雙頻感應(yīng)井下儀器的通信及控制設(shè)計(jì)

馬彥宇，師奕兵，李焱駿

（電子科技大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院，四川 成都 611731）

1 引 言

雙頻感應(yīng)測井是一種通過獲得地層介電常數(shù)和電導(dǎo)率來得知地層結(jié)構(gòu)特征的測井方法。由于井下高溫高壓環(huán)境對儀器控制和通信要求穩(wěn)定性極高，測井儀器的井下控制、檢測流程較為復(fù)雜，國內(nèi)至今還沒有開發(fā)出實(shí)用的雙頻感應(yīng)測井儀。該文主要闡述雙頻感應(yīng)測井儀的通信與控制電路部分的設(shè)計(jì)，根據(jù)實(shí)際的測井作業(yè)需求，提出了一種以200ms為一控制幀的時(shí)序控制，以及幅相數(shù)據(jù)接收和上位機(jī)通信的實(shí)驗(yàn)方案，在實(shí)際應(yīng)用中有效平衡了現(xiàn)場測井時(shí)效、地層采集分辨率和大數(shù)據(jù)量通信傳輸之間的固有矛盾。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

作為雙頻感應(yīng)測井儀的井下通信與控制核心，所有地面發(fā)送到儀器的指令以及來自儀器的響應(yīng)均通過該電路進(jìn)行處理、控制。經(jīng)測井專用EDIB總線接收地面系統(tǒng)上位機(jī)命令，并通過同步串口通信方式控制與協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)處理模塊、采集模塊、發(fā)射模塊和溫度電壓采集控制模塊等，利用串行方式分別接收幅相數(shù)據(jù)和發(fā)射板的狀態(tài)信息。同時(shí)采集儀器各種輔助數(shù)據(jù)，處理和編碼后上傳地面系統(tǒng)。FPGA中的主要設(shè)計(jì)包括：80C186XL的外圍控制邏輯電路；與ELIS地面控制系統(tǒng)通信的全雙工雙向異步通信串口；Manchester編碼解碼器，與HD6408和HD6409芯片兼容；與DSP板通信的1Mb/s全雙工雙向同步通信串口；電壓溫度測量模塊控制邏輯；時(shí)鐘發(fā)生邏輯電路以及其他控制邏輯電路。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器由兩片HM628128芯片組成，存儲(chǔ)容量是256KB，它是CMOS靜態(tài)RAM，具有高速、低功耗和單5V供電的特點(diǎn)。程序存儲(chǔ)器由兩片27C256組成，它是UV EPROM，可通過編程器多次編程，其非易失數(shù)據(jù)內(nèi)容可用紫外線擦除，存儲(chǔ)容量是64KB。復(fù)位電路主要由專用μP復(fù)位管理芯片MAX705組成，它具有上電復(fù)位和WATCHDOG功能。

在ELIS測井系統(tǒng)中，所有井下儀器包括DIFT井下儀器都處于被動(dòng)受控制的地位，即井下儀器的所有工作狀態(tài)由地面系統(tǒng)來確定。地面系統(tǒng)按照一定的時(shí)序，通過一系列指令來控制所有井下儀器。不同的井下儀器以儀器地址來區(qū)分，每種井下儀器的地址都是唯一的。DIFT井下儀器的儀器地址是0XC3。ELIS地面系統(tǒng)將指令發(fā)送給CPU控制板后，CPU控制板對所接收到的攜帶本地儀器地址的指令進(jìn)行指令譯碼，指令的格式及含義在指令協(xié)議中必須有明確的約定。對于DIFT井下儀器來說，最重要的指令是相位差幅度比數(shù)據(jù)采集（ACQUIRE）和相位差幅度比數(shù)據(jù)發(fā)送（SEND）這兩條指令。當(dāng)CPU控制板接收到ACQUIRE指令后，首先對向DDS板發(fā)送采集指令，然后等待DSP板將采集到的數(shù)據(jù)通過1Mb/s同步串口傳至CPU板，F(xiàn)PGA對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，然后存至FPGA內(nèi)部RAM，當(dāng)接受到數(shù)據(jù)發(fā)送命令時(shí)，F(xiàn)PGA對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼上傳至地面控制系統(tǒng)。其硬件原理圖如圖1所示。

