CN102252733A - 基于fpga的油水界面检测仪 - Google Patents

Abstract

基于FPGA的油水界面检测仪，它涉及仪器仪表技术领域。它包含井下仪器部分和地面仪器部分，井下仪器部分和地面仪器部分通过7芯电缆连接，1#和4#缆芯负责供电，2#和5#缆芯负责传送地面仪器下发的命令和井下仪器上传的测量数据，其余缆芯空余，电缆外皮接地。井下仪器部分包含继电器驱动控制器、信号调理电路、传感器、井下曼码调理电路和井下FPGA模块；地面仪器部分包含按键、深度编码轮、地面FPGA模块、计算机、LCD显示器、声光报警器和地面曼码调理电路。它适用于地下盐穴造腔中进行油水界面检测，具有仪器自检功能，能长时间稳定工作，测量精度高，动态范围大，大幅度缩小系统所占的面积，提高系统的集成度和稳定性。

Description

基于FPGA的油水界面检测仪

技术领域：

本发明涉及仪器仪表技术领域，具体涉及一种基于FPGA的油水界面检测仪。

背景技术：

地下盐穴储库因具有储备规模大、安全性高和占地少等优点，成为石油储备基地建设的优选储存方案。地下盐穴储库在发达国家已有几十年的历史，但在国内却是近些年发展起来的一项新技术，主要用来存储天然气和石油。通常地下盐腔是通过人工控制而形成的一种适合物品存储的空间，造腔过程中一般通过调节油水界面高度来控制溶腔顶板形状。因此，对盐穴造腔中油水界面的检测研究具有重大的现实意义和巨大的经济价值。

目前，油田地面储罐常用的油水界面仪主要有浮球式、差压式、短波吸收式、射频导纳式、电容式。由于地下盐穴储库常在地下1000米左右，造腔过程周期长，工艺复杂，现有的地面储罐油水界面检测仪不能直接应用到地下盐穴造腔过程中的油水界面检测。

发明内容：

本发明的目的是提供一种基于FPGA的油水界面检测仪，它适用于地下盐穴造腔中进行油水界面检测，具有仪器自检功能，能长时间稳定工作，测量精度高，动态范围大，大幅度缩小系统所占的面积，提高系统的集成度和稳定性。

为了解决背景技术所存在的问题，本发明是采用以下技术方案：它包含井下仪器部分A和地面仪器部分B，井下仪器部分A和地面仪器部分B通过7芯电缆连接，1#和4#缆芯负责供电，2#和5#缆芯负责传送地面仪器下发的命令和井下仪器上传的测量数据，其余缆芯空余，电缆外皮接地。

所述的井下仪器部分A包含继电器驱动控制器11、信号调理电路12、传感器13、井下曼码调理电路14和井下FPGA模块15，继电器驱动控制器11、信号调理电路12与井下FPGA模块15连接，井下FPGA模块15与井下曼码调理电路14相互连接，且井下曼码调理电路14与电缆连接，继电器驱动控制器11、传感器13与信号调理电路12连接。

所述的地面仪器部分B包含按键21、深度编码轮22、地面FPGA模块23、计算机24、LCD显示器25、声光报警器26和地面曼码调理电路27，按键21、深度编码轮22与地面FPGA模块23连接，地面FPGA模块23与LCD显示器25、声光报警器26连接，且地面FPGA模块23分别与计算机24和地面曼码调理电路27相互连接，地面曼码调理电路27与电缆连接。

所述的井下FPGA模块15包含第一Nios II软核微处理器a1、第一锁存器a2、被测脉冲计数器a3、标准脉冲计数器a4、第二锁存器a5、命令切换装置a6、第二延时模块a7、第一延时模块a8和同步模块a9，第一锁存器a2、第二锁存器a5、命令切换装置a6均与第一Nios II软核微处理器a1连接，且被测脉冲计数器a3与第一锁存器a2连接，标准脉冲计数器a4与第二锁存器a5连接，第一锁存器a2与第二锁存器a5连接；同步模块a9、第一延时模块a8和第二延时模块a7依次连接，第二延时模块a7、同步模块a9分别与被测脉冲计数器a3、标准脉冲计数器a4连接，第一Nios II软核微处理器a1、被测脉冲计数器a3均与同步模块a9连接。

