核磁共振测井仪主控电路高温化设计

陈敬智CHEN Jing-zhi；王光伟WANG Guang-wei；薛志波XUE Zhi-bo；赵迪ZHAO Di

（中海油田服务股份有限公司油田技术事业部，北京 101149）

1 研究背景

随着我国陆地与近海常规油气资源逐步枯竭，资源勘探开发的重点由近海走向深海，勘探开发活动越来越多地涉及到了高温高压的井底作业环境，对测井仪器及配套井下电子系统的耐温性能要求越来越高，因此，高温高压井的探测正成为测井行业内新的挑战。原有的从国外引进的测井设备耐温、耐压已经不能满足目前勘探开发要求。受现有核磁测井技术水平发展及核磁测井的本身原理所局限，仪器测速无法提高，核磁共振测井仪入井后连续工作时间长（通常达8-10 个小时以上），现有的核磁共振测井仪因为器件和设计原因达不到更高的温度性能，导致现有商业化仪器均无法满足高温高压井核磁共振测井作业的需求。

随着电子技术的飞速发展，出现了超高温低功耗器件、厚膜电路、PSOC 等新技术，为实现核磁共振测井仪器的高温化研制提供了有利条件；而核磁共振测井技术也正朝着提高仪器精度、测量速度和仪器耐温性能等方向发展。为了适应更加复杂恶劣的井下环境，必须提高核磁共振测井仪的测量精度和耐温性能。

2 国内外现状

在过去的20 年中，核磁共振测井仪器研究和应用一直是石油测井领域的热点和前沿领域，受到广泛的关注，已经成为衡量一个公司甚至一个国家测井技术水平的标志。国外三大油服公司一直致力于核磁共振测井技术的研发，不断提高其耐温性能和测量精度。功耗高、测试慢一直困扰着核磁共振仪器在超高温井中的应用，随着核磁共振理论方法和电子技术的不断发展，核磁共振测井仪器有了显著的进步，目前国外三大油田服务公司均具有代表性的核磁共振测井仪器。商业化具有代表性的仪器有Schlumberger 公司推出的MR Scanner Expert 仪器（最大耐温175℃），Baker Huges 公司推出的的MReX 仪器（最大耐温204℃），及Halliburtor 公司推的出MRIL-P 型核磁仪器（最大耐温177℃）。

近年以来，国内也进行了一些核磁共振测井技术的研究，中海油服油田技术研究院自主研制的核磁共振测井仪已成功应用于海内外，但受限于芯片耐温等级，其最大仪器耐温仅为150℃。考虑到高温芯片的价格极其昂贵，混合集成电路技术是一个不错的解决方案，为了进一步提高现有的核磁仪器温度性能，最关键的是将其主控电路实现高温化。

3 主控电路高温化设计

3.1 主控电路原理

主控电路相当于核磁共振测井仪的中枢神经，其主要功能是对上和对下的通讯以及辅助采集参数。它将地面软件和仪器的功能模块电路以总线的形式连接，实现命令和数据的交互。在仪器测井工作时，同样需要主控板对事件控制板下发所需的信息指令，包括时序信息，仪器参数等。此外，主控板还会将采集到的辅助参数信息和采集处理电路获得的回波信息上传给地面软件系统。该电路包含了通讯模块，辅助参数测量模块、板间通讯模块、对地面系统通讯模块等[3]。

3.2 SIP 以及MCM 技术

SiP 技术是使用半导体来创建包含多个IC 和无源元件的集成封装，从而创建紧凑且高性能的设备。MCM 技术是一种多芯片组件技术，它是将一块多层互连基板对裸芯片和其他元器件进行封装，用高度集成化的方式来制作高密度和高可靠性的微电子组件[4]。混合集成电路技术可利用薄膜混合集成、厚膜混合集成、低温共烧多层陶瓷基板（LTCC）、多芯片组装及系统集成技术等多个方面的优势，为高精端产品研发奠定可靠的基础。

3.3 高温化设计内容

为了满足在200℃以上高温环境下工作的要求，对主控电路引入多芯片组件（MCM）及系统级封装（SiP）等高级混合集成技术，并将主控SiP 模块按功能分为多个模块[5]，DSP 及存储器、FPGA 及配置电路、接口与驱动电路等，用于井上、井下通讯和控制。其原理设计框如图1 所示。

