基于FPGA的測井系統(tǒng)模擬儀器設(shè)計(jì)

李 敏

（中海油田服務(wù)股份有限公司 北京）

0 引言

在成像測井系統(tǒng)的研制過程中，地面系統(tǒng)的檢測通常需要掛接井下儀器才能進(jìn)行，一旦檢測出現(xiàn)問題，往往不能很快判斷出是地面系統(tǒng)還是井下儀器出現(xiàn)的問題，通常需要更換地面系統(tǒng)或是井下儀器來進(jìn)一步檢測。地面系統(tǒng)軟件的調(diào)試，同樣需要掛接相應(yīng)的井下儀器才能進(jìn)行，軟件開發(fā)人員只能在測井或試驗(yàn)現(xiàn)場才能進(jìn)行調(diào)試。因此，設(shè)計(jì)了一套能夠模擬各種井下儀器的裝置，用于地面系統(tǒng)的檢測及科研調(diào)試。

1 原理

模擬儀器可以接收地面系統(tǒng)發(fā)送的采集命令，經(jīng)過放大和整形，恢復(fù)出命令的曼徹斯特碼波形，然后進(jìn)入fpga進(jìn)行解碼，解析出命令，MCU收到命令后，根據(jù)命令包含的儀器地址和subset編號(hào)，從Flash存儲(chǔ)器中讀取儀器的數(shù)據(jù)，通過FPGA產(chǎn)生曼徹斯特編碼，驅(qū)動(dòng)后送回到地面系統(tǒng)[1]。

地面系統(tǒng)的采集命令由兩個(gè)字節(jié)組成。高8位表示儀器地址，低8位表示采集命令。因此模擬不同的儀器，實(shí)際上就是要能響應(yīng)不同儀器地址的采集命令，并返回相應(yīng)的數(shù)據(jù)。對采集命令的分析和處理都是在MCU內(nèi)部完成的，各種儀器的數(shù)據(jù)預(yù)先存放在MCU的Flash存儲(chǔ)器中。

2 系統(tǒng)硬件組成

模擬儀器系統(tǒng)的硬件由以下部分組成：隔離變壓器板、命令和數(shù)據(jù)整形驅(qū)動(dòng)電路、FPGA、MCU以及Flash，分成了兩塊電路板：信號(hào)調(diào)理和驅(qū)動(dòng)板、CPU板，如圖1所示。

圖1 模擬儀器系統(tǒng)的硬件

系統(tǒng)的電源采用一個(gè)成熟的開關(guān)電源，輸入范圍80-240VAC，既可以適應(yīng)測井托撬使用的110VAC，又可以適應(yīng)實(shí)驗(yàn)室的220VAC；電源輸出＋5 V，通過CPU板的電源電路，產(chǎn)生＋3.3 V和＋1.5 V，分別供給MCU和FPGA。電源輸出的＋12 V和－12 V，用于信號(hào)調(diào)理板的模擬電路部分。

隔離變壓器板主要由3個(gè)用于電纜通訊的隔離變壓器組成，完成信號(hào)的隔離和電纜復(fù)用。整形驅(qū)動(dòng)電路，主要完成對采集命令和數(shù)據(jù)波形的調(diào)理，包括程控增益放大、均衡濾波、以及電流驅(qū)動(dòng)等。

CPU板主要包括FPGA和MCU以及外擴(kuò)的Flash存儲(chǔ)器。FPGA完成曼徹斯特編解碼功能，作為MCU的外設(shè)掛在MCU的外部總線上[2]。FPGA選用Alter公司Cyclone系列的EP1C6T144[3]。MCU選擇Silabs的C8051F340單片機(jī)[4]。

cyclone EP1C6是Altera推出的一款高性價(jià)比FPGA，工作電壓3.3 V，內(nèi)核電壓1.5 V。采用0.13m工藝技術(shù)，全銅SRAM工藝，其密度為5980個(gè)邏輯單元，包含20個(gè)128×36位的RAM塊（M4K模塊），總的RAM空間達(dá)到92160位。

