CN111075433B - 一种随钻多极子声波成像测井仪的控制电路及方法 - Google Patents

一种随钻多极子声波成像测井仪的控制电路及方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种随钻多极子声波成像测井仪的控制电路及方法，所述电路中控制电路模块与上位机连接，用于接收上位机下发的工作命令，并发送控制命令给发射电路模块和声波信号前放电路模块；发射电路模块将控制命令处理后发送激励信号给发射换能器，发射换能器产生地层内传播的声波信号；声波接收换能器接收声波信号并发送波形信号给声波信号前放电路模块；声波信号前放电路模块接收控制电路模块发来的控制命令，并接收声波接收换能器发送的波形信号，之后对波形信号进行滤波、放大和数字化处理后发送数字信号给控制电路模块，控制电路模块将该数字信号处理后进行存储；能获得地层的纵波和横波资料，推动了随钻多极子声波成像测井仪的研发。

Description

一种随钻多极子声波成像测井仪的控制电路及方法
技术领域
本发明涉及随钻多极子声波成像测井技术，具体为一种随钻多极子声波成像测井仪的控制电路及方法。
背景技术
在钻井的同时进行随钻声波测量，数据是在微侵入或者没侵入的情况下获得，这样避免了电缆测井中泥饼的影响，更接近地层的真实情况。在某些特殊地质环境下，如松软地层、高压地层，随钻声波测井是唯一能获得可靠声波测井资料的手段。
1994年斯伦贝谢公司首次推出了随钻声波时差测井仪，型号为ISONIC，之后于2002年推出了型号为sonicvision的随钻声波测井仪，而其最新一代的随钻声波测井仪的型号为sonicscop。哈里伯顿公司先于1995年推出了型号为ICLSS的补偿长源距随钻声波测井仪，随后又推出了型号为BAT的双模式随钻声波测井仪和含有四极子模式的QBAT随钻声波测井仪。贝克休斯公司于2002年推出了APX随钻声波测井仪。迄今为止，国外主流随钻声波测井仪sonicscop、BAT和APX均实现了任意地层随钻条件下地层纵波速度与横波速度的测量。
国内随钻声波测井仪研发起步较晚，目前虽然进行了大量的理论研究及样机研制工作，但大多停留在随钻单极子声波测井技术研发阶段。现在需要基于随钻声波声场理论，在随钻环境下可靠的获得地层纵波和横波资料，推动随钻多极子声波成像测井仪的研发。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种随钻多极子声波成像测井仪的控制电路及方法，能获得地层的纵波和横波资料，推动了随钻多极子声波成像测井仪的研发。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种随钻多极子声波成像测井仪的控制电路，包括控制电路模块、发射电路模块和声波信号前放电路模块，
所述的控制电路模块与上位机连接，控制电路模块用于接收上位机下发的工作命令，并将工作命令解码后发送控制命令给发射电路模块和声波信号前放电路模块；
所述的发射电路模块与随钻多极子声波成像测井仪中的发射换能器连接，发射电路模块用于接收控制电路模块发来的控制命令，并将控制命令处理后发送激励信号给所述的发射换能器，所述的发射换能器用于接收发射电路模块发来的激励信号并产生地层内传播的声波信号；
所述的声波信号前放电路模块与随钻多极子声波成像测井仪中的声波接收换能器连接，所述的声波接收换能器用于接收所述发射换能器发来的声波信号，并将声波信号处理后发送波形信号给声波信号前放电路模块；
当所述的声波接收换能器发送波形信号给声波信号前放电路模块后，声波信号前放电路模块用于接收控制电路模块发来的控制命令，并将控制命令处理后接收声波接收换能器发送的波形信号，之后声波信号前放电路模块对波形信号进行滤波、放大和数字化处理后发送数字信号给控制电路模块，控制电路模块接收声波信号前放电路模块发来的数字信号并将该数字信号处理后进行存储。
优选的，所述的控制电路模块包括依次连接的主控电路板、信号采集电路板、数据处理电路板和数据存储电路板；
所述的主控电路板与上位机连接，用于接收上位机下发的工作命令，并将工作命令解码后发送控制命令给信号采集电路板和发射电路模块，信号采集电路板用于接收主控电路板发来的控制命令，并将控制命令处理后发送采集信号给控制声波信号前放电路模块，控制声波信号前放电路模块用于接收信号采集电路板发来的采集信号，并将采集信号处理后接收声波接收换能器发送的波形信号，之后声波信号前放电路模块发送数字信号给信号采集电路板；