所述的地面FPGA模块23包含第二Nios II软核微处理器b1、按键识别装置b2、深度计量装置b3、UART控制器b4、LCD控制器b5和声光报警接口b6，按键识别装置b2、深度计量装置b3均与第二Nios II软核微处理器b1连接，第二Nios II软核微处理器b1与LCD控制器b5和声光报警接口b6连接，且第二Nios II软核微处理器b1与UART控制器b4相互连接。

所述的传感器13输出端与信号调理电路12连接，将油水界面高低信息转换成电容的大小信息，信号调理电路12与传感器13、继电器驱动控制器11和井下FPGA模块15相连，把传感器13输出的电容信息变换成频率信息后送入井下FPGA模块15进行频率测量。信号调理电路12根据继电器驱动控制器11中继电器的状态，输出相应的频率信息，一组值为检测仪测量使用，一组值为检测仪自检使用。

所述的继电器驱动控制器11根据井下FPGA模块15接收的地面下发的命令，进行继电器的控制，实现油水界面的测量和检测仪器的自检测试。

所述的井下FPGA模块15是该检测仪井下部分的核心，以第一Nios II软核微处理器a1为核心，实现频率的测量、命令的切换和信号的曼彻斯特编解码。频率的测量部分采用等精度测量原理，极大地提高了测量精度。曼彻斯特编解码部分实现对地面下发的命令进行解码，解析出地面下发的命令信息；同时对测得的频率数据进行编码发送。命令切换根据解析出的地面指令，控制继电器和信号调理电路12的输出，实现检测仪器自检和界面测量的切换。

所述的井下曼码调理电路14和地面曼码调理电路27通过变压器耦合、差动放大、滞回比较和稳压实现曼码调理，利于电缆的传输。

以地面FPGA模块23内构建的第二Nios II软核微处理器b1为核心，通过第二Nios II软核微处理器b1实现接收地面计算机下发的命令、进行命令曼彻斯特编码和井下仪器部分上传曼彻斯特码数据的解码、上传油水界面数据给计算机24、LCD显示器25、井下仪器初始深度的测量和油水界面超警戒位置声光报警器26。第二Nios II软核微处理器b1采用RS232接口方式实现与计算机24的通信。第二Nios II软核微处理器b1根据读取按键值的不同，进行信息的LCD显示。当油水界面超过警戒位置时，第二Nios II软核微处理器b1发出控制信号，经驱动电路后进行声光报警。

所述的LCD显示器25根据按键值的不同，分别显示接收的计算机命令、井下仪器的初始深度、油水界面的测量高度等信息，同时也可以方便系统的调试。

所述的深度编码轮22发出A、B两组深度脉冲，相位相差90度，地面FPGA模块23内进行深度脉冲的计数，第二Nios II软核微处理器b1读取计数值，计算出深度初始值。

所述的声光报警器26与地面FPGA模块23连接，用来进行油水界面超警戒异常报警。

所述的按键21用来输入LCD显示内容选择、仪器初始深度预置和控制命令等控制信息。

本发明适用于地下盐穴造腔中进行油水界面检测，它具有仪器自检功能，能长时间稳定工作，测量精度高，动态范围大。该检测仪采用Altera公司推出的Nios II软核处理器作为CPU，采用等精度测频原理，利用曼彻斯特码进行信号的传输，将全部的核心电路(微处理器、曼彻斯特编解码和信号的测量与控制)放在同一FPGA芯片上，从而可以大幅度缩小系统所占的面积，提高系统的集成度和稳定性。

附图说明：

图1为本发明的结构示意图，

图2为本发明中地面FPGA模块的内部结构示意图，

图3为本发明中井下FPGA模块的内部结构示意图。

具体实施方式：

参照图1-3，本具体实施方式采用以下技术方案：它包含井下仪器部分A和地面仪器部分B，井下仪器部分A和地面仪器部分B通过7芯电缆连接，1#和4#缆芯负责供电，2#和5#缆芯负责传送地面仪器下发的命令和井下仪器上传的测量数据，其余缆芯空余，电缆外皮接地。