图1 主控SIP 模块原理设计框图

主控SiP 模块以DSP 为控制核心，具有以下特点：①主处理器采用TMS320F2812—HT，耐温210℃，工作频率30MHz；②SRAM 存储容量达8Mbit；③FPGA 规模100万门，可实现曼码通讯，用于地面调试（等效于ACTEL A3P1000）；④内置PROM 容量4Mbit；⑤2 路CAN 总线接口，最高码速率为1Mbps，兼容高温电缆测井仪器平台；⑥集成McBSP 接口驱动，兼容目前电缆测井仪器内部总线；⑦集成SPI 接口驱动，作为仪器内部总线；⑧扩展接口可用于控制温度与电压采集MCM 模块；⑨电源转换等功耗较大器件，不集成到SiP 中，防止器件局部发热影响高温稳定性；⑩晶振、复位电路不集成，保证模块的通用性能。

3.3.1 DSP 及扩展数据存储器

DSP 选用的是TI 公司的TMS320F2812—HT，实际耐温高达210℃，外部时钟30MHz。这款32 位的信号处理器支持多种运行模式，具有低功耗高信噪比的特点，其运行支持最高可达128kSPS 的位速率。并且内部资源非常丰富，包含256KB Flash 存储器，8KB 引导ROM，2KB OTP ROM 以及数字运算表等，另外还包括1 路CAN 接口，1 路McBSP，1 路SPI 接口，提高了系统集成密度。考虑到DSP的资源还包括外部接口XINTF，为了让模块有足够的数据运算空间，外部增加了2 片三星公司的4Mbit SRAM 存储器，可通过XINTF 接口访问。

3.3.2 FPGA 及配置存储器

目前，国产SRAM 型FPGA 在高温下电流增加较多，可靠性相对较差，为了防止FPGA 失效导致系统故障，在系统设计时弱化了FPGA 的功能，并且FPGA 与DSP 之间的接口通过LC164245 进行隔离，通过关闭FPGA 电源，可以实现FPGA 冷备份，在井下高温环境中不再使用。通过对曼码通信协议及代码分析，30 万门以上的FPGA 可以满足相应功能的要求。因此FPGA 选择ACTEL A3P1000 型。

3.3.3 与事件采集电路的接口设计

主控电路和事件采集电路之间的通信是通过DSP 的McBSP 模块完成，它是一种多通道缓冲串行口，时钟频率可达1Mhz。两者之间数据交互需要驱动芯片，这里选用TI公司的SN54HC244，功能够用，性价比高。另外根据信号传输的特性可知，长距离传输会导致时钟和信号的畸变，需要在驱动电路中增加一个电阻来平滑信号反射带来的影响，根据实际效果确定以1～2K 为宜。

3.3.4 参数采集MCM 模块的接口设计

温度与电压采集MCM 模块是实现电压监测，温度采集，辅助参量采集以及模数转换等功能[6]，它可对高温核磁共振测井仪状态进行监控和校正，设计一个16 路数据采集模块，采样频率10Hz，集成4 路恒流源和16 选1 选择器、16 位AD 转换器，实现储能高压检测和温度等辅助参量采集，由主控SiP 模块将地面发送的采集命令转发给温度电压采集模块，控制采集开关的通断来采集数据。

控制温度电压采集MCM 模块可以利用DSP 的GPIO，也可以利用DSP 的外部接口XINTF。本设计采用GPIO 控制温度电压采集MCM 模块，DB[15：0]为采集模块数据端口，AD_CHEN 是使能，CNSTA～CNSTD 为采样通道选择，CTRL_SW1/2 是控制恒流源开关，可以关闭恒流源降低模块功耗。