所述的信号采集电路板用于采集声波信号前放电路模块发来的数字信号，并将数字信号重新编码后发送重新组合的数据给数据处理电路板，数据处理电路板用于接收信号采集电路板发来的重新组合的数据，并将重新组合的数据进行数据预处理和数据解算，解算后的数据重组打包并加上时间信息发送给数据存储电路板；数据存储电路板用于接收数据处理电路板发来的包含时间信息的打包数据，并将该数据进行存储。
进一步，所述的主控电路板包括CAN1接口电路和CAN2接口电路，CAN1接口电路和CAN2接口电路之间连接有第一数字信号处理器，CAN1接口电路和CAN2接口电路上均连接有收发器；
所述的CAN1接口电路连接有上位机，CAN2接口电路发送控制命令给信号采集电路板和发射电路模块。
进一步，所述的信号采集电路板包括若干个第一现场可编程门器件、高速差分驱动器和高速差分接收器；
所述的第一现场可编程门器件用于接收CAN2接口电路发来的控制命令，并将控制命令处理后发送采集信号给控制声波信号前放电路模块，控制声波信号前放电路模块用于接收现场可编程门器件发来的采集信号，之后声波信号前放电路模块发送数字信号给高速差分接收器，高速差分接收器将该数字信号发送给高速差分驱动器，高速差分驱动器通过McBSP接口将数字信号重新编码后发送重新组合的数据给数据处理电路板。
进一步，所述的数据处理电路板包括第二数字信号处理器、第三数字信号处理器、高速差分接收驱动器和高速差分发送驱动器；
所述的高速差分接收驱动器用于高速差分驱动器发来的数据，并将该数据进行预处理和数据解算；第二数字信号处理器用于接收解算后的数据，并将解算后的数据进行校验、缓存和处理，之后汇总至第三数字信号处理器；第三数字信号处理器用于接收第二数字信号处理器发来的数据并进行打包，然后通过高速差分发送驱动器发送给数据存储电路板。
进一步，所述的数据存储电路板包括相互连接的第四数字信号处理器和第二现场可编程门器件；
所述的第四数字信号处理器用于接收高速差分发送驱动器发送的数据；第二现场可编程门器件用于将第四数字信号处理器接收的数据存入NANDFLASH中。
进一步，所述的发射电路模块包括发射数字控制电路、高压DC-DC模块和发射控制器，发射换能器包括单极发射换能器、四极Y发射换能器和四极X发射换能器；
所述的发射数字控制电路用于接收主控电路板下发的控制命令，并将控制命令处理后输出控制电压至高压DC-DC模块的控制端，所述的单极发射换能器、四极Y发射换能器和四极X发射换能器分别通过第一开关元件、第二开关元件和第三开关元件与高压DC-DC模块并联，高压DC-DC模块输出所述单极发射换能器、四极Y发射换能器和四极X发射换能器工作所需的电压；
所述的发射控制器包括第三现场可编程门器件，第三现场可编程门器件用于接收主控电路板下发的控制命令，并将控制命令处理后产生激励信号，所述激励信号控制第一开关元件、第二开关元件和第三开关元件的导通或关断，第一开关元件、第二开关元件和第三开关元件导通后单极发射换能器、四极Y发射换能器和四极X发射换能器产生地层内传播的多极子声波信号。
进一步，所述的声波信号前放电路模块包括若干个条带，每个条带包括若干个并行连接的独立模拟前置放大通道，每个独立模拟前置放大通道的输出端连接有A/D转换电路，每个条带与CPLD汇集板连接；
所述的CPLD汇集板用于接收信号采集电路板发来的采集信号并将采集信号处理后发送控制信号给每个条带，每个条带用于接收CPLD发来的控制信号，并根据控制信号接收声波接收换能器发送的波形信号，并将波形信号转化成模拟信号；A/D转换电路用于将模拟信号转换为数字信号后发送给CPLD汇集板，CPLD汇集板接收A/D转换电路发来的数字信号，并将数字信号发送给信号采集电路板。
优选的，还包括电源模块；
所述的电源模块与控制电路模块连接，用于为控制电路模块供电。
