陳敬智CHEN Jing-zhi；王光偉WANG Guang-wei；薛志波XUE Zhi-bo；趙迪ZHAO Di

（中海油田服務(wù)股份有限公司油田技術(shù)事業(yè)部，北京 101149）

1 研究背景

隨著我國陸地與近海常規(guī)油氣資源逐步枯竭，資源勘探開發(fā)的重點(diǎn)由近海走向深海，勘探開發(fā)活動越來越多地涉及到了高溫高壓的井底作業(yè)環(huán)境，對測井儀器及配套井下電子系統(tǒng)的耐溫性能要求越來越高，因此，高溫高壓井的探測正成為測井行業(yè)內(nèi)新的挑戰(zhàn)。原有的從國外引進(jìn)的測井設(shè)備耐溫、耐壓已經(jīng)不能滿足目前勘探開發(fā)要求。受現(xiàn)有核磁測井技術(shù)水平發(fā)展及核磁測井的本身原理所局限，儀器測速無法提高，核磁共振測井儀入井后連續(xù)工作時間長（通常達(dá)8-10 個小時以上），現(xiàn)有的核磁共振測井儀因?yàn)槠骷驮O(shè)計(jì)原因達(dá)不到更高的溫度性能，導(dǎo)致現(xiàn)有商業(yè)化儀器均無法滿足高溫高壓井核磁共振測井作業(yè)的需求。

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了超高溫低功耗器件、厚膜電路、PSOC 等新技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)核磁共振測井儀器的高溫化研制提供了有利條件；而核磁共振測井技術(shù)也正朝著提高儀器精度、測量速度和儀器耐溫性能等方向發(fā)展。為了適應(yīng)更加復(fù)雜惡劣的井下環(huán)境，必須提高核磁共振測井儀的測量精度和耐溫性能。

2 國內(nèi)外現(xiàn)狀

在過去的20 年中，核磁共振測井儀器研究和應(yīng)用一直是石油測井領(lǐng)域的熱點(diǎn)和前沿領(lǐng)域，受到廣泛的關(guān)注，已經(jīng)成為衡量一個公司甚至一個國家測井技術(shù)水平的標(biāo)志。國外三大油服公司一直致力于核磁共振測井技術(shù)的研發(fā)，不斷提高其耐溫性能和測量精度。功耗高、測試慢一直困擾著核磁共振儀器在超高溫井中的應(yīng)用，隨著核磁共振理論方法和電子技術(shù)的不斷發(fā)展，核磁共振測井儀器有了顯著的進(jìn)步，目前國外三大油田服務(wù)公司均具有代表性的核磁共振測井儀器。商業(yè)化具有代表性的儀器有Schlumberger 公司推出的MR Scanner Expert 儀器（最大耐溫175℃），Baker Huges 公司推出的的MReX 儀器（最大耐溫204℃），及Halliburtor 公司推的出MRIL-P 型核磁儀器（最大耐溫177℃）。

近年以來，國內(nèi)也進(jìn)行了一些核磁共振測井技術(shù)的研究，中海油服油田技術(shù)研究院自主研制的核磁共振測井儀已成功應(yīng)用于海內(nèi)外，但受限于芯片耐溫等級，其最大儀器耐溫僅為150℃?？紤]到高溫芯片的價(jià)格極其昂貴，混合集成電路技術(shù)是一個不錯的解決方案，為了進(jìn)一步提高現(xiàn)有的核磁儀器溫度性能，最關(guān)鍵的是將其主控電路實(shí)現(xiàn)高溫化。

3 主控電路高溫化設(shè)計(jì)

3.1 主控電路原理

主控電路相當(dāng)于核磁共振測井儀的中樞神經(jīng)，其主要功能是對上和對下的通訊以及輔助采集參數(shù)。它將地面軟件和儀器的功能模塊電路以總線的形式連接，實(shí)現(xiàn)命令和數(shù)據(jù)的交互。在儀器測井工作時，同樣需要主控板對事件控制板下發(fā)所需的信息指令，包括時序信息，儀器參數(shù)等。此外，主控板還會將采集到的輔助參數(shù)信息和采集處理電路獲得的回波信息上傳給地面軟件系統(tǒng)。該電路包含了通訊模塊，輔助參數(shù)測量模塊、板間通訊模塊、對地面系統(tǒng)通訊模塊等[3]。