所述的井下仪器部分A包含继电器驱动控制器11、信号调理电路12、传感器13、井下曼码调理电路14和井下FPGA模块15，继电器驱动控制器11、信号调理电路12与井下FPGA模块15连接，井下FPGA模块15与井下曼码调理电路14相互连接，且井下曼码调理电路14与电缆连接，继电器驱动控制器11、传感器13与信号调理电路12连接。

所述的地面仪器部分B包含按键21、深度编码轮22、地面FPGA模块23、计算机24、LCD显示器25、声光报警器26和地面曼码调理电路27，按键21、深度编码轮22与地面FPGA模块23连接，地面FPGA模块23与LCD显示器25、声光报警器26连接，且地面FPGA模块23分别与计算机24和地面曼码调理电路27相互连接，地面曼码调理电路27与电缆连接。

所述的井下FPGA模块15包含第一Nios II软核微处理器a1、第一锁存器a2、被测脉冲计数器a3、标准脉冲计数器a4、第二锁存器a5、命令切换装置a6、第二延时模块a7、第一延时模块a8和同步模块a9，第一锁存器a2、第二锁存器a5、命令切换装置a6均与第一Nios II软核微处理器a1连接，且被测脉冲计数器a3与第一锁存器a2连接，标准脉冲计数器a4与第二锁存器a5连接，第一锁存器a2与第二锁存器a5连接；同步模块a9、第一延时模块a8和第二延时模块a7依次连接，第二延时模块a7、同步模块a9分别与被测脉冲计数器a3、标准脉冲计数器a4连接，第一Nios II软核微处理器a1、被测脉冲计数器a3均与同步模块a9连接。

所述的地面FPGA模块23包含第二Nios II软核微处理器b1、按键识别装置b2、深度计量装置b3、UART控制器b4、LCD控制器b5和声光报警接口b6，按键识别装置b2、深度计量装置b3均与第二Nios II软核微处理器b1连接，第二Nios II软核微处理器b1与LCD控制器b5和声光报警接口b6连接，且第二Nios II软核微处理器b1与UART控制器b4相互连接。

井下仪器部分A通过电缆向井下下放时，深度编码轮22输出深度A和B两组脉冲，地面仪器部分B记录井下仪器下放的初始深度。系统工作时，地面仪器首先通过计算机向井下仪器发送仪器自检命令，地面仪器部分B收到自检命令后，继电器执行自检操作，将一组预先设置的标准信号接入信号调理电路12，地面仪器部分B接收到井下仪器部分A上传的标准值后进行仪器是否正常判别。仪器自检通过后，地面计算机向井下仪器下发测量命令，井下仪器收到测量命令后，继电器执行测量操作，将传感器13输出信号接入信号调理电路12，从而进行油水界面的测量。

本具体实施方式采用SOPC技术将FPGA内嵌一Nios II处理器来完成FPGA控制器所需完成的功能，Nios II嵌入式处理器是采用32位的RISC指令集，32位数据通道和5级流水线技术，可在一个时钟周期内完成一条指令的处理，而且Nios II处理器可以按照设计者的需要去定制。其中按键识别、深度计量和声光报警接口模块部分采用VHDL语言设计，Nios II软核微处理器中的程序采用C语言设计。

按键识别装置b2进行按键的去抖处理和键值信息的判别，第二Nios II软核微处理器b1读取键值后进行相应的操作；深度计量装置b3进行深度脉冲信号A、B的相位判别和深度脉冲的计数，若信号A相位超前信号B90度时，深度脉冲进行加计数，若信号A相位滞后信号B90度时，深度脉冲进行减计数，第二Nios II软核微处理器b1处理器读取脉冲计数值后根据深度编码轮22的每米脉冲数计算出井下仪器的初始深度值。声光报警接口b6进行2种频率的声音报警和2种颜色的灯光报警，高频率的声音和红色灯光表示油水界面超过了仪器的测量的上限，低频率的声音和黄色灯光表示油水界面超过了仪器的测量的下限。UART控制器b4在进行Nios II处理器定制时配置，波特率是4800，1位校验位。LCD控制器在b5进行Nios II处理器定制时配置，LCD采用1602。