C8051F340是Silabs推出的一款增強(qiáng)型51內(nèi)核的單片機(jī)，其指令集與MCS-51完全兼容，具有標(biāo)準(zhǔn)8051的組織架構(gòu)，可以使用標(biāo)準(zhǔn)的51匯編或者C編譯器進(jìn)行軟件開發(fā)。其指令執(zhí)行速度是標(biāo)準(zhǔn)8051指令執(zhí)行速度的12倍；其峰值執(zhí)行速度可達(dá)100MIPS（C8051F120等），是目前世界上速度最快的8位單片機(jī)。而且集成了JTAG接口，便于開發(fā)和調(diào)試。

F340單片機(jī)具有外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器接口，8位數(shù)據(jù)總線寬度，16位地址總線。所以FPGA可以作為MCU的外設(shè)，掛在外部執(zhí)行接口上。

由于F340單片機(jī)帶有64KB的Flash，以及4KB的片上RAM，再利用FPGA的內(nèi)部RAM模塊，就可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，而不需要擴(kuò)展外部存儲(chǔ)。

MCU的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)地址范圍從0x0000-0xffff。其中0x0000-0x0fff為片上RAM，F(xiàn)PGA映射到MCU的外部地址范圍從0x8000開始，實(shí)現(xiàn)5個(gè)寄存器，分別是命令寄存器、M2/M5/M7數(shù)據(jù)寄存器、狀態(tài)寄存器。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括兩個(gè)部分，MCU和FPGA的軟件設(shè)計(jì)。FPGA使用QuartusII作為編程環(huán)境，采Verilog語言編程[5]。MCU的編程采用Silabs提供的SiliconLaboratoriesIDE開發(fā)環(huán)境，結(jié)合KeilC編譯器。下面分別介紹軟件設(shè)計(jì)流程。

3.1 FPGA的軟件編程

FPGA編程在QuartusII開發(fā)環(huán)境下，同樣采用自頂向下的設(shè)計(jì)。頂層文件采用原理圖實(shí)現(xiàn)，進(jìn)行功能模塊的劃分和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，各功能模塊內(nèi)部采用Verilog語言實(shí)現(xiàn)。FPGA實(shí)現(xiàn)的功能模塊主要有MCU接口模塊、命令解碼模塊、數(shù)據(jù)編碼模塊和中斷控制模塊。

（1）MCU的接口模塊，通過MCU的地址譯碼得出不同的寄存器，進(jìn)行功能控制。

（2）命令解碼模塊，接收整形后的曼碼，進(jìn)行解碼，解碼后的命令，送給MCU進(jìn)行處理。

（3）數(shù)據(jù)編碼模塊，接收MCU的數(shù)據(jù)，進(jìn)行曼碼編碼。經(jīng)過驅(qū)動(dòng)后，數(shù)據(jù)傳到地面系統(tǒng)。

（4）中斷控制模塊，對多個(gè)中斷源進(jìn)行仲裁控制，實(shí)現(xiàn)中斷復(fù)用。

3.2 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)的程序采用C語言開發(fā)，主要功能分為幾部分：響應(yīng)FPGA產(chǎn)生的采集命令中斷；向FPGA寫發(fā)送數(shù)據(jù)。FPGA每發(fā)送完成一個(gè)數(shù)據(jù)后，產(chǎn)生中斷給MCU，MCU判斷發(fā)送的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)是否小于期望值，如果小于，繼續(xù)向FPGA寫入數(shù)據(jù)，否則，關(guān)閉停止發(fā)送。

4 結(jié)論

本系統(tǒng)基于FPGA和MCU結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了成像測井系統(tǒng)的模擬儀器，通過電纜與測井地面系統(tǒng)連接，可以檢測通訊狀態(tài)。目前模擬的儀器功能有，能譜儀器、密度儀器、側(cè)向儀器等常規(guī)儀器，還有聲波等高端儀器。通過工程實(shí)踐證明，本系統(tǒng)為地面系統(tǒng)的測試和檢修提供了有效而可靠的手段。而且通過檢測軟件界面的波形，為地面軟件的調(diào)試提供支持。

[1]馬 虹，法 林.測井電纜遙測系統(tǒng)信號(hào)模擬器的設(shè)計(jì)[J].石油儀器，1998，12（6）

[2]趙紅梅，米啟超.基于DSP與FPGA的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算信息（嵌入式與SOC），2007，23（9-2）

[3]Cyclone Device Handbook，Altera，2005（資料）

[4]C8051F340 datasheet Sillicon Laboratories，2009（資料）

[5]夏宇聞.Verilog數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008