基于XC2C64A芯片的無線錄井絞車信號檢測電路設(shè)計

引言

　　在錄井儀器中,深度系統(tǒng)是最重要的部分,離開了深度系統(tǒng)中的井深,儀器中大部分參數(shù)都將失去意義[1]。而在深度系統(tǒng)中,大鉤高度的測量是最為關(guān)鍵的。通過絞車信號的實時數(shù)據(jù)檢測，可得到與大鉤高度相關(guān)的絞車脈沖信號計數(shù)值,將該值傳入上位機(jī)，通過相應(yīng)的計算可以得到實時的井深。

　　同時，基于太陽能和蓄電池供電的無線錄井?dāng)?shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)要求現(xiàn)場絞車信號檢測電路必須具有低功耗、小尺寸和抗干擾性強(qiáng)的特點。因此，采用分離元器件所設(shè)計的傳統(tǒng)的絞車信號測量電路就不能滿足無線錄井系統(tǒng)的這些特殊要求。

　　美國Xilinx公司的CoolRunner II系列CPLD芯片XC2C64A結(jié)合XC9500系列的高速度、方便易用和XPLA3系列的超低功耗等優(yōu)點，具有低功耗、高密度、在系統(tǒng)可編程和抗干擾能力強(qiáng)等特點[2]，在一顆芯片上就可以代替多顆傳統(tǒng)邏輯芯片來實現(xiàn)復(fù)雜的組合與時序邏輯控制，能夠達(dá)到低功耗、小尺寸和抗干擾性強(qiáng)的優(yōu)良性能[3]。

　　無線錄井絞車信號檢測電路的設(shè)計與實現(xiàn)

　　絞車順時針旋轉(zhuǎn)時, 傳感器輸出A相波形超前B相波形90°;逆時針旋轉(zhuǎn)時，輸出A相波形滯后B相波形90°。其后的鑒相(方向鑒別)、倍頻和計數(shù)就是基于如上輸出的兩相脈沖信號。

　　絞車信號檢測電路的整體結(jié)構(gòu)(圖1)，包括絞車信號的整形、隔離、鑒相、倍頻、計數(shù)和數(shù)據(jù)讀取接口等部分。

　　信號A和信號B是來自絞車傳感器的相位差90?的兩路脈沖信號，先經(jīng)過第一次施密特整形，抑制現(xiàn)場干擾和線路衰減引起的脈沖波形畸變，轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的脈沖信號;然后經(jīng)數(shù)字隔離器進(jìn)行電氣隔離，隔離電路一方面對后面的電路起保護(hù)作用，另一方面起電壓變換的作用，將信號轉(zhuǎn)換為3.3V標(biāo)準(zhǔn)電壓的脈沖信號;再經(jīng)過第二次施密特整形電路進(jìn)行整形，此次整形的主要目的是將兩路脈沖信號的波形進(jìn)行變換，產(chǎn)生A、B、AA(A的反相)和BB(B的反相)四路信號。

圖1 絞車信號檢測電路結(jié)構(gòu)框圖

　　經(jīng)第二次整形后，A、B兩路信號經(jīng)過單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，在其上升沿和下降沿處分別進(jìn)行觸發(fā)，得到四個窄脈沖信號AU、AD，BU、BD。

　　得到的A、B、AA、BB、AU、AD、BU、BD共8路信號輸入到CPLD XC2C64A，進(jìn)行倍頻、鑒相和計數(shù)等處理，并在單片機(jī)的控制下對數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出或清零。

根據(jù)如上的設(shè)計原理，采用Xilinx公司的EDA軟件ISE和模塊化設(shè)計[4]的方法設(shè)計了無線錄井絞車信號的檢測電路，其頂層設(shè)計電路如圖2所示，該電路包括兩個子模塊：倍頻、鑒相子模塊jch_4f_dir，具有4倍頻和方向鑒別功能;16位二進(jìn)制可控加減計數(shù)與數(shù)據(jù)接口子模塊countud，具有加/減計數(shù)(由方向鑒別信號控制)和MCU選擇讀取高/低8位計數(shù)數(shù)據(jù)等功能。該電路在XC2C64A-7VC44I器件[5]上進(jìn)行了下載測試。

圖2 絞車信號四倍頻、鑒相與計數(shù)頂層電路圖

　　A、B、AA、BB、AU、AD、BU、BD共8路信號經(jīng)過如圖3中左側(cè)所示的倍頻電路，產(chǎn)生4倍頻的脈沖信號，給后面的計數(shù)器提供計數(shù)時鐘信號;如圖3中右上側(cè)所示的由與非門組成的RS觸發(fā)器，是鑒相(方向鑒別)電路，可以得到反映絞車傳感器A、B兩相信號到達(dá)先后的方向信號A_B_DIR。假設(shè)絞車正轉(zhuǎn)，A超前B，A_B_DIR=1;絞車反轉(zhuǎn)， B超前A，A_B_DIR=0。

