摘  要： 针对过套管电阻率测井仪在测量领域的实际需求，设计了微弱电压采集系统，包括以TMS320F2812为核心的控制电路，高性能、高放大倍数、低噪声的前置放大电路，24 bit高精度A/D转换器。最后以套管作为实验载体搭建了实验平台，通过改变模拟电阻盒的阻值进行电压测量，并且通过计算得出了测量电阻的阻值。
关键词： 微弱电压测量； TMS320F2812； ADC； CAN总线

    油井下过金属套管后，由于金属套管的电阻率与地层电阻率相比是极微小的(地层的电阻率在1 Ω·m~1 000 Ω·m之间，而金属套管的电阻率的典型值为2×10-7 Ω·m[1])，根据电流沿着电阻率最小的路径完成回路这一原理，在套管与地层之间,大部分电流会沿低电阻率的套管流动,只有一小部分泄漏到地层中去[2]，称之为漏电流。不同的地层电阻率，漏电流也不尽相同。因此,通过测量套管上微小的电压降，从而计算出漏电流，可达到测量套管外地层电阻率的目的。
1 数据采集系统构架
　    不同电阻率测井仪器的信号量级如图1所示。可以看出,过套管测井的测量信号量级是非常低的，在纳伏级(10-9 V)。由于测量信号非常微弱，所以采集系统的精度高低将直接关系到仪器的测量准确度和测量范围。
    本设计的数据采集系统框图如图2所示,V1、V2即为套管上微小的电压降。因为V1、V2为纳伏级信号，所以首先对两路信号进行放大和滤波，然后进入A/D完成模/数转换。系统选用了TI公司的高精度24位A/D芯片ADS1274作为模/数转换芯片，DSP选用了TI公司的TMS320F2812DSP作为控制芯片。通过F2812的GPIO端口与ADS1274进行数据传输；F2812自带的eCAN控制器与CAN收发器连接，完成数据的通信。

2 数据采集系统硬件电路设计
2.1 放大滤波电路
　　在前置放大电路中，整个系统的噪声情况主要由第一级放大电路决定。对于差分输入端来说，会引入较大的共模干扰，因此对前级的放大器共模抑制能力有比较高的要求[3]。所以采用了一片AD620来组建初级放大器。AD620是一款高精度仪表放大器，仅需要一个外部电阻来设置增益，增益范围为1~10 000[4]。由于整个放大电路的总增益要求是非常高的,而单个运放增益又不宜过大,所以电路采用多级放大电路组态方式，经过多级滤波、多级放大,逐步提高信噪比。采用两片OPA211搭建了多级带通滤波器，总放大倍数达到1 200倍。
2.2 A/D转换电路
    A/D 转换器的位数决定转换电压的精度，测量微小信号时，信号越小，A/D 转换器的位数就相应要求越高。本系统A/D采集芯片选择ADS1274，该芯片是目前TI公司采样速率最高的单通道24位Δ-ΣA/D转换器之一。它可以实现4通道同步采样，可通过设置相应的输入/输出引脚选择工作模式，其数据输出可选帧同步或SPI串行接口，便于连接至DSP[5]。
    ADS1274采用的是差分输入，差分信号比单端信号拥有更强的抗噪声能力，所以需要差分放大器来进行驱动。本文选用了TI公司的全差动放大器THS4503作为ADC的驱动电路，将放大滤波后的电压单端信号转换为差分信号， 送至ADS1274的输入端， 驱动电路原理如图3所示。选择合适的电阻值，使得驱动电路输出差分信号幅度与ADC信号输入范围匹配。　

2.3 TMS320F2812的McBSP
    McBSP（Multi-channel Buffered Serial Port）是TI公司生产的数字信号处理芯片的多通道缓冲串口，它是在标准串行接口的基础之上对功能进行扩展，因此，具有与标准串行接口相同的基本功能。McBSP内部包括数据通通路和控制通路两部分，并通过7个引脚与外部器件相连，引脚功能如表1所示。

2.4 DSP选型及其接口电路设计
    本系统选用的DSP是德州仪器公司TI生产的DSP-TMS320F2812。它是TI公司推出的目前2000系列中性能最高的32 bit定点DSP器件,具有128 K×16 bit的片上Flash、18 K×16 bit的片上RAM以及十分丰富的内部资源及外设接口,被广泛应用于工业控制、生产等领域。
　 TMS320F2812DSP与ADS1274的接口电路如图4所示。