圖1 控制與通信電路結(jié)構(gòu)框圖

其工作原理如下：首先，在上電復(fù)位后等待上位機(jī)命令，當(dāng)上位機(jī)命令到達(dá)EDIB總線時(shí)由FPGA構(gòu)成的接收邏輯負(fù)責(zé)接收，通過曼碼解碼并自動(dòng)識別地址為0xC3XX（C3為儀器地址，XX為命令）的命令，把滿足條件的命令和參數(shù)通過中斷的形式傳送到CPU中；然后，CPU對命令進(jìn)行解析并通過FPGA分發(fā)處理相關(guān)命令。若為溫度電壓數(shù)據(jù)處理或采集的命令，則通過FPGA直接產(chǎn)生溫度電壓采集與控制信號；若為發(fā)射機(jī)的命令，則通過FPGA的同步串口發(fā)送給DDS，由DDS產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號給發(fā)射機(jī)和數(shù)據(jù)處理板，數(shù)據(jù)處理板再將處理過的幅度比和相位差數(shù)據(jù)通過同步串口傳給通信和控制板進(jìn)行曼碼編碼，在接到數(shù)據(jù)上傳指令時(shí)上傳給上位機(jī)，完成儀器的通信和控制。

2.1 EDIB 總線接口實(shí)現(xiàn)

EDIB是Elis Downhole Instruments Bus的簡稱，主要是用來實(shí)現(xiàn)井下儀器和地面系統(tǒng)上位機(jī)之間通信，即測井系統(tǒng)掛接井下儀器總線。這樣可以降低CPU控制板的功耗，提高CPU控制板的集成度，減小發(fā)熱量，簡化PCB板的布線。該總線采用主從結(jié)構(gòu)，總線從傳輸短節(jié)下端開始，所有儀器應(yīng)當(dāng)接到傳輸短節(jié)下面。它有4個(gè)傳輸通道，分別是Mode2下行通道、Mode2上行通道、Mode5上行通道和Mode7上行通道，所有通道都采用曼徹斯特碼，設(shè)計(jì)中只用到了Mode2下行通道和Mode5上行通道。

Mode2下行通道傳輸速率是20.883Kb/s，數(shù)據(jù)格式定義如下：3個(gè)同步起始位+16個(gè)數(shù)據(jù)幀位+1個(gè)奇校驗(yàn)位，整個(gè)數(shù)據(jù)幀的長度為20位。如果傳輸?shù)氖敲钭郑?個(gè)同步起始位的前1.5位為高電平，后1.5位為低電平；如果傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)字，3個(gè)同步起始位的前1.5位為低電平，后1.5位為高電平。在空閑狀態(tài)下，數(shù)據(jù)線保持為低電平。該通道用于上位機(jī)給井下儀器發(fā)送命令或參數(shù)。

Mode5上行通道傳輸速率是93.75Kb/s，數(shù)據(jù)格式都定義如下：8個(gè)數(shù)據(jù)0+3個(gè)同步起始位（前1.5位為高電平，后1.5位為低電平）+數(shù)據(jù)塊（N個(gè)16位數(shù)據(jù)字），在空閑狀態(tài)數(shù)據(jù)線保持為高電平。在雙頻測井儀中，Mode5主要用來給上位機(jī)發(fā)送幅相數(shù)據(jù)。

2.2 串行數(shù)據(jù)發(fā)送與接收

單向的同步串行通信接口在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中就需要數(shù)據(jù)線、幀同步和數(shù)據(jù)時(shí)鐘3條線路。由于同步串行通信在數(shù)據(jù)傳輸過程中使用了幀同步和數(shù)據(jù)時(shí)鐘，它的通信效率較高，數(shù)據(jù)塊也可以比較長，在一個(gè)幀同步內(nèi)可以都是有效的數(shù)據(jù)位，而不需要起始位、停止位以及奇偶校驗(yàn)位。

