基于CPCI总线与FPGA芯片的测井数据采集智能IO板卡设计方案
随着数字化与测井技术的发展，对测井系统的稳定性、可靠性、兼容性、可升级性等性能提出了更高的要求，本文提出了一种适用于测井系统设备的cpci（compact pci）高性能数据采集板卡硬件设计方案，能够有效地处理来自井下的复杂信号，并通过256 mb/s 高速cpci总线桥接到主控设备。
本板卡实现的主要功能是井下encoder(深度脉冲)、tension(张力)、mmd(magnetic mark detection)和ccl(casing collar locator)等信号的实时采集,采集数据在dsp中完成预处理,通过cpci总线送入主控制器分析使用，此外，板卡还实现上电自诊断，关键数据在fram中的及时存储，rs232 串口定时发送深度数据和接收控制命令等其他功能。
1 板卡总体结构
整个板卡由fpga、pci桥片、dsp、a/d和d/a五大部分组成,其中fpga选用altera公司高性能低功耗cyclone iii系列芯片，pci桥片选用plx公司32 bit 66 mhz pci9056芯片，dsp选用ti公司tms320f2812芯片,a/d选用adi公司16 bit 200 ks/s高精度高速采集芯片ad974，板卡结构框图如图1所示。该板卡工作过程是：板卡上电后，pci9056向fpga发出指令控制d/a产生诊断信号，诊断信号经由板卡各级模拟通路后环回到fpga，然后fpga把采集到的诊断信号送入dsp，dsp再通过fpga把数据送回cpci总线，完成整个板卡硬件的自诊断。自诊断完成后，d/a处于非工作状态，各信号由井下电缆送入，经过多级滤波放大后进行a/d采集，fpga完成tension、mmd和ccl等信号的采集和encoder信号的处理，最终把数据送入dsp进行预处理，经dsp处理好的数据由cpci总线送回主控制器。
2 板卡硬件设计
2.1 fpga控制器的总体设计
本板卡的数字系统共有2个主控制器，分别为数据采集板卡上的dsp和cpci总线上的cpu主控机，板卡使用pci9056桥片实现cpci总线与局部总线间的转化， dsp与cpci总线通过中断方式实现数据交换。其中fpga调用quartus软件自带ip核实现32 kb双口ram，并把双口ram分成大小相等的两部分，一部分用于cpci总线向dsp传输数据，另一部分用于dsp向cpci总线传输数据，避免了总裁的使用和数据的丢失。fpga作为数据采集板卡数据中转站的同时，主要实现a/d数据的采集，encoder脉冲信号的去抖动处理、计数和相位判断。fpga实现功能框图如图2所示。
2.2 a/d数据采集模块设计
tension、mmd和ccl等信号均是来自井下的低频微弱小信号，并且由于井下环境复杂，信号容易被干扰，处理不当容易造成数据失效，所以本板卡对三种信号在模拟电路上做了多级滤波放大处理。经实际环境测试，三路信号的主要输入干扰集中在60 hz以上，因此在输入端设计40 hz、70 hz和120 hz三阶rc滤波电路做前级滤波处理，使滤波器具有窄的过渡带，有效的滤除60 hz以上的干扰信号，避免干扰信号进一步放大无法滤除，图3(a)为前级滤波电路的频谱特性仿真结果。为了便于信号的采集，需设计运放电路将信号放大至a/d量程范围，这就不可避免会引入pcb、运放等造成的中高频噪声，所以在信号进入a/d前做了进一步有源滤波处理，图3(b)为有源滤波器的频谱特性仿真结果。实际测试结果也证明经过多级滤波，电路抗干扰能力明显增强。
本设计选用了高速高精度adc ad974芯片，在4个通道间以轮询方式进行采样，每个通道的实际采样转换率为50 ks/s，在fpga中设置一个数据更新寄存器，进行每一次数据采集完成的实时跟踪。此种工作方式是否能可靠稳定地采集数据关键有两点，一是外部时钟频率是否适中，本设计采用12 mhz的频率，二是要保证a/d内部的采样时间(acquisition time)不能小于1 μs，并且4个通道在轮询切换时，地址锁存信号wr1和wr2要在采样前一个周期设置完成。
ad974在板卡上电后用quartus ii signaltap实时观测的时序如图4所示。其中adc_a0和adc_a1为a/d4个通道地址编码信号，adc_wr0_n和adc_wr1_n为地址锁存信号，低电平有效，当前锁存地址作为下一次采集通道有效地址。当adc_rc_n信号置为低电平时a/d开始将采集到的模拟信号向数字信号转换，并在此时送出一个时钟周期的adc_dataclk信号，使能a/d同步信号，此时如果a/d空闲则adc_busy_n信号自动拉低，表示a/d已经开始转换数据，随后将adc_rc_n置高并送出采样时钟信号，便可在adc_data上开始读前一次转换完成的数据。当本次a/d数据转换完成后adc_busy_n信号将自动置高，表明a/d本次转换完成，进入下一次模拟信号采样。
2.3 encoder信号处理模块设计
encoder信号在实际设备上分为两路信号，分别为a信号和b信号，当井下设备上提时a信号相位超前b信号90°，当井下设备下放时a信号相位滞后b信号90°，脉冲信号的数量体现测井设备在井下的深度，此信号是测井系统的重要信号之一，如果测量不准, 可能会导致测井资料作废, 甚至带来生产事故。实测encoder信号从井下设备传送到地面时，会有尖峰脉冲干扰引入，所以本板卡在硬件上采用rc无源滤波器去除信号的尖峰脉冲，通过fpga在软件上对信号进行去抖动处理、计数和相位判断，能够准确计数并与系统时钟同步。
fpga中对encoder脉冲信号的去抖动处理和相位判断设计电路见图5，其中depth_pluse为去抖动后的脉冲信号，结合depth_dir完成脉冲计数，当depth_dir为正时，计数脉冲自加，depth_dir为负时，脉冲计数自减。本文用quartus软件自带仿真工具对encoder信号做的仿真波形，见图6，如波形所示，在时间节点619.9 ns、1.069 9 μs和1.489 9 ?μs处分别对a信号和b信号加入了干扰脉冲，但结果表明本设计可以对干扰脉冲完全滤除。
本文给出了一种高性能测井数据采集板卡的设计方法，板卡在设计中，模拟部分采用多级滤波、高精度a/d，使得数据采集稳定可靠，encoder深度脉冲信号在硬件滤波的基础上做了软件优化处理，明显增强了抗干扰能力，数字部分采用fpga和dsp相结合，使板卡具有很高的灵活性、可靠性和可升级性。经大量测试，板卡运行稳定，并在实际系统中得到应用。
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