二维核磁共振测井仪主控系统设计与实现.pdf

华中科技大学硕士学位论文
摘要
二维核磁共振测井是在保留传统一维核磁共振测井原有应用的基础上,发展起来
的一种先进测井技术。与一维核磁共振测井相比,二维核磁共振测井将孔隙流体中氢
核数分布从单一T2 驰豫变量拓展到二维核磁共振的两个变量,充分利用了核磁共振观
测的信息,提高了仪器辨识流体的准确性和直观程度,打破了一维核磁共振测井的局
限性。其中主控系统作为整支仪器的核心,该部分设计的好坏决定了二维核磁共振测
井仪的工作性能。
本文从二维核磁共振测井原理入手,分析了主控系统在整支测井仪器中的作用,
进而根据功能需求对主控系统硬件和软件两方面进行了详细的论述和设计。系统硬件
设计部分,以数字信号处理器(DSP)和现场可编程门阵列(FPGA)为控制电路核心,
共分为 CAN 通讯模块、射频信号产生模块、数据采集模块、时序控制模块四大部分。
CAN 通讯模块负责完成与遥传短节的 CAN 通讯任务;射频信号产生模块,采用直接
数字频率合成(DDS)芯片,实现两路频率和相位精确可调的正弦信号的发射;数据
采集模块实现了对模拟回波信号向数字量的转换;时序控制模块,用于产生抗噪能力
强的差分时序控制信号。系统软件设计部分,分析了主控系统程序的工作流程,通过
FPGA 生成了灵活可调的控制时序,并详细论证了同步采集时钟的产生方案。除此之
外,在 DSP 中实现了基于累加平均的数字相敏检波算法(DPSD),该算法具有计算量
小、误差低等优点。针对仪器数据交互的需求,论文制定了核磁共振测井仪专用的 CAN
通讯协议,保证数据能够准确、高速、可靠的传输,满足大数据量传输的需求。
最后通过测井、扫频、主刻度三种工作模式的电路实验数据和结果,验证了本文
所设计的主控系统已基本满足核磁共振测井仪的工作需求。目前,装有本文所设计主
控系统的核磁共振测井仪已经成功在标准实验井测井成功。

关键词:二维核磁共振测井主控系统数字相敏检波 CAN 总线直接数字频率合成

I
华中科技大学硕士学位论文
Abstract
Two-dimensional nuclear ic resonance (2D NMR) logging is an advanced
technique in formation evaluation without loss the merits of one-dimensional NMR logging.
2D NMR logging will perform superior to 1D NMR logging in accuracy because it gets
more information than T2 distribution. And the performance of the 2D NMR logging
instrument depends on the design of the main control system for it is the core part of the
whole too.
The hardware and software design of the main control system is discussed in detail in
this paper based on the analysis of the 2D NMR logging principle and the main board’s
function in the apparatus. The system is implemented mainly by Digital Signal Processor
(DSP) and Field Programmable Gate Array (FPGA) and could be divided into 4 parts: CAN
communication, RF signal generator, data capture and sequence control. The CAN
communication module translates data between the main board and puter. A Direct
Digital Synthesis (DDS) chip is adopted in the RF signal generator module to create two
orthogonal sine signals whose phases are programmable. Signal