擴(kuò)展需要,把采集系統(tǒng)分為四個(gè)功能*相同獨(dú)立數(shù)據(jù)采集通道。每個(gè)采集通道主要由ADC、采集通道邏輯控制單元、存儲(chǔ)器等幾個(gè)部分構(gòu)成。它們位置可以互換,并一個(gè)井下控制微處理機(jī)MPU統(tǒng)一控制。

　　偶極子聲波測(cè)井儀接收信號(hào)zui高頻率是14kHz左右聲波信號(hào)（偶極子發(fā)射換能器為500Hz～4kHz,單極子發(fā)射換能器為2kHz～14kHz）,Nypuist定律,ADC采樣頻率zui少是28kHz。為保證對(duì)采集波形頻域分析,本系統(tǒng)使用zui高采樣頻率為100kHzADC。當(dāng)偶極模式工作時(shí),聲波頻率上限4kHz左右,可采用較低采集速率。利用外部時(shí)鐘進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換ADC可控制采集時(shí)鐘頻率來(lái)控制采集速率。要進(jìn)行如聲速衰減等計(jì)算,對(duì)數(shù)據(jù)采集精度和動(dòng)態(tài)范圍要求較高,采用16位ADC和1000倍程控前置位大器,使系統(tǒng)具有150dB以上動(dòng)態(tài)范圍,可以滿足設(shè)計(jì)要求。ADC采用ADI公司AD676TD,它具有片內(nèi)采樣保持功能,輸入量程由參考電壓決定,zui大為鹵10V。AD676采用電容陣列和電荷重新分配技術(shù)取代傳統(tǒng)對(duì)薄膜電阻陣列進(jìn)行激光修整方法,消由溫度變化導(dǎo)致電阻值不匹配帶來(lái)線性誤差;用片內(nèi)微處理器和刻度DAC測(cè)量并補(bǔ)償電容失配誤差,利用刻度電容失配誤差修正采集結(jié)果,使測(cè)量精度達(dá)到了較高水平。
　　高速數(shù)據(jù)緩存采用IDT公司8K字節(jié)FIFO存儲(chǔ)器IDT7205。FIFO存儲(chǔ)器有兩個(gè)數(shù)據(jù)端口,寫(xiě)入端口數(shù)據(jù)采集端,讀出端口接MPU端,內(nèi)部址計(jì)數(shù)器寫(xiě)入數(shù)據(jù)次序有序?qū)?shù)據(jù)寫(xiě)入相應(yīng)RAM單元中,讀出數(shù)據(jù)時(shí)按數(shù)據(jù)存入先后依次取出。
　　如上述,本設(shè)計(jì)以AD676、ispLSI1016、IDT7205為主構(gòu)成優(yōu)化數(shù)據(jù)采集通道。選用87C51作為井下控制單片機(jī)MPU,控制四個(gè)采集通道進(jìn)行并行數(shù)據(jù)采集,并完成單、偶極控制發(fā)信號(hào)接收處理等其它功能。
2 系統(tǒng)構(gòu)成
2.1 硬件部分

　　整個(gè)并下聲波采集系統(tǒng)由四個(gè)*獨(dú)立、功能相同、可以互換數(shù)據(jù)采集通道及控制各個(gè)通道工作井下單片機(jī)87C51（MPU）構(gòu)成,如圖1所示。MPU外部GAL譯碼電路產(chǎn)生采集通道控制信號(hào),將采集通道數(shù)據(jù)讀入單片機(jī)外部RAM,并加上一些輔助信息后,由遙測(cè)電路上傳給面系統(tǒng)。
　　數(shù)據(jù)采集通道原理如圖2所示。每一路數(shù)據(jù)采集通道主要由模擬開(kāi)關(guān)、放大器、高精度ADC AD676、采集通道控制器ispLSI1016、FIFO數(shù)據(jù)緩存器IDT7205、光耦等構(gòu)成。
　　二選一模擬開(kāi)關(guān)DG419具有高精度、低導(dǎo)通電阻、快速導(dǎo)通截止等優(yōu)點(diǎn),采集通道控制器控制下切換聲波模擬信號(hào)。放大器采用高性能運(yùn)放AD845,以放大和緩沖來(lái)自模擬開(kāi)關(guān)模擬聲波信號(hào)。高精度模/數(shù)轉(zhuǎn)換器AD676采集通道控制器控制下,對(duì)聲波信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。采用高速大容量FIFO及其采集通道控制器,可以保證不占用MPU系統(tǒng)資源情況下,完

•