一种随钻多极子声波成像测井仪的控制方法，基于上述任意一项所述的随钻多极子声波成像测井仪的控制电路，上位机下发工作命令给控制电路模块，控制电路模块接收上位机下发的工作命令后，并将工作命令解码后发送控制命令给发射电路模块和声波信号前放电路模块，发射电路模块用于接收控制电路模块发来的控制命令，将控制命令处理后发送激励信号给发射换能器，发射换能器接收发射电路模块发来的激励信号并产生地层内传播的声波信号，声波接收换能器接收发射换能器发来的声波信号，并将声波信号处理后发送波形信号给声波信号前放电路模块，此时，声波信号前放电路模块接收控制电路模块发来的控制命令，并将控制命令处理后接收声波接收换能器发送的波形信号，之后声波信号前放电路模块对波形信号进行滤波、放大和数字化处理后发送数字信号给控制电路模块，控制电路模块接收声波信号前放电路模块发来的数字信号并将该数字信号处理后进行存储。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明一种随钻多极子声波成像测井仪的控制电路，控制电路模块与上位机连接后可接收上位机下发的工作命令，之后控制电路模块将工作命令解码后发送控制命令给发射电路模块和声波信号前放电路模块；发射电路模块可接收控制电路模块发来的控制命令，并将控制命令处理后发送激励信号给发射换能器，发射换能器接收发射电路模块发来的激励信号后便可产生地层内传播的声波信号；声波接收换能器能接收所述发射换能器发来的声波信号，并将声波信号处理后发送波形信号给声波信号前放电路模块；当声波接收换能器发送波形信号给声波信号前放电路模块后，声波信号前放电路模块可接收控制电路模块发来的控制命令，并将控制命令处理后接收声波接收换能器发送的波形信号，之后声波信号前放电路模块便可对波形信号进行滤波、放大和数字化处理，然后发送数字信号给控制电路模块，控制电路模块接收声波信号前放电路模块发来的数字信号后将该数字信号处理后进行存储；安装了这样的控制电路，随钻多极子声波成像测井仪可在随钻环境下可靠的激发随钻多极子声波成像测井仪的单极子波和四极子波，从而能准确获得地层纵波和横波资料。
进一步的，控制电路模块在设计时包括依次连接的主控电路板、信号采集电路板、数据处理电路板和数据存储电路板，这样能大幅减小控制电路电路板的占用空间。
进一步的，信号采集电路板在设计时包括若干个第一现场可编程门器件、高速差分驱动器和高速差分接收器，这种设计具有信号采集精度高和高性噪比接收的特点。
进一步的，数据处理电路板在设计时包括第二数字信号处理器、第三数字信号处理器、高速差分接收驱动器和高速差分发送驱动器，这种设计具有数据处理能力强大的效果。
进一步的，发射电路模块包括发射数字控制电路、高压DC-DC模块和发射控制器，而发射换能器包括单极发射换能器、四极Y发射换能器和四极X发射换能器，这样发射数字控制电路便可接收主控电路板下发的控制命令，并输出控制电压至高压DC-DC模块的控制端，加之单极发射换能器、四极Y发射换能器和四极X发射换能器分别通过第一开关元件、第二开关元件和第三开关元件与高压DC-DC模块并联，高压DC-DC模块可同时为这三种发射换能器提供工作所需的电压；同时，发射控制器通过第三现场可编程门器件可通过主控电路板下发的控制命令控制第一开关元件、第二开关元件和第三开关元件的导通或关断，第一开关元件、第二开关元件和第三开关元件导通后单极发射换能器、四极Y发射换能器和四极X发射换能器产生地层内传播的多极子声波信号，这种设计不仅具有高效激发的效果，而且便捷地推动了随钻多极子声波成像测井仪的研发。
本发明一种随钻多极子声波成像测井仪的控制方法，先控制上位机下发工作命令给控制电路模块，控制电路模块接收上位机下发的工作命令后将工作命令解码后发送控制命令给发射电路模块和声波信号前放电路模块，之后发射电路模块接收控制电路模块发来的控制命令，并将控制命令处理后发送激励信号给发射换能器，此时发射换能器产生地层内传播的声波信号，声波接收换能器接收发射换能器发来的声波信号后，并将声波信号处理后发送波形信号给声波信号前放电路模块，此时，声波信号前放电路模块接收控制电路模块发来的控制命令，并将控制命令处理后接收声波接收换能器发送的波形信号，之后对波形信号进行滤波、放大和数字化处理后发送数字信号给控制电路模块，控制电路模块接收声波信号前放电路模块发来的数字信号并将该数字信号处理后进行存储；这样的控制方法，随钻多极子声波成像测井仪可在随钻环境下可靠的激发随钻多极子声波成像测井仪的单极子波和四极子波，从而能准确获得地层纵波和横波资料。
附图说明