地面FPGA模块23中的第二Nios II软核微处理器b1是地面仪器的核心。通过UART控制器b4与计算机24通信，实现地面FPGA和计算机的命令与数据的交互；通过地面曼码调理电路27与井下仪器部分A通信，实现地面仪器与井下仪器数据、命令的编码传送和解析，第二Nios II软核微处理器b1将接收的计算机24命令编成曼彻斯特码向井下传送，发出命令后等待井下仪器部分A上传数据并进行解码，将井下仪器测量的信息上传给计算机24，同时根据测量的油水界面位置值判别是否发出声光报警的控制信号。命令和数据的编码方式采用曼彻斯特码，曼彻斯特码格式是：3位同步字，16位数据字，1位校验码，传输速率20Kb/s。第二Nios II软核微处理器b1读入按键值、深度计数脉冲值，将初始深度、仪器状态等信息送至LCD显示器25。

井下FPGA模块15中的第一Nios II软核微处理器a1是井下仪器部分A的控制核心。它通过井下曼码调理电路14与地面仪器部分B通信，将接收的地面命令进行解码，控制继电器，实现仪器自检和测量的操作。被测脉冲接至信号调理电路12的输出端，标准脉冲由晶振产生，频率为20MHz。编码信号和解码信号接至井下曼码调理电路14，命令切换装置a6接至继电器驱动控制器11。第一Nios II软核微处理器a1向同步模块a9周期性地发控制信号，读取标准脉冲计数值和被测脉冲计数值，计算被测信号的频率值，根据标定值求出油水界面的位置，同时将油水界面值编码上传至地面仪器部分B。

被测脉冲信号的频率反映了油水界面的信息。被测脉冲信号频率的测量采用等精度测量原理，第一Nios II软核微处理器a1给同步模块a9发控制信号，由被测信号脉冲的上升沿触发，产生同步计数使能信号，高电平有效，被测脉冲计数和标准脉冲计数在同步计数使能信号控制下同步进行脉冲计数，计数使能信号为低电平时停止计数。计数使能信号经一级延时后作为锁存器的控制信号，计数使能信号经二级延时后作为脉冲计数器的清零信号，锁存器将被测脉冲计数值Nx和标准脉冲计数值Ns进行锁存，以供Nios II处理器读取计数值Nx和Ns。根据公式fs＝(Nx*fs)/Ns，求出被测信号频率，从而测得油水界面的信息。

本具体实施方式适用于地下盐穴造腔中进行油水界面检测，它具有仪器自检功能，能长时间稳定工作，测量精度高，动态范围大。该检测仪采用Altera公司推出的Nios II软核处理器作为CPU，采用等精度测频原理，利用曼彻斯特码进行信号的传输，将全部的核心电路(微处理器、曼彻斯特编解码和信号的测量与控制)放在同一FPGA芯片上，从而可以大幅度缩小系统所占的面积，提高系统的集成度和稳定性。

Claims (8)

1.基于FPGA的油水界面检测仪，其特征在于它包含井下仪器部分(A)和地面仪器部分(B)，井下仪器部分(A)和地面仪器部分(B)通过7芯电缆连接，1#和4#缆芯负责供电，2#和5#缆芯负责传送地面仪器下发的命令和井下仪器上传的测量数据，其余缆芯空余，电缆外皮接地。

2.根据权利要求1所述的基于FPGA的油水界面检测仪，其特征在于所述的井下仪器部分(A)包含继电器驱动控制器(11)、信号调理电路(12)、传感器(13)、井下曼码调理电路(14)和井下FPGA模块(15)，继电器驱动控制器(11)、信号调理电路(12)均与井下FPGA模块(15)连接，井下FPGA模块(15)与井下曼码调理电路(14)相互连接，且井下曼码调理电路(14)与电缆连接；所述的地面仪器部分(B)包含按键(21)、深度编码轮(22)、地面FPGA模块(23)、计算机(24)、LCD显示器(25)、声光报警器(26)和地面曼码调理电路(27)，按键(21)、深度编码轮(22)与地面FPGA模块(23)连接，地面FPGA模块(23)与LCD显示器(25)、声光报警器(26)连接，且地面FPGA模块(23)分别与计算机(24)和地面曼码调理电路(27)相互连接，地面曼码调理电路(27)与电缆连接。