3.3.5 EDIB 接口设计

EDIB 总线接口是主控电路中的一个标准接口，它以DSP+FPGA 为架构，外部配置有收发器，另外需要耦合变压器对接地面系统。DSP 是整个接口的控制核心，它将FPGA 当做外设，编解码等繁琐工作主要在FPGA 内部执行，FPGA 可以利用其地址编解码的功能识别到该仪器的不同命令，同时还可以屏蔽其他无效的命令。具体表现为编码模块将FPGA 输出的信号通过逻辑电平变换传输给地面，而解码模块是将地面系统传输过来的双端信号变换成单端信号，最后进入FPGA 处理，这两个过程中变压器是对EDIB 接口和FPGA 之间进行隔离，起到保护作用[7]。EDIB 接口的控制部分由FPGA 实现，驱动部分包括变压器等器件不在模块内部集成。

3.3.6 SPI 接口设计

串行外围设备接口SPI 是一种同步串行总线，支持3线和4 线两种工作方式，它是一种高速全双工且同步的通信总线，芯片管脚只需四根线，设计SIP 模块时可以为PCB 的布局节省空间。它还支持在同一总线上连接多个主器件和从器件，主从器件均可使用，符合设计需求。从动传送使能信号SPISTEA 可以被配置为输入以择选从方式下的SPI，或在多主环境中禁止主器件方式操作，以避免两个以上主器件试图同时进行数据传输时产生冲突。SPISTEA 还可以被配置为主方式下的片选输出，或在3 线操作时被禁止。在主方式中可以用通用端口I/O 引脚选择多个从器件。另外，DSP 的SPI 接口通过MCP2515 扩展了一路CAN 接口，还通过SN54HC244 驱动引出，可以作为内部总线使用。

3.3.7 CAN 接口设计

模块具有2 路CAN 接口与驱动，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 芯片进行扩展。MCP2515 与DSP 的串行外设接口（SPI）直接相连，支持0，0 和1，1 运行模式。外部数据和命令通过SI 引脚传送到器件中，且数据在SCK 时钟信号的上升沿传送进去。MCP2515 在SCK 的下降沿通过SO 引脚传送出去。

3.3.8 差分驱动接口设计

为了提高信号传输正确性，主控电路中电流采集和电压采集的数据以差分信号传输为宜。选用DS26C31 芯片可将GPIO 输出的单端开关量转换为差分信号，且需要提供1 路5V 电源。

3.3.9 模块成品设计

根据主控电路原理，使用SiP 技术设计形成一款尺寸为45mm*45mm，引脚数为168 的陶瓷管壳封装模块，命名为LSGCU01HT，该模块是用陶瓷共烧技术将芯片的裸晶圆共烧在一块陶瓷基板上[8]，其表面焊接有SM320F2812-HT 和A3P1000 等12 种芯片的裸晶圆，以及多种0805 封装的电阻电容。实物图如图2 所示。

图2 高温SIP 系统级封装实物

3.4 高温实验

完成主控SIP 模块的设计和加工后，将其安装在测试裸板上，焊接电源和信号引出线，对其高温性能进行摸底测试，利用定时器设置固定时间10us，频率为500kHz 触发产生曼码往上发送，并同时对IO 口产生方波信号，实验方案结构框图如图3 所示，图中设立了3 个不同的监测点位。①方波测试点：DSP 利用定时器固定事件产生方波，如果该测试点输出不正常，则可断定DSP 工作异常。②曼码测试点1：是指DSP 下发数据给FPGA，FPGA 进行编码发出去，在FPGA 的IO 检测曼码是否从FPGA 中发出来。③曼码测试点2：是检测经过变压器的曼码，看曼码从主控板上发出去，主控板中有三路曼码信号，测试的时候任选一组作为测试点。

图3 主控SIP 模块实验模型

将该模块总共工作11 个小时，温度从常温25℃上升到205℃，并且在205℃正常工作6 小时，其电源变化均在合理范围之内变化，未出现过流现象。（表1）

表1 不同温度下模块供电电压电流变化情况

4 总结

主控电路是高温核磁仪器中的核心功能模块，它采用耐高温混合集成工艺将电路中的数字控制逻辑电路以及驱动电路封装在一个模块内，最高可在205℃的环境温度下工作，实现了高温化的跨越，并且电路接口性能兼容高温电缆测井平台的规格和通信接口要求，可以在其他高温电缆测井仪器中使用。这种方式将为更多的石油测井类仪器提供高温化参考，以此作为突破口，将对高温油气田的勘探起到极大的促进作用。