图1为本发明所提供的控制电路功能原理框图。
图2为图1中控制电路模块的功能原理框图。
图3为图1中控制电路模块的数据处理电路板的连接图。
图4为图1中控制电路模块的数据存储电路板的连接图。
图5为图1中发射电路模块的电路架构原理图。
图6为图1中声波信号前放电路模块的电路架构原理图。
图中：电源模块1，控制电路模块2，发射电路模块3，发射换能器4，声波接收换能器5，声波信号前放电路模块6，主控电路板2-1，信号采集电路板2-2，数据处理电路板2-3，数据存储电路板2-4，发射数字控制电路3-1、高压DC-DC模块3-2和发射控制器3-3。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明提供了一种适合随钻多极子声波成像测井仪使用的控制电路设计方案，该电路采用了大量的数字信号处理器(简写为DSP)、现场可编程门器件(简写为FPGA)、模/数转换器、大容量存储器和绝缘栅双极性晶体管(简写为IGBT)，接口丰富扩展能力强，能在随钻环境下可靠的获得地层纵波和横波资料，可大幅度提高该仪器的性能。
图1为本发明提供的用于随钻多极子声波成像测井仪的驱动控制电路功能原理框图，如图1所示，该电路具体包括电源模块1、控制电路模块2、发射电路模块3、发射换能器4、声波接收换能器5和声波信号前放电路模块6，控制电路模块2安装在随钻多极子声波成像测井仪的接收声系内，发射电路模块3安装在该仪器的发射声系内，声波信号前放电路模块6与声波接收换能器5一起通过一体化承压密封技术安装在该仪器的接收换能器采集模块内；
其中电源模块1负责电源管理，可将外接的28～60V的DC电源转换成控制电路模块2正常工作所需要的低压电源；发射电路模块3，具有自适应功能，能完成激励信号产生、发射功率控制、高压电源和低压电源转换功能，“自适应”是指发射功率的自适应调整；发射换能器4是一种主动激励器件，发射电路模块3与发射换能器4连接，为发射换能器4提供所需的高压激励信号，使发射换能器4能产生地层内传播的声波信号；声波接收换能器5用于接收发射换能器4的声波信号，声波信号前放电路模块6与声波接收换能器5连接后配合，完成声波接收换能器5发送的声波信号的采集、滤波、放大和数字化功能，其中的数字化功能指A/D转换。控制电路模块2作为电路正常运作的核心部分，通过CAN总线控制整个电路的工作状态，用于完成系统控制、数据编码与信号处理、大容量数据存储控制，数据成帧与通讯，内部温度监测和电压监测功能，控制电路模块2的输入端连接有上位机，控制电路模块2用于接收上位机下发的工作命令，之后控制电路模块2用于控制发射电路模块3产生激励信号，待发射换能器4和声波接收换能器5工作后，控制电路模块2使声波信号前放电路模块6进行声波信号的采集、滤波、放大和数字化功能，之后控制电路模块2用于接收声波信号前放电路模块6发送的声波信号并将该声波信号处理后进行存储。
本发明的随钻多极子声波成像测井仪的控制方法，控制上位机下发工作命令给控制电路模块2，控制电路模块2接收上位机下发的工作命令后，并将工作命令解码后发送控制命令给发射电路模块3和声波信号前放电路模块6，发射电路模块3接收控制电路模块2发来的控制命令，将控制命令处理后发送激励信号给发射换能器4，发射换能器4接收发射电路模块3发来的激励信号并产生地层内传播的声波信号，声波接收换能器5接收发射换能器4发来的声波信号，并将声波信号处理后发送波形信号给声波信号前放电路模块6，此时，声波信号前放电路模块6接收控制电路模块2发来的控制命令，并将控制命令处理后接收声波接收换能器5发送的波形信号，之后声波信号前放电路模块6对波形信号进行滤波、放大和数字化处理后发送数字信号给控制电路模块2，控制电路模块2接收声波信号前放电路模块6发来的数字信号并将该数字信号处理后进行存储。
以下部分是对电源模块1、控制电路模块2、发射电路模块3和声波信号前放电路模块6的具体解释说明。
关于电源模块1；
电源模块1采用型号为POWER604的可编程电源管理器将28～60V供电电压转换为控制电路模块2正常工作所需的3.5V和5V电压。
关于控制电路模块2