　　鑒相(方向)信號A_B_DIR一方面連接到二選一數(shù)據(jù)選擇器的選擇輸入端S0，用來控制A4F_OUT和B4F_OUT選通到如圖2右側(cè)所示的計數(shù)器countud進(jìn)行計數(shù)，當(dāng)A_B_DIR=1(A超前B)時，clk=A4F_OUT(有脈沖輸出);當(dāng)A_B_DIR=0(B超前A)時clk= B4F_OUT(有脈沖輸出);同時，A_B_DIR也控制計數(shù)器進(jìn)行加法(A_B_DIR=0)或減法(A_B_DIR=1)計數(shù)。

圖3絞車信號四倍頻與鑒相電路圖

　　16位二進(jìn)制加/減計數(shù)器的主要功能設(shè)計描述如下所示(采用Verilog HDL)。其中，clk是計數(shù)時鐘輸入端，clr是異步清零端，dir是加減計數(shù)控制端：dir=1，減法計數(shù)，dir=0，加法計數(shù);sel是計數(shù)數(shù)據(jù)讀取控制端，由單片機(jī)給出的選擇信號實現(xiàn)高8位、低8位的計數(shù)數(shù)據(jù)輸出，sel=0，低8位，sel=1，高8位。

　　無線錄井絞車倍頻、鑒相與計數(shù)電路的仿真測試

　　在Xilinx的ISE環(huán)境下對倍頻、鑒相子模塊jch_4f_dir的仿真波形圖示于圖4。該波形是絞車傳感器輸出B相波形超前A相波形90°時的仿真結(jié)果。此時，倍頻輸出信號B4fout與A(或B)信號的頻率成4倍關(guān)系，鑒相(方向鑒別)輸出信號Dir=0，這與前面的原理分析完全一致。

圖4 B超前A的四倍頻與鑒相輸出信號波形圖

在ModelSim XEIII環(huán)境下對絞車檢測頂層整體電路(包括倍頻、鑒相和計數(shù))的仿真波形圖示于圖5，該波形是絞車傳感器輸出B相波形超前A相波形90°時的仿真結(jié)果。此時，倍頻輸出信號B4OUT與A(或B)信號的頻率成4倍關(guān)系，是計數(shù)器countud的時鐘輸入信號;鑒相(方向鑒別)輸出信號A_B_DIR=0，即計數(shù)器的加減控制輸入信號dir=0，計數(shù)器加法計數(shù);單片機(jī)提供的數(shù)據(jù)讀取選擇信號SEL=0，選取16位計數(shù)器的低8位輸出，輸出的8位數(shù)據(jù)正是計數(shù)器按照四倍頻時鐘信號進(jìn)行加法計數(shù)的結(jié)果。

圖5 B超前A的絞車檢測輸出(倍頻、鑒相和計數(shù))波形圖

　　在錄井現(xiàn)場，使絞車傳感器快速轉(zhuǎn)動產(chǎn)生脈沖，經(jīng)過電路處理后，傳輸?shù)街骺貎x器房的工控機(jī)。在設(shè)計中考慮現(xiàn)場應(yīng)用情況，采集到的脈沖計數(shù)值是在一個初始值N的基礎(chǔ)上變化的(此處常使用30000，即0x7530)，正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)變化脈沖數(shù)在此基礎(chǔ)上做加/減運(yùn)算。絞車傳感器轉(zhuǎn)動一圈產(chǎn)生48個脈沖數(shù)，現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)分析表明，檢測電路對絞車轉(zhuǎn)動圈數(shù)的測量非常準(zhǔn)確，誤差僅是0.01%。

　　結(jié)語

　　采用一片XC2C64A-7VC44I器件(64個宏單元，33個I/O口，工業(yè)級–40°C to +85°C)設(shè)計并實現(xiàn)了無線錄井絞車信號的檢測電路，完成了絞車信號的四倍頻、鑒相和16位二進(jìn)制加減計數(shù)以及與MCU數(shù)據(jù)讀取接口等綜合功能。錄井生產(chǎn)實際應(yīng)用表明，該設(shè)計簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低了系統(tǒng)功耗，從而提高了系統(tǒng)整體性能，在無線錄井?dāng)?shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)中，應(yīng)用效果很好。