3.根据权利要求2所述的基于FPGA的油水界面检测仪，其特征在于所述的井下FPGA模块(15)包含第一Nios II软核微处理器(a1)、第一锁存器(a2)、被测脉冲计数器(a3)、标准脉冲计数器(a4)、第二锁存器(a5)、命令切换装置(a6)、第二延时模块(a7)、第一延时模块(a8)和同步模块(a9)，第一锁存器(a2)、第二锁存器(a5)、命令切换装置(a6)均与第一Nios II软核微处理器(a1)连接，且被测脉冲计数器(a3)与第一锁存器(a2)连接，标准脉冲计数器(a4)与第二锁存器(a5)连接，第一锁存器(a2)与第二锁存器(a5)连接；同步模块(a9)、第一延时模块(a8)和第二延时模块(a7)依次连接，第二延时模块(a7)、同步模块(a9)分别与被测脉冲计数器(a3)、标准脉冲计数器(a4)连接，第一Nios II软核微处理器(a1)、被测脉冲计数器(a3)均与同步模块(a9)连接。

4.根据权利要求2所述的基于FPGA的油水界面检测仪，其特征在于所述的地面FPGA模块(23)包含第二Nios II软核微处理器(b1)、按键识别装置(b2)、深度计量装置(b3)、UART控制器(b4)、LCD控制器(b5)和声光报警接口(b6)，按键识别装置(b2)、深度计量装置(b3)均与第二Nios II软核微处理器(b1)连接，第二Nios II软核微处理器(b1)与LCD控制器(b5)和声光报警接口(b6)连接，且第二Nios II软核微处理器(b1)与UART控制器(b4)相互连接。

5.根据权利要求2所述的基于FPGA的油水界面检测仪，其特征在于所述的传感器(13)输出端与信号调理电路(12)连接，将油水界面高低信息转换成电容的大小信息，信号调理电路(12)与传感器(13)、继电器驱动控制器(11)和井下FPGA模块(15)相连，把传感器(13)输出的电容信息变换成频率信息后送入井下FPGA模块(15)进行频率测量。

6.根据权利要求2所述的基于FPGA的油水界面检测仪，其特征在于所述的井下FPGA模块(15)以第一Nios II软核微处理器(a1)为核心，实现频率的测量、命令的切换和信号的曼彻斯特编解码，曼彻斯特编解码部分实现对地面下发的命令进行解码，解析出地面下发的命令信息；同时对测得的频率数据进行编码发送；命令切换根据解析出的地面指令，控制继电器和信号调理电路(12)的输出，实现检测仪器自检和界面测量的切换。

7.根据权利要求2所述的基于FPGA的油水界面检测仪，其特征在于所述的深度编码轮(22)发出A、B两组深度脉冲，相位相差90度，地面FPGA模块(23)内进行深度脉冲的计数，第二Nios II软核微处理器(b1)读取计数值，计算出深度初始值。

8.根据权利要求2所述的基于FPGA的油水界面检测仪，其特征在于通过第二Nios II软核微处理器(b1)实现接收地面计算机下发的命令、进行命令曼彻斯特编码和井下仪器部分上传曼彻斯特码数据的解码、上传油水界面数据给计算机(24)、LCD显示器(25)、井下仪器初始深度的测量和油水界面超警戒位置声光报警器(26)；第二NiosII软核微处理器(b1)采用RS232接口方式实现与计算机(24)的通信；第二Nios II软核微处理器(b1)根据读取按键值的不同，进行信息的LCD显示，当油水界面超过警戒位置时，第二Nios II软核微处理器(b1)发出控制信号，经驱动电路后进行声光报警。

Images