在DIFT井下儀器CPU控制板中，其1Mb/s同步串口數(shù)據(jù)發(fā)送模塊和數(shù)據(jù)接收模塊是相互獨(dú)立的模塊。與DDS數(shù)據(jù)處理板通信的1Mb/s同步串行通信接口的數(shù)據(jù)發(fā)送模塊主要由同步數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)機(jī)、數(shù)據(jù)暫存寄存器、數(shù)據(jù)幀長度寄存器和數(shù)據(jù)發(fā)送控制寄存器組成。這些寄存器的地址是定義在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的空間中。1Mb/s同步串口發(fā)送模塊在空閑狀態(tài)下幀同步線路保持高電平，數(shù)據(jù)線路保持低電平或高電平，數(shù)據(jù)時(shí)鐘線路上一直有數(shù)據(jù)時(shí)鐘存在，主要作用是配合DDS數(shù)據(jù)處理板的DSP芯片中同步串口的時(shí)鐘同步功能。1 Mb/s同步串口發(fā)送模塊FPGA時(shí)序仿真波形如圖2所示。

圖2 串行數(shù)據(jù)發(fā)送仿真波形圖

圖2中，DT為串行數(shù)據(jù)，TSCLK為串行數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)鐘，TFS為串行數(shù)據(jù)發(fā)送的門控信號，在門控信號為低電平時(shí)傳送數(shù)據(jù)有效。

1Mb/s同步串口接收模塊與發(fā)送模塊是相反的兩個(gè)工作過程。這里需要注意的是，在外圍電路使用了74HC14帶施密特觸發(fā)電路的反相器，其作用是對輸入波形進(jìn)行整形，因此輸入波形是反相的，在FPGA內(nèi)部使用反相器將時(shí)鐘信號、數(shù)據(jù)和幀同步還原。所以，看到在數(shù)據(jù)接收寄存器中的內(nèi)容和數(shù)據(jù)波形是反相的關(guān)系。

CPU主控板與DSP通信數(shù)據(jù)量不大，只有6個(gè)16位數(shù)。所以，在設(shè)計(jì)中將進(jìn)行過數(shù)據(jù)處理的幅度比和相位差數(shù)據(jù)整體打包傳送，數(shù)據(jù)長度為96位。這樣既節(jié)省了數(shù)據(jù)通信的時(shí)間，也可以有效降低誤碼率。圖3為串行數(shù)據(jù)接收模塊仿真波形圖。

圖3 串行數(shù)據(jù)接收仿真波形圖

96位串行數(shù)據(jù)在FPGA中經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換后，以96位并行數(shù)據(jù)的形式暫存在FPGA的寄存器中，同時(shí)產(chǎn)生數(shù)據(jù)有效信號dsp_data_valid。當(dāng)兩塊數(shù)據(jù)處理板數(shù)據(jù)都完成串并轉(zhuǎn)換后，產(chǎn)生一個(gè)中斷信號給CPU，通知CPU將處理好的數(shù)據(jù)讀走，完成數(shù)據(jù)處理板和通信控制板的通信。

2.3 曼切斯特編解碼

在石油測井這樣的高溫、高壓和高震動(dòng)環(huán)境中，井下測井儀和上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信一般采用曼徹斯特碼，一方面可以減小干擾增加數(shù)據(jù)通信的穩(wěn)定性，另一方面由于使用跳變沿來識別信號，可以減少電荷的累積。圖4為曼徹斯特碼和非歸零碼之間的對應(yīng)關(guān)系。

圖4 曼徹斯特碼和非歸零碼對照圖

上位機(jī)發(fā)送到主控板的命令和參數(shù)都是以曼徹斯特碼形式發(fā)送的，在FPGA中先要把它轉(zhuǎn)換成非歸零碼，然后再由DSP讀取，而主控板發(fā)送給上位機(jī)的成像數(shù)據(jù)或輔助數(shù)據(jù)也是以曼徹斯特碼發(fā)送的。