3.2 SIP 以及MCM 技術(shù)

SiP 技術(shù)是使用半導(dǎo)體來創(chuàng)建包含多個IC 和無源元件的集成封裝，從而創(chuàng)建緊湊且高性能的設(shè)備。MCM 技術(shù)是一種多芯片組件技術(shù)，它是將一塊多層互連基板對裸芯片和其他元器件進(jìn)行封裝，用高度集成化的方式來制作高密度和高可靠性的微電子組件[4]?；旌霞呻娐芳夹g(shù)可利用薄膜混合集成、厚膜混合集成、低溫共燒多層陶瓷基板（LTCC）、多芯片組裝及系統(tǒng)集成技術(shù)等多個方面的優(yōu)勢，為高精端產(chǎn)品研發(fā)奠定可靠的基礎(chǔ)。

3.3 高溫化設(shè)計(jì)內(nèi)容

為了滿足在200℃以上高溫環(huán)境下工作的要求，對主控電路引入多芯片組件（MCM）及系統(tǒng)級封裝（SiP）等高級混合集成技術(shù)，并將主控SiP 模塊按功能分為多個模塊[5]，DSP 及存儲器、FPGA 及配置電路、接口與驅(qū)動電路等，用于井上、井下通訊和控制。其原理設(shè)計(jì)框如圖1 所示。

圖1 主控SIP 模塊原理設(shè)計(jì)框圖

主控SiP 模塊以DSP 為控制核心，具有以下特點(diǎn)：①主處理器采用TMS320F2812—HT，耐溫210℃，工作頻率30MHz；②SRAM 存儲容量達(dá)8Mbit；③FPGA 規(guī)模100萬門，可實(shí)現(xiàn)曼碼通訊，用于地面調(diào)試（等效于ACTEL A3P1000）；④內(nèi)置PROM 容量4Mbit；⑤2 路CAN 總線接口，最高碼速率為1Mbps，兼容高溫電纜測井儀器平臺；⑥集成McBSP 接口驅(qū)動，兼容目前電纜測井儀器內(nèi)部總線；⑦集成SPI 接口驅(qū)動，作為儀器內(nèi)部總線；⑧擴(kuò)展接口可用于控制溫度與電壓采集MCM 模塊；⑨電源轉(zhuǎn)換等功耗較大器件，不集成到SiP 中，防止器件局部發(fā)熱影響高溫穩(wěn)定性；⑩晶振、復(fù)位電路不集成，保證模塊的通用性能。

3.3.1 DSP 及擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲器

DSP 選用的是TI 公司的TMS320F2812—HT，實(shí)際耐溫高達(dá)210℃，外部時鐘30MHz。這款32 位的信號處理器支持多種運(yùn)行模式，具有低功耗高信噪比的特點(diǎn)，其運(yùn)行支持最高可達(dá)128kSPS 的位速率。并且內(nèi)部資源非常豐富，包含256KB Flash 存儲器，8KB 引導(dǎo)ROM，2KB OTP ROM 以及數(shù)字運(yùn)算表等，另外還包括1 路CAN 接口，1 路McBSP，1 路SPI 接口，提高了系統(tǒng)集成密度。考慮到DSP的資源還包括外部接口XINTF，為了讓模塊有足夠的數(shù)據(jù)運(yùn)算空間，外部增加了2 片三星公司的4Mbit SRAM 存儲器，可通過XINTF 接口訪問。

3.3.2 FPGA 及配置存儲器

目前，國產(chǎn)SRAM 型FPGA 在高溫下電流增加較多，可靠性相對較差，為了防止FPGA 失效導(dǎo)致系統(tǒng)故障，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時弱化了FPGA 的功能，并且FPGA 與DSP 之間的接口通過LC164245 進(jìn)行隔離，通過關(guān)閉FPGA 電源，可以實(shí)現(xiàn)FPGA 冷備份，在井下高溫環(huán)境中不再使用。通過對曼碼通信協(xié)議及代碼分析，30 萬門以上的FPGA 可以滿足相應(yīng)功能的要求。因此FPGA 選擇ACTEL A3P1000 型。