控制电路模块2包含依次连接的主控电路板2-1、信号采集电路板2-2、数据处理电路板2-3和数据存储电路板2-4，图2即为控制电路模块2的功能原理框图，主控电路板2-1的输入端连接有上位机，主控电路板2-1具有两个CAN接口电路，CAN1接口电路和CAN2接口电路，CAN1接口电路和CAN2接口电路之间连接有数字信号处理器，只需要在两个CAN接口电路上连接收发器即可，该收发器内的驱动芯片具体型号为SN65HVD233-HT，数据传输速率高达1Mbps，可以保证命令的接收与数据的发送，通过外部CAN总线，即CAN1接收上位机，也就是地面控制系统下发的工作命令，把工作命令解码后通过内部CAN总线，即CAN2发送命令给信号采集电路板2-2和发射电路模块3中的发射数字控制电路3-1。
主控电路板2-1的命令并控制发射电路模块3的激励信号模式、激励能量的幅度和声波信号前放电路模块6接收波形信号的采集点数、采样间隔，信号采集电路板2-2通过CAN2总线接收主控电路板2-1发送来的控制命令，同时将采集到的数据重新组合打包，通过McBsp接口传送给数据处理电路板2-3，数据处理电路板2-3通过McBsp接口接收信号采集电路板2-2发送的数据，进行数据预处理和数据解算，并将数据重组打包并加上时间信息发给数据存储电路板2-4，数据存储电路板2-4通过McBsp接口接收数据处理电路板2-3发送的数据，接收到的数据存储到型号为LDMF4GA的32GB存储芯片里，数据采集完成后地面设备可通过USB读取存储的数据并进行波形分析。
以下分别具体进行说明；
主控电路板2-1完成时间管理，即提供工作时间信息；仪器状态监测管理，即仪器状态监测数据上传及存储；工作模式管理，即仪器工作模式存储及指令下发，控制声波信号前放电路模块6的开始采集和结束采集；电源管理，即对信号采集电路板2-2、数据处理电路板2-3、数据存储电路板2-4进行电流、电压的监测与管理功能；
其中，主控电路板2-1通过CAN2发送时间信息给数据处理电路板2-3实现时间管理功能，时间管理功能具有定时功能，完成仪器在特定时间下的指令下发操作，选用有SPI接口的多功能实时时钟器件M41T94，它具有精度高和功耗低的特点，采用内部封装电池和晶体振荡器的版本。
此外，主控电路板2-1还能对仪器的温度进行监测管理，温度监测功能依靠型号为TMP05的温度传感器进行监测，该传感器为基于PWM波输出的具有±0.5℃精度的专用芯片，体积小，易于集成，测量范围-40℃～150℃，可以满足系统设计要求。
主控电路板2-1采用TI公司的TMS320F28335型DSP对相关外设进行控制，具体包含电源管理芯片、时钟管理芯片、电流电压转换芯片及CAN接口芯片。主控电路板2-1中CAN1总线与CAN2总线互相独立，互相不会产生干扰，CAN1完成地面命令的接收后通过中断通知数字信号处理器将接收到的命令进行数据解编，CAN2总线对整个电路进行各种控制操作，具体包括控制发射数字控制电路3-1的发射电路模式、信号采集电路板2-2中的接收模式及放大增益和启动数据采集、数据处理电路板2-3的启动高速串行数据总线读取采集数据、对数据进行滤波和采样。
信号采集电路板2-2通过型号为A3P1000-1FG144I的FPGA作为信号采集电路板2-2的控制单元，完成电源转换、控制声波信号前放电路模块6的供电、电流监控、声波信号前放电路模块6数据信号的采集、与数据处理电路2-3之间的通信和SRAM数据缓存。采用型号为TPS73733的电源转换芯片将输入的5V电压转换成1.5V提供FPGA的工作电压，控制型号为TPS2105的双输入、单输出电源开关的输出在3.3V和零电平之间切换，达到控制声波信号前放电路模块6供电的目的；并且通过型号为LT6107的电流敏感放大器，将放大后的电流转化成电压值，FPGA采集经过型号为ADS6445的A/D转换芯片转换后的数据，达到电流监测的目的；通过型号为SN55LVDS31的高速差分驱动器和型号为SN55LVDS32的高速差分接收器采集4个声波信号前放电路模块6通过高速差分数据总线上传的48个接收换能器的声波信号；实现对4个声波信号前放电路模块6数字信号的采集，重新编码后将数据缓存在型号为IS64WV25616BLL-10BA3的SRAM内，通过McBSP接口实现与数据处理电路板2-3之间的通信，将重新组合的数据发送给数据处理电路板2-3。
