0 引言

　　脈沖中子氧活化測(cè)井水流儀地面系統(tǒng)的主要功能：

　　接收井下儀器上傳的信號(hào)，解析數(shù)據(jù)并上傳至上位機(jī)；同時(shí)，接收上位機(jī)下發(fā)指令，并發(fā)送給井下儀器。本文是對(duì)傳統(tǒng)氧活化測(cè)井儀地面系統(tǒng)的改進(jìn)，該系統(tǒng)提供ISA 總線接口規(guī)范，可實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)的快速配接，若用戶需要完成不同系列儀器配接時(shí)，只需要在前面板盤(pán)模組處更換相應(yīng)的板卡和相應(yīng)的軟件界面。即可實(shí)現(xiàn)不同儀器的配接。

　　1 脈沖氧活化測(cè)井原理

　　脈沖氧活化測(cè)井是一種測(cè)量水流速度的方法。由雙脈沖熱中子衰減時(shí)間測(cè)井技術(shù)發(fā)展起來(lái)的動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)，其核心是用高能脈沖中子激活氧原子并引發(fā)多種核反應(yīng)，其一為氧活化反應(yīng)。激發(fā)態(tài)下的氧原子釋放出高能伽馬射線，通過(guò)探測(cè)伽馬射線時(shí)間譜，來(lái)反映油管內(nèi)、油管/套管環(huán)型空間、以及套管外含氧物質(zhì)特別是水的流動(dòng)狀況。根據(jù)儀器源距就可計(jì)算出水流速度，在管徑已知且不變的條件下，可以計(jì)算出水流流量。可用于檢查射孔井段封堵、半段井下工具位置、檢查配注井漏點(diǎn)位置、檢查井下工具工作狀況和套管竄槽位置等。脈沖中子氧活化測(cè)井儀結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。

　　脈沖中子氧活化測(cè)井儀地面系統(tǒng)，主要是對(duì)井下中子管的工作狀態(tài)進(jìn)行控制，以得到合適的中子發(fā)射周期和中子產(chǎn)額。為此需要控制的參數(shù)有陽(yáng)極脈沖的時(shí)序、燈絲電壓的幅度、靶壓的幅度等。需要監(jiān)測(cè)的信號(hào)有儀器纜頭電壓、燈絲電流、靶壓幅度、四個(gè)探測(cè)器的計(jì)數(shù)等。

　　2 系統(tǒng)硬件

　　氧活化測(cè)井地面系統(tǒng)主要由地面系統(tǒng)控制電路和ISA總線控制電路兩部分構(gòu)成。

　　2.1 地面系統(tǒng)控制電路

　　地面系統(tǒng)與井下儀器通過(guò)電纜實(shí)現(xiàn)雙向通信，地面系統(tǒng)由信號(hào)接收和下發(fā)命令兩個(gè)模塊構(gòu)成，通過(guò)主單片機(jī)和次單片機(jī)的基本系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、總線收發(fā)、上傳信號(hào)前端處理以及下發(fā)命令后端處理等電路實(shí)現(xiàn)。其中，主單片機(jī)主要用于數(shù)據(jù)處理、指令下發(fā)與上位機(jī)通信等控制操作，而次單片機(jī)用于幀同步校驗(yàn)及顯示。主單片機(jī)以50 ms的幀周期工作，通過(guò)片內(nèi)通信D0~D3,FR（幀同步），SYNC1（字節(jié)同步）與次單片機(jī)通信，得到溫度、壓力、節(jié)箍、自然伽馬、Iw等上傳的數(shù)據(jù)值，并通過(guò)電路調(diào)解出的PCM命令并對(duì)其命令解釋?zhuān)瑢⒂行У臄?shù)據(jù)上傳至上位機(jī)進(jìn)行下一步處理；同時(shí)，將上位機(jī)所下發(fā)的命令以PCM方式編碼并輸出A（正脈沖）、B（負(fù)脈沖）信號(hào)，將該信號(hào)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路送至電纜，并下發(fā)給井下儀器。

　　井下儀器上傳信號(hào)經(jīng)過(guò)變壓器T3-T4端口接收，為了消除電纜電荷的積累，所有的脈沖信號(hào)均隔一個(gè)正脈沖和一個(gè)負(fù)脈沖發(fā)出，因此，接收到的脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波、整流電路后，得到正脈沖。前端處理電路如圖2所示，其工作原理如下：首先，對(duì)該正脈沖進(jìn)行信號(hào)放大處理。其次，由于傳輸過(guò)程中的干擾，使得上傳信號(hào)產(chǎn)生畸形，因此，需對(duì)其進(jìn)行脈沖信號(hào)整形。為了恢復(fù)信號(hào)的幅度，需要將放大的信號(hào)進(jìn)行電壓比較，通過(guò)調(diào)節(jié)電位器消除傳輸過(guò)程中帶來(lái)的畸形脈沖，從而得到與上傳信號(hào)一致的脈沖序列。再次，將該脈沖經(jīng)過(guò)74LS221脈沖整形電路，根據(jù)外圍器件RC參數(shù)從而恢復(fù)脈沖信號(hào)的脈寬。經(jīng)過(guò)前端處理電路處理過(guò)的信號(hào)SIGD,通過(guò)串口線發(fā)送給上位機(jī)進(jìn)行軟件校對(duì)、數(shù)據(jù)采集等工作。

　　同時(shí)，上傳信號(hào)SIGD 作為主單片機(jī)INT1 的觸發(fā)脈沖，配合T0調(diào)用中斷命令，并將上傳的數(shù)據(jù)通過(guò)鎖存器存入雙端口RAM中。

　　后端處理電路工作原理如下：上位機(jī)下發(fā)的執(zhí)行命令由ISA 總線傳輸給總線收發(fā)器，通過(guò)控制總線收發(fā)器，可將執(zhí)行命令存入雙端口RAM中，等待主單片機(jī)的R-D- 信號(hào)將執(zhí)行命令送至主單片機(jī)進(jìn)行操作。與此同時(shí)，下發(fā)命令通過(guò)從單片機(jī)進(jìn)行校驗(yàn)，信號(hào)從其P1端口發(fā)出，經(jīng)過(guò)DIP 開(kāi)關(guān)整合得到復(fù)合命令（CM+CMT），將此復(fù)合命令送至主單片機(jī)的P2.6 和P2.7 口。其中，主單片機(jī)的P1.0和P1.1端口分別作為定時(shí)計(jì)數(shù)器T2的外部計(jì)數(shù)器和外部控制器，對(duì)外發(fā)送執(zhí)行命令。為了降低傳輸功耗，下發(fā)命令以正負(fù)脈沖A、B 的形式發(fā)出。該A、B 脈沖信號(hào)經(jīng)限幅、電平轉(zhuǎn)換電路得到TTL脈沖，并在驅(qū)動(dòng)電路的作用下，由變壓器的T5-T6-T8 端口發(fā)送給井下儀器執(zhí)行命令。下發(fā)命令后端處理電路原理圖，如圖3所示。

　　2.2 ISA總線控制電路

　　氧活化測(cè)井儀地面系統(tǒng)的系統(tǒng)總線采用ISA 總線實(shí)現(xiàn)，地面系統(tǒng)與上位機(jī)之間通過(guò)ISA總線交換數(shù)據(jù)的實(shí)現(xiàn)方法為共用單片機(jī)系統(tǒng)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器與靜態(tài)數(shù)據(jù)傳送相結(jié)合的方法。