2.4 溫度電壓數(shù)據(jù)采集和控制

輔助數(shù)據(jù)的采集和控制都是由FPGA來實(shí)現(xiàn)的，這些輔助數(shù)據(jù)都是用來監(jiān)測儀器的工作電壓和環(huán)境溫度變化的。FPGA啟動(dòng)輔助數(shù)據(jù)采集后，首先初始化ADC，初始化完畢給ADC一個(gè)轉(zhuǎn)換開始信號（CNVSTART），然后ADC狀態(tài)信號BUSY為高，表示ADC正在模數(shù)轉(zhuǎn)換，等轉(zhuǎn)換完成，BUSY自動(dòng)變?yōu)榈碗娖?，最后FPGA中的ADC模塊給出讀取串行數(shù)據(jù)的8個(gè)時(shí)鐘，ADC模塊把串行數(shù)據(jù)變成8位的并行數(shù)據(jù)，這就實(shí)現(xiàn)了一個(gè)輔助數(shù)據(jù)字的采集。圖5為溫度電壓數(shù)據(jù)采集和控制的仿真波形圖。

圖5 溫度電壓數(shù)據(jù)采集和控制仿真波形圖

其中，有3塊溫度電壓采集板同時(shí)工作，當(dāng)3塊采集板的數(shù)據(jù)采集完畢后，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷信號給CPU，通知CPU將數(shù)據(jù)讀進(jìn)，從而完成溫度電壓采集板和通信控制板的通信。

3 軟件總體設(shè)計(jì)流程

圖6 通信控制板軟件流程圖

通信控制板軟件的流程圖如圖6所示。其具體工作流程如下：通信控制板上電初始化，等待接收地面系統(tǒng)指令；當(dāng)接收地面系統(tǒng)命令中斷，進(jìn)入命令解釋程序；接收到采集指令后啟動(dòng)該周期的采集，由CPU將命令字發(fā)送到FPGA做并串轉(zhuǎn)換，并通過FPGA的1Mb/s同步串口傳給DDS，DDS接到命令字后產(chǎn)生相應(yīng)控制信號控制數(shù)據(jù)采集板工作，數(shù)據(jù)處理板完成數(shù)據(jù)采集處理后向CPU發(fā)送數(shù)據(jù)接收中斷信號，CPU接收到中斷信號后將數(shù)據(jù)讀進(jìn)RAM，并按通信協(xié)議規(guī)定的格式儲(chǔ)存；一旦收到地面系統(tǒng)上傳數(shù)據(jù)指令立刻啟動(dòng)上傳，把上周期的波形數(shù)據(jù)通過M5方式送到地面系統(tǒng)。

4 測試結(jié)果

雙頻感應(yīng)測井儀器需要工作在井下高溫高壓惡劣環(huán)境下，因此在電路設(shè)計(jì)、PCB板材選用、芯片選型時(shí)都有耐溫、散熱等考慮。當(dāng)儀器功能驗(yàn)證通過后，還需要在井場實(shí)際作業(yè)環(huán)境下進(jìn)一步驗(yàn)證儀器的穩(wěn)定性和可靠性。在燕郊中海油服實(shí)驗(yàn)井中進(jìn)行實(shí)際下井實(shí)驗(yàn)，表1為實(shí)際下井的部分?jǐn)?shù)據(jù)。

表1 實(shí)驗(yàn)井測井?dāng)?shù)據(jù)

試驗(yàn)表明，雙頻感應(yīng)測井儀器在高溫高壓的環(huán)境下通信正常，工作穩(wěn)定，完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。實(shí)驗(yàn)后對測井完整數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，繪出實(shí)際波形圖，如圖7所示。

圖7 實(shí)驗(yàn)井實(shí)測波形圖

從實(shí)時(shí)測得波形圖中可以看出主控板和地面系統(tǒng)通信穩(wěn)定，時(shí)差提取精度、儀器重復(fù)性均達(dá)到儀器設(shè)計(jì)指標(biāo)，與國外儀器在該試驗(yàn)井中測量數(shù)據(jù)具有很好的一致性。

5 結(jié)束語

針對實(shí)際測井高溫高震動(dòng)的環(huán)境特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于“CPU+FPGA”的控制與通信電路。試驗(yàn)結(jié)果表明，該電路能夠?qū)Τ上駵y井儀進(jìn)行可靠的控制，能夠?qū)崿F(xiàn)井下主控板和上位機(jī)之間穩(wěn)定通信，時(shí)差提取精度、儀器重復(fù)性均達(dá)到儀器設(shè)計(jì)指標(biāo)，與國外儀器在該試驗(yàn)井中測量數(shù)據(jù)具有很好的一致性，完全能夠滿足實(shí)際作業(yè)生產(chǎn)的需要。

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