图3为数据处理电路板2-3的连接图，数据处理电路板2-3包括采集数据接收接口电路、指令接收接口电路和数据发送接口电路，一个型号为TMS320F28335的主DSP作为控制中心单元进行数据实时处理和协调其余两块辅DSP的工作，两块辅DSP作为接收终端，通过型号为SN55LVDS31的高速差分发送驱动器向数据存储板2-4发送数据，通过型号为SN55LVDS32的高速差分接收驱动器接收信号采集电路板2-2发来的数据，同时使用型号为IS64WV25616BLL-10BA3的SRAM作为数据缓存；数据处理电路板2-3接收从信号采集电路板2-2发来的数据，并进行数据预处理和数据解算，数据采集电路板2-2传输数据时采用两路串行数据传输，数据处理电路板2-3的数据接收接口方式使用DSP自带的McBSP接口，随后两块辅DSP将数据通过SPI接口汇总至主DSP统一进行处理，辅DSP完成数据的接收、校验、缓存及初步处理，主DSP完成数据的打包和发送。数据处理电路板2-3采用McBSP总线实现与数据存储电路板2-4之间的通信，将处理后的数据打包发送给数据存储电路板2-4。
图4为数据存储电路板2-4的连接图。数据存储电路板2-4接收从数据处理电路板2-3发来的数据，提供32GB大容量数据储存，为地面读取设备提供USB数据接口。具体地，在数据存储电路板2-4中，核心的处理器以及控制器为一片型号为TMS320F28335的DSP与一片型号为A3P1000-1FG144I的FPGA，DSP负责内部接口控制，通过McBSP接口接收通过型号为SN55LVDS32的高速差分接收驱动器接收数据处理电路板2-3上的主DSP发送的数据，FPGA负责外部接口控制，将数据存入型号为LDMF4GA的32GB NAND FLASH大容量存储器阵列，通过地面USB数据接口将数据发送到上位机，即地面控制系统。FPGA上还连接有一片型号为IS64WV25616BLL的SRAM，用以存储NAND FLASH阵列的重要信息。
关于发射电路模块3
图5为发射电路模块的电路架构原理图。发射电路模块3包括发射数字控制电路3-1、高压DC-DC模块3-2和发射控制器3-3，发射换能器4包括一个单极发射换能器、一个四极Y发射换能器和一个四极X发射换能器。发射数字控制电路3-1根据接收到的主控电路板2-1下发的控制命令，通过串行DA输出0～2.5V控制电压至型号为FH30H-48S2500高压DC-DC模块3-2的控制端，单极发射换能器、四极Y发射换能器和四极X发射换能器分别通过第一开关元件、第二开关元件和第三开关元件与高压DC-DC模块3-2并联，高压DC-DC模块3-2为它们提供电源，所产生的控制电压由0～2.5V变化，可以控制高压DC-DC模块3-2输出的高压变化范围为350～1000V。发射控制器3-3包括一个型号为A3P1000-1FG144I的FPGA，该FPGA根据主控电路板2-1发来的控制命令产生发射换能器4所需频率的脉冲激励信号，发射模式包括单极高频(简称为MH)、单极低频(简称为ML)、四极X(简称为QX)和四极Y(简称为QY)，4个模式的工作在1秒中完成，每个模式之间可间隔200ms，以此减小相邻两个模式之间的深度偏差。脉冲激励信号控制上述三个开关元件的导通或关断，这三个开关元件均为绝缘栅双极性晶体管，导通时使发射高压施加在相应发射换能器上，来实现对相应单极发射换能器和四极发射换能器的激励，第一开关元件、第二开关元件和第三开关元件导通后单极发射换能器、四极Y发射换能器和四极X发射换能器产生地层内传播的多极子声波信号。通过调整高压DC-DC模块3-2的输出高压值，即可实现高压DC-DC模块3-2对发射换能器4发射功率的自适应调整
关于声波信号前放电路模块6
声波信号前放电路模块6具有48个独立模拟前置放大通道，48个独立模拟前置放大通道被平均分为4个条带，每个条带由一片型号为5M570ZF256C5N的复杂可编程逻辑器件CPLD汇集板控制，实现对声波接收换能器5输出的微弱电信号的滤波、放大，之后使用16位精度的型号为AD4000的A/D转换电路将模拟信号转换为数字信号，同时将A/D数据串行发送给信号采集电路板2-2。具体地如图6，图6为本发明设计的声波信号前放电路模块6的电路架构原理图，图中仅展示一个条带，声波信号前放电路模块6共48个独立模拟前置放大通道，每个独立模拟前置放大通道的输出端都连接有一个单独的A/D转换电路将接收到的波形模拟信号转换为数字信号，每12个模拟通道电路并行连接与CPLD汇集板组成一个条带，12个模拟通道电路的数字信号由CPLD汇集板中的CPLD控制，4个条带并行连接。