3.3.3 與事件采集電路的接口設(shè)計(jì)

主控電路和事件采集電路之間的通信是通過DSP 的McBSP 模塊完成，它是一種多通道緩沖串行口，時鐘頻率可達(dá)1Mhz。兩者之間數(shù)據(jù)交互需要驅(qū)動芯片，這里選用TI公司的SN54HC244，功能夠用，性價(jià)比高。另外根據(jù)信號傳輸?shù)奶匦钥芍?，長距離傳輸會導(dǎo)致時鐘和信號的畸變，需要在驅(qū)動電路中增加一個電阻來平滑信號反射帶來的影響，根據(jù)實(shí)際效果確定以1～2K 為宜。

3.3.4 參數(shù)采集MCM 模塊的接口設(shè)計(jì)

溫度與電壓采集MCM 模塊是實(shí)現(xiàn)電壓監(jiān)測，溫度采集，輔助參量采集以及模數(shù)轉(zhuǎn)換等功能[6]，它可對高溫核磁共振測井儀狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控和校正，設(shè)計(jì)一個16 路數(shù)據(jù)采集模塊，采樣頻率10Hz，集成4 路恒流源和16 選1 選擇器、16 位AD 轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)儲能高壓檢測和溫度等輔助參量采集，由主控SiP 模塊將地面發(fā)送的采集命令轉(zhuǎn)發(fā)給溫度電壓采集模塊，控制采集開關(guān)的通斷來采集數(shù)據(jù)。

控制溫度電壓采集MCM 模塊可以利用DSP 的GPIO，也可以利用DSP 的外部接口XINTF。本設(shè)計(jì)采用GPIO 控制溫度電壓采集MCM 模塊，DB[15：0]為采集模塊數(shù)據(jù)端口，AD_CHEN 是使能，CNSTA～CNSTD 為采樣通道選擇，CTRL_SW1/2 是控制恒流源開關(guān)，可以關(guān)閉恒流源降低模塊功耗。

3.3.5 EDIB 接口設(shè)計(jì)

EDIB 總線接口是主控電路中的一個標(biāo)準(zhǔn)接口，它以DSP+FPGA 為架構(gòu)，外部配置有收發(fā)器，另外需要耦合變壓器對接地面系統(tǒng)。DSP 是整個接口的控制核心，它將FPGA 當(dāng)做外設(shè)，編解碼等繁瑣工作主要在FPGA 內(nèi)部執(zhí)行，F(xiàn)PGA 可以利用其地址編解碼的功能識別到該儀器的不同命令，同時還可以屏蔽其他無效的命令。具體表現(xiàn)為編碼模塊將FPGA 輸出的信號通過邏輯電平變換傳輸給地面，而解碼模塊是將地面系統(tǒng)傳輸過來的雙端信號變換成單端信號，最后進(jìn)入FPGA 處理，這兩個過程中變壓器是對EDIB 接口和FPGA 之間進(jìn)行隔離，起到保護(hù)作用[7]。EDIB 接口的控制部分由FPGA 實(shí)現(xiàn)，驅(qū)動部分包括變壓器等器件不在模塊內(nèi)部集成。

3.3.6 SPI 接口設(shè)計(jì)

串行外圍設(shè)備接口SPI 是一種同步串行總線，支持3線和4 線兩種工作方式，它是一種高速全雙工且同步的通信總線，芯片管腳只需四根線，設(shè)計(jì)SIP 模塊時可以為PCB 的布局節(jié)省空間。它還支持在同一總線上連接多個主器件和從器件，主從器件均可使用，符合設(shè)計(jì)需求。從動傳送使能信號SPISTEA 可以被配置為輸入以擇選從方式下的SPI，或在多主環(huán)境中禁止主器件方式操作，以避免兩個以上主器件試圖同時進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時產(chǎn)生沖突。SPISTEA 還可以被配置為主方式下的片選輸出，或在3 線操作時被禁止。在主方式中可以用通用端口I/O 引腳選擇多個從器件。另外，DSP 的SPI 接口通過MCP2515 擴(kuò)展了一路CAN 接口，還通過SN54HC244 驅(qū)動引出，可以作為內(nèi)部總線使用。

