引言

脈沖中子氧活化測井水流儀地面系統的主要功能：

接收井下儀器上傳的信號，解析數據并上傳至上位機；同時，接收上位機下發指令，并發送給井下儀器。本文是對傳統氧活化測井儀地面系統的改進，該系統提供ISA 總線接口規范，可實現與系統的快速配接，若用戶需要完成不同系列儀器配接時，只需要在前面板盤模組處更換相應的板卡和相應的軟件界面。即可實現不同儀器的配接。

1 脈沖氧活化測井原理

脈沖氧活化測井是一種測量水流速度的方法。由雙脈沖熱中子衰減時間測井技術發展起來的動態測量技術，其核心是用高能脈沖中子激活氧原子并引發多種核反應，其一為氧活化反應。激發態下的氧原子釋放出高能伽馬射線，通過探測伽馬射線時間譜，來反映油管內、油管/套管環型空間、以及套管外含氧物質特別是水的流動狀況。根據儀器源距就可計算出水流速度，在管徑已知且不變的條件下，可以計算出水流流量。可用于檢查射孔井段封堵、半段井下工具位置、檢查配注井漏點位置、檢查井下工具工作狀況和套管竄槽位置等。脈沖中子氧活化測井儀結構圖，如圖1所示。

脈沖中子氧活化測井儀地面系統，主要是對井下中子管的工作狀態進行控制，以得到合適的中子發射周期和中子產額。為此需要控制的參數有陽極脈沖的時序、燈絲電壓的幅度、靶壓的幅度等。需要監測的信號有儀器纜頭電壓、燈絲電流、靶壓幅度、四個探測器的計數等。

2 系統硬件

氧活化測井地面系統主要由地面系統控制電路和ISA總線控制電路兩部分構成。

2.1 地面系統控制電路

地面系統與井下儀器通過電纜實現雙向通信，地面系統由信號接收和下發命令兩個模塊構成，通過主單片機和次單片機的基本系統、數據存儲、總線收發、上傳信號前端處理以及下發命令后端處理等電路實現。其中，主單片機主要用于數據處理、指令下發與上位機通信等控制操作，而次單片機用于幀同步校驗及顯示。主單片機以50 ms的幀周期工作，通過片內通信D0~D3，FR（幀同步），SYNC1（字節同步）與次單片機通信，得到溫度、壓力、節箍、自然伽馬、Iw等上傳的數據值，并通過電路調解出的PCM命令并對其命令解釋，將有效的數據上傳至上位機進行下一步處理；同時，將上位機所下發的命令以PCM方式編碼并輸出A（正脈沖）、B（負脈沖）信號，將該信號通過驅動電路送至電纜，并下發給井下儀器。

井下儀器上傳信號經過變壓器T3-T4端口接收，為了消除電纜電荷的積累，所有的脈沖信號均隔一個正脈沖和一個負脈沖發出，因此，接收到的脈沖信號經過濾波、整流電路后，得到正脈沖。前端處理電路如圖2所示，其工作原理如下：首先，對該正脈沖進行信號放大處理。其次，由于傳輸過程中的干擾，使得上傳信號產生畸形，因此，需對其進行脈沖信號整形。為了恢復信號的幅度，需要將放大的信號進行電壓比較，通過調節電位器消除傳輸過程中帶來的畸形脈沖，從而得到與上傳信號一致的脈沖序列。再次，將該脈沖經過74LS221脈沖整形電路，根據外圍器件RC參數從而恢復脈沖信號的脈寬。經過前端處理電路處理過的信號SIGD，通過串口線發送給上位機進行軟件校對、數據采集等工作。

同時，上傳信號SIGD 作為主單片機INT1 的觸發脈沖，配合T0調用中斷命令，并將上傳的數據通過鎖存器存入雙端口RAM中。

后端處理電路工作原理如下：上位機下發的執行命令由ISA 總線傳輸給總線收發器，通過控制總線收發器，可將執行命令存入雙端口RAM中，等待主單片機的R-D- 信號將執行命令送至主單片機進行操作。與此同時，下發命令通過從單片機進行校驗，信號從其P1端口發出，經過DIP 開關整合得到復合命令（CM+CMT），將此復合命令送至主單片機的P2.6 和P2.7 口。其中，主單片機的P1.0和P1.1端口分別作為定時計數器T2的外部計數器和外部控制器，對外發送執行命令。為了降低傳輸功耗，下發命令以正負脈沖A、B 的形式發出。該A、B 脈沖信號經限幅、電平轉換電路得到TTL脈沖，并在驅動電路的作用下，由變壓器的T5-T6-T8 端口發送給井下儀器執行命令。下發命令后端處理電路原理圖，如圖3所示。