CPLD汇集板用于接收信号采集电路板2-2下发的采集信号并将采集信号处理后发送控制信号给每个条带，每个条带用于接收CPLD发来的控制信号，并根据控制信号接收声波接收换能器5发送的波形信号，并将波形信号转化成模拟信号；A/D转换电路用于将模拟信号转换为数字信号后发送给CPLD汇集板，CPLD汇集板接收A/D转换电路发来的数字信号，并将数字信号发送给信号采集电路板2-2。具体地，CPLD汇集板依据信号采集电路板2-2下发命令中规定的采样间隔和采样点数通过型号为SN55LVDS31的高速差分发送驱动器将A/D数据串行发送给控制电路模块2中的信号采集电路板2-2。
本发明充分考虑了随钻多极子声波成像测井仪的特点，满足了仪器高效激发、高性噪比接收以及大容量存储的技术要求。

Claims (3)

1.一种随钻多极子声波成像测井仪的控制电路，其特征在于，包括控制电路模块(2)、发射电路模块(3)和声波信号前放电路模块(6)，
所述的控制电路模块(2)与上位机连接，控制电路模块(2)用于接收上位机下发的工作命令，并将工作命令解码后发送控制命令给发射电路模块(3)和声波信号前放电路模块(6)；
所述的发射电路模块(3)与随钻多极子声波成像测井仪中的发射换能器(4)连接，发射电路模块(3)用于接收控制电路模块(2)发来的控制命令，并将控制命令处理后发送激励信号给所述的发射换能器(4)，所述的发射换能器(4)用于接收发射电路模块(3)发来的激励信号并产生地层内传播的声波信号；
所述的声波信号前放电路模块(6)与随钻多极子声波成像测井仪中的声波接收换能器(5)连接，所述的声波接收换能器(5)用于接收所述发射换能器(4)发来的声波信号，并将声波信号处理后发送波形信号给声波信号前放电路模块(6)；
当所述的声波接收换能器(5)发送波形信号给声波信号前放电路模块(6)后，声波信号前放电路模块(6)用于接收控制电路模块(2)发来的控制命令，并将控制命令处理后接收声波接收换能器(5)发送的波形信号，之后声波信号前放电路模块(6)对波形信号进行滤波、放大和数字化处理后发送数字信号给控制电路模块(2)，控制电路模块(2)接收声波信号前放电路模块(6)发来的数字信号并将该数字信号处理后进行存储；
所述的控制电路模块(2)包括依次连接的主控电路板(2-1)、信号采集电路板(2-2)、数据处理电路板(2-3)和数据存储电路板(2-4)；
所述的主控电路板(2-1)与上位机连接，用于接收上位机下发的工作命令，并将工作命令解码后发送控制命令给信号采集电路板(2-2)和发射电路模块(3)，信号采集电路板(2-2)用于接收主控电路板(2-1)发来的控制命令，并将控制命令处理后发送采集信号给声波信号前放电路模块(6)，控制声波信号前放电路模块(6)用于接收信号采集电路板(2-2)发来的采集信号，并将采集信号处理后接收声波接收换能器(5)发送的波形信号，之后声波信号前放电路模块(6)发送数字信号给信号采集电路板(2-2)；
所述的信号采集电路板(2-2)用于采集声波信号前放电路模块(6)发来的数字信号，并将数字信号重新编码后发送重新组合的数据给数据处理电路板(2-3)，数据处理电路板(2-3)用于接收信号采集电路板(2-2)发来的重新组合的数据，并将重新组合的数据进行数据预处理和数据解算，解算后的数据重组打包并加上时间信息发送给数据存储电路板(2-4)；数据存储电路板(2-4)用于接收数据处理电路板(2-3)发来的包含时间信息的打包数据，并将该数据进行存储；
所述的主控电路板(2-1)包括CAN1接口电路和CAN2接口电路，CAN1接口电路和CAN2接口电路之间连接有第一数字信号处理器，CAN1接口电路和CAN2接口电路上均连接有收发器；
所述的CAN1接口电路连接有上位机，CAN2接口电路发送控制命令给信号采集电路板(2-2)和发射电路模块(3)；
所述的信号采集电路板(2-2)包括若干个第一现场可编程门器件、高速差分驱动器和高速差分接收器；