    TMS320F2812有56个通用输入输出引脚GPIO，共分为6组,分别为GPIOA、GPIOB、GPIOD、GPIOE、GPIOF、GPIOG。这些引脚基本上都是多功能复用引脚，既可以作为DSP片内外设，也可作为通用的数组I/O口。
    在F2812内部，由GPIOF8-GPIOF13控制McBSP。在本系统中，GPIOF9为接收时钟，与ADS1274的SCLK连接；GPIOF11为接收帧同步，与ADS1274的DRY/FSY连接；GPIOF13为串行数据接收,与ADS1274的DOUT1连接，使得F2812和ADS1274完成数据传输。使用通用管脚GPIOB连接ADS1274的工作模式(MODE[1:0])、数据输出模式(FOMAT[2:0])、同步采集信号(SYNC)和低功耗信号(PWDN[4:1]),这样可以灵活配置ADC的工作状态，还可以关闭不使用的通道，降低ADC的功耗。
2.5 数据通信电路设计
    CAN(Controller Area Network)总线是现场总线的一种，由于其具有通信速率高、可靠性强、连接方便、性价比高等特点，并且CAN总线采用差分信号传输，具有很强的抗干扰能力，驱动能力强，可提供高达1 Mb/s的串行数据传输速率，而广泛地应用于汽车、工业自动化等领域[6]。
    F2812集成了eCAN控制器(即增强型CAN控制器)，为CPU提供了完整的CAN2.0B协议，减少了通信时CPU的开销。为了使得F2812eCAN模块的电平符合高速CAN总线的电平特性，本系统在eCAN模块与CAN总线之间增加了CAN收发器(也称为驱动器)—SN65HVD233，用于将二进制码流转换为差分信号发送，或将差分信号转换为二进制码流接收，以完成数据的传输与通信。
3 实验方案设计及结果
    利用油田开发所用的套管，根据实际的测井条件搭建了实验平台，利用所设计的采集系统测量套管上的压降，如图5 所示。

    首先,大电流发射装置在套管上供出7 A左右的电流；其次,3个测量电极U、M、D从套管上分别采集R1、R2两端的电压UM、MD(R1、R2分别为U与M、M与D间的电阻，两者近似相等；在套管两端分别接上约30 ?赘的导线，导线的另一端接地，用来模拟井中围岩，从M点引出一根导线到电阻模拟盒)，再两两作为差分信号输入低噪声的前置放大电路，经过放大滤波、A/D转换后，进入TMS320F28129处理器进行数字信号处理；最后TMS320F2812通过RS232接口与计算机相连，将组织好的数据上传至上位机进行计算，通过改变电阻模拟盒的阻值对V1、V2进行测量采集，并且通过计算得出测量电阻的阻值，并且进行显示。实验结果如表2所示。

    从表2中的数据可以看出，在相同阻值条件下V1、V2的测量值相对稳定，离散度不高，测量精度能够得到保证，且标准差随着测量电阻的增加逐步减小。经过计算，测量电阻的相对误差控制在6%左右，能够满足实际工程测量领域的要求。目前该系统已经应用于油田开发的过套管电阻率测井仪器中，用于测量金属套管的电阻值以及地层的电阻率，并已完成若干口生产井的测井任务，测量结果真实、可靠。
参考文献
[1] 吴银川,张家田,严正国.过套管电阻率测井技术综述[J].石油仪器,2006,20(5):1-5.
[2] 田永庆.套管井电阻率测井技术[J].特种油气藏，2003，10(6):96-98.
[3] 楼钢，李伟，邓学博．小信号放大电路设计[J]．浙江理工大学学报，2007，24(6)：1-4．
[4] DEVICES A. Inc． Low cost， low power instrumentation Amplifier[Z]. 2004.
[5] 王怀秀,朱国维.24位高性能模数转换器ADS1274/ADS1278及其应用[J]. 国外电子元器件，2008(5):53-56.
[6] 钨宽明. 现场总线技术应用选编(上)[M]． 北京： 北京航空航天大学出版社，2003.