3.3.7 CAN 接口設(shè)計(jì)

模塊具有2 路CAN 接口與驅(qū)動，其中1 路利用DSP中的CAN 控制器，另外1 路利用DSP 中的SPI 接口和MCP2515 芯片進(jìn)行擴(kuò)展。MCP2515 與DSP 的串行外設(shè)接口（SPI）直接相連，支持0，0 和1，1 運(yùn)行模式。外部數(shù)據(jù)和命令通過SI 引腳傳送到器件中，且數(shù)據(jù)在SCK 時鐘信號的上升沿傳送進(jìn)去。MCP2515 在SCK 的下降沿通過SO 引腳傳送出去。

3.3.8 差分驅(qū)動接口設(shè)計(jì)

為了提高信號傳輸正確性，主控電路中電流采集和電壓采集的數(shù)據(jù)以差分信號傳輸為宜。選用DS26C31 芯片可將GPIO 輸出的單端開關(guān)量轉(zhuǎn)換為差分信號，且需要提供1 路5V 電源。

3.3.9 模塊成品設(shè)計(jì)

根據(jù)主控電路原理，使用SiP 技術(shù)設(shè)計(jì)形成一款尺寸為45mm*45mm，引腳數(shù)為168 的陶瓷管殼封裝模塊，命名為LSGCU01HT，該模塊是用陶瓷共燒技術(shù)將芯片的裸晶圓共燒在一塊陶瓷基板上[8]，其表面焊接有SM320F2812-HT 和A3P1000 等12 種芯片的裸晶圓，以及多種0805 封裝的電阻電容。實(shí)物圖如圖2 所示。

圖2 高溫SIP 系統(tǒng)級封裝實(shí)物

3.4 高溫實(shí)驗(yàn)

完成主控SIP 模塊的設(shè)計(jì)和加工后，將其安裝在測試裸板上，焊接電源和信號引出線，對其高溫性能進(jìn)行摸底測試，利用定時器設(shè)置固定時間10us，頻率為500kHz 觸發(fā)產(chǎn)生曼碼往上發(fā)送，并同時對IO 口產(chǎn)生方波信號，實(shí)驗(yàn)方案結(jié)構(gòu)框圖如圖3 所示，圖中設(shè)立了3 個不同的監(jiān)測點(diǎn)位。①方波測試點(diǎn)：DSP 利用定時器固定事件產(chǎn)生方波，如果該測試點(diǎn)輸出不正常，則可斷定DSP 工作異常。②曼碼測試點(diǎn)1：是指DSP 下發(fā)數(shù)據(jù)給FPGA，F(xiàn)PGA 進(jìn)行編碼發(fā)出去，在FPGA 的IO 檢測曼碼是否從FPGA 中發(fā)出來。③曼碼測試點(diǎn)2：是檢測經(jīng)過變壓器的曼碼，看曼碼從主控板上發(fā)出去，主控板中有三路曼碼信號，測試的時候任選一組作為測試點(diǎn)。

圖3 主控SIP 模塊實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

將該模塊總共工作11 個小時，溫度從常溫25℃上升到205℃，并且在205℃正常工作6 小時，其電源變化均在合理范圍之內(nèi)變化，未出現(xiàn)過流現(xiàn)象。（表1）

表1 不同溫度下模塊供電電壓電流變化情況

4 總結(jié)

主控電路是高溫核磁儀器中的核心功能模塊，它采用耐高溫混合集成工藝將電路中的數(shù)字控制邏輯電路以及驅(qū)動電路封裝在一個模塊內(nèi)，最高可在205℃的環(huán)境溫度下工作，實(shí)現(xiàn)了高溫化的跨越，并且電路接口性能兼容高溫電纜測井平臺的規(guī)格和通信接口要求，可以在其他高溫電纜測井儀器中使用。這種方式將為更多的石油測井類儀器提供高溫化參考，以此作為突破口，將對高溫油氣田的勘探起到極大的促進(jìn)作用。