所述的第一现场可编程门器件用于接收CAN2接口电路发来的控制命令，并将控制命令处理后发送采集信号给声波信号前放电路模块(6)，声波信号前放电路模块(6)用于接收现场可编程门器件发来的采集信号，之后声波信号前放电路模块(6)发送数字信号给高速差分接收器，高速差分接收器将该数字信号发送给高速差分驱动器，高速差分驱动器通过McBSP接口将数字信号重新编码后发送重新组合的数据给数据处理电路板(2-3)；
所述的数据处理电路板(2-3)包括第二数字信号处理器、第三数字信号处理器、高速差分接收驱动器和高速差分发送驱动器；
所述的高速差分接收驱动器用于高速差分驱动器发来的数据，并将该数据进行预处理和数据解算；第二数字信号处理器用于接收解算后的数据，并将解算后的数据进行校验、缓存和处理，之后汇总至第三数字信号处理器；第三数字信号处理器用于接收第二数字信号处理器发来的数据并进行打包，然后通过高速差分发送驱动器发送给数据存储电路板(2-4)；
所述的数据存储电路板(2-4)包括相互连接的第四数字信号处理器和第二现场可编程门器件；
所述的第四数字信号处理器用于接收高速差分发送驱动器发送的数据；第二现场可编程门器件用于将第四数字信号处理器接收的数据存入NAND FLASH中；
所述的发射电路模块(3)包括发射数字控制电路(3-1)、高压DC-DC模块(3-2)和发射控制器(3-3)，发射换能器(4)包括单极发射换能器、四极Y发射换能器和四极X发射换能器；
所述的发射数字控制电路(3-1)用于接收主控电路板(2-1)下发的控制命令，并将控制命令处理后输出控制电压至高压DC-DC模块(3-2)的控制端，所述的单极发射换能器、四极Y发射换能器和四极X发射换能器分别通过第一开关元件、第二开关元件和第三开关元件与高压DC-DC模块(3-2)并联，高压DC-DC模块(3-2)输出所述单极发射换能器、四极Y发射换能器和四极X发射换能器工作所需的电压；
所述的发射控制器(3-3)包括第三现场可编程门器件，第三现场可编程门器件用于接收主控电路板(2-1)下发的控制命令，并将控制命令处理后产生激励信号，所述激励信号控制第一开关元件、第二开关元件和第三开关元件的导通或关断，第一开关元件、第二开关元件和第三开关元件导通后单极发射换能器、四极Y发射换能器和四极X发射换能器产生地层内传播的多极子声波信号；
所述的声波信号前放电路模块(6)包括若干个条带，每个条带包括若干个并行连接的独立模拟前置放大通道，每个独立模拟前置放大通道的输出端连接有A/D转换电路，每个条带与CPLD汇集板连接；
所述的CPLD汇集板用于接收信号采集电路板(2-2)发来的采集信号并将采集信号处理后发送控制信号给每个条带，每个条带用于接收CPLD发来的控制信号，并根据控制信号接收声波接收换能器(5)发送的波形信号，并将波形信号转化成模拟信号；A/D转换电路用于将模拟信号转换为数字信号后发送给CPLD汇集板，CPLD汇集板接收A/D转换电路发来的数字信号，并将数字信号发送给信号采集电路板(2-2)。
2.根据权利要求1所述的一种随钻多极子声波成像测井仪的控制电路，其特征在于，还包括电源模块(1)；
所述的电源模块(1)与控制电路模块(2)连接，用于为控制电路模块(2)供电。
3.一种随钻多极子声波成像测井仪的控制方法，其特征在于，基于权利要求1～2中任意一项所述的随钻多极子声波成像测井仪的控制电路，上位机下发工作命令给控制电路模块(2)，控制电路模块(2)接收上位机下发的工作命令后，并将工作命令解码后发送控制命令给发射电路模块(3)和声波信号前放电路模块(6)，发射电路模块(3)用于接收控制电路模块(2)发来的控制命令，将控制命令处理后发送激励信号给发射换能器(4)，发射换能器(4)接收发射电路模块(3)发来的激励信号并产生地层内传播的声波信号，声波接收换能器(5)接收发射换能器(4)发来的声波信号，并将声波信号处理后发送波形信号给声波信号前放电路模块(6)，此时，声波信号前放电路模块(6)接收控制电路模块(2)发来的控制命令，并将控制命令处理后接收声波接收换能器(5)发送的波形信号，之后声波信号前放电路模块(6)对波形信号进行滤波、放大和数字化处理后发送数字信号给控制电路模块(2)，控制电路模块(2)接收声波信号前放电路模块(6)发来的数字信号并将该数字信号处理后进行存储。
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