2.2 ISA總線控制電路

氧活化測井儀地面系統的系統總線采用ISA 總線實現，地面系統與上位機之間通過ISA總線交換數據的實現方法為共用單片機系統外部數據存儲器與靜態數據傳送相結合的方法。

ISA總線的總線周期分成兩大類：一類是CPU驅動的總線周期；另一類是DMA 控制器驅動的總線周期。

在設計擴展卡時，可使用CPU總線周期中的I/O讀寫和DMA 驅動的DMA 傳送方式。DMA 傳送方式多用于實時性要求高、數據量很大的場合，其接口電路設計比較復雜。通常，ISA總線采用I/O讀寫方式。在I/O讀寫周期中，地址碼在讀寫過程中一直保持有效，可直接作為接口芯片的地址信號，不需進行鎖存。I/O 讀寫信號均為低電平有效。

由于通信信道為單芯電纜，因此單片機系統采用分時復用總線的工作方式，低八位地址碼與數據在一個讀寫周期中分時出現在單片機的P0口，需對低八位地址信號進行鎖存。在設計接口卡時，要嚴格遵循雙總線的操作時序。需要注意，由于DMA 傳送過程中也需要使用I/O讀寫信號，因而設計電路時要在地址譯碼電路中使用DMA 傳送的地址允許信號進行屏蔽，以防止接口誤操作。同時，為了防止時序混亂，采用總線控制模塊實現總線系統之間進行隔離，同時還要設置兩個系統之間的公用數據交換區，以實現數據交換。ISA總線接口電路原理圖，如圖4所示。

井下儀器內部通信是由井下儀器各個單片機通過LIN 總線互相傳遞數據和命令的過程。其原理圖如圖5所示。串行通信采用9位多機通信方式，波特率為20 kHz.其中遙傳短節內的TU1為主單片機，其他各短節內的單片機為次。TU1 單片機既發命令也接收數據，其他單片機只接收命令和發送數據，不接收數據，以免受其他單片機影響。

3 系統軟件下的通信協議

3.1 通信協議解釋

地面系統發送的控制命令及數據信息均采用PCM編碼方式，屬半雙工通信。地面儀器工作時不斷檢測電纜上有無信號，當檢測到電纜上有信號，則代表井下在上傳數據。如果出現一段時間間隔內（1 ms）無信號，表示井下儀器一幀數據已結束，該地面系統開始下發命令。與此同時，井下儀器每隔50 ms主動發送一組數據并接收一次命令（即一幀），每幀50 ms時間分為5個10 ms段，第一段10 ms為命令框，這時井下儀器不發數據，接收地面儀器發送的命令；第二段至第五段分別為井下儀器上傳的數據段，也叫數據框。每框含5個18位字，含1個狀態字，4個數據字，每字占空間1 900 μs，包括18位及一個100 μs 間隔。有效位16 位，第17 位是檢驗位，第18 位總是“0”。地面系統與井下儀器通信協議幀格式，如圖6所示。

3.2 狀態字與數據位的識別

系統采用時分復用通信方式，即對信道中相位抖動及接收端與發送端的時鐘同步問題提出了較高的要求。接收端根據對同步信號的識別，讀取數據和命令傳送等。

井下儀器向地面系統發送的數據需要先對其狀態字進行同步校驗。通過判斷狀態字，可得到上傳數據對應的井下信息。上傳數據的每個狀態字占空間1 900 μs，包括18位及一個100 μs間隔。有效位16位，第17位是檢驗位，第18 位總是“0”。每位占100 μs，每位前有一個位同步脈沖，100 μs中部有脈沖，代表該位為1，無脈沖為0.地面系統在讀取數據之前，先對此碼組進行幀同步校驗。判斷上傳數據是否符合要求，符合則上傳數據，否則等待下一幀命令。

當數據傳送完成后，地面儀器下傳復合命令（CM+CMT）。復合命令分兩部分，前部分為狀態命令CM，6位，每位280 μs，共280 μs×6，分布在前5 ms中部；后部分為靶壓命令CMT，4位，280 μs×4，分布在后5 ms中部。

每位前有一個位同步脈沖，其后有一個數據脈沖，用同步脈沖和數據脈沖之間的距離表示該位是1或0，同步脈沖和數據脈沖之間的距離小于140 μs表示該位為0，大于140 μs表示該位為1.井下儀器在讀取數據之前，先對此特定脈寬脈沖進行幀同步校驗。判斷下發命令是否正確，正確則執行命令，否則返回待命。

4 結論

設計所提供的ISA 總線接口規范，可實現與系統的快速配接，當需要不同系列儀器配接時，只需要在前面板盤模組處更換相應的板卡和相應的軟件界面，即可實現，具有良好的設備兼容性。本設計是對傳統氧活化水流測井儀地面系統的改進，通過單片機控制實現數據上傳與命令下發的通信。