閆晶紅
(大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院鉆井工藝研究所,黑龍江大慶163000)
水平井以其遠高于直井的油氣產(chǎn)量等特性逐步地取代直井成為當(dāng)今最常用的鉆井作業(yè)開發(fā)技術(shù)之一,它可以為石油公司帶來高額的回報率。在水平井鉆井技術(shù)當(dāng)中,底層地質(zhì)參數(shù)的隨鉆測量數(shù)據(jù)尤為重要,而隨鉆地層電阻率測量正是地層參數(shù)評價的重中之重。因為這個原因,隨鉆地層電阻率評價系統(tǒng)已經(jīng)成為石油鉆井行業(yè)的主要設(shè)備。而隨鉆地層電阻率評價系統(tǒng)的控制中樞,是其中的主控電路。主控電路中,數(shù)字信號處理模塊用于數(shù)字信號的處理運算。當(dāng)今數(shù)字電路處理技術(shù)領(lǐng)域中,DSP技術(shù)以其獨到的優(yōu)勢成為應(yīng)用最廣泛的核心技術(shù)之一,與其他的技術(shù)方案相比,DSP在需要實時處理大量數(shù)字信息的場合中是最佳的選擇。
DSP(Digital Signal Processing)工藝的核心就是數(shù)字信號處理,它是通過單片機或其他通用的芯片設(shè)備,在芯片中,以數(shù)字信號的形式對信號進行采集、轉(zhuǎn)換、過濾、估值、增益、壓縮、識別等處理,最終得到所需要的信號強度及波形。
DSP芯片比其他類型的微處理器所具有優(yōu)勢的一點是,其對數(shù)字信號的處理速度快,而且及時性強于其他芯片。
DSP芯片相對于其他種類芯片來說,一般具有如下主要優(yōu)點:
(1)可以進行加法運算和乘法運算,并且這2種運算可以在一個運算周期內(nèi)完成。
(2)有獨立的指令存儲單元和程序存儲單元,在訪問指令的同時也能訪問程序。
(3)通過數(shù)據(jù)總線,可以快速地訪問RAM和ROM??偩€訪問速度快,響應(yīng)速度快,同時性好。
(4)具有低消耗或無消耗的循環(huán)及指令轉(zhuǎn)移訪問地址的硬件支持。
(5)輸出訪問速度快,及時終止指令能力強。
(6)通過總線可以隨機分配物理地址,在一個命令周期內(nèi),將各地址賦值給需要操作的各個模塊單元。
(7)總線支持并行處理多個任務(wù)。
(8)支持指令按順序操作,可以使讀取指令、編譯指令和完成指令等一系列操作同時進行。
DSP芯片在進行數(shù)據(jù)處理時,使用的模型是哈佛結(jié)構(gòu)(如圖1所示),相對于其他通用處理方法,如馮諾依曼結(jié)構(gòu)(圖2),它更先進的地方是可以將指令集和運算中所需要存儲的中間數(shù)據(jù)分別存儲在ROM和RAM中,同時可以給每個存儲器獨立的訪問地址。總線的設(shè)計可以讓整套系統(tǒng)運算效率提高,在訪問指令集和數(shù)據(jù)存儲器的時候可以同時進行,這樣運算速度以及其數(shù)據(jù)交換量大大提高。
目前世界上能生產(chǎn)芯片的公司眾多,其中能生產(chǎn)DSP芯片的公司主要有4家,他們分別是Texas Instru?ments公司(德州儀器)、Analog Devices公司(美國模擬器件)、Technologics(朗訊技術(shù))公司和Motorola(摩托羅拉)公司4大公司。本文中選用的是美國模擬器件公司的ADSP2111芯片以及TMS2000芯片。以此作為電阻率測量短節(jié)主控電路板的數(shù)字信號處理器。
ADSP2111芯片的主要特點是采用了哈佛結(jié)構(gòu)。它的主要優(yōu)點在于,將指令集和計算數(shù)據(jù)分別存儲在不同的寄存器中,通過總線可以進行并行和串行的訪問。每一個指令和數(shù)據(jù)存儲器都有獨立的地址,訪問效率以及數(shù)據(jù)交換效率大大提高。
圖1 數(shù)字信號處理器的特殊結(jié)構(gòu)
圖2 普通處理器的結(jié)構(gòu)
TMS2000系列DSP芯片在結(jié)構(gòu)上相較于諾依曼模型做了2點改進[1]:第一個是將指令集集成在ROM中,各個功能模塊在調(diào)用的時候會節(jié)省很多時間,也避免了指令沖突的可能。二是在調(diào)用各個指令集的時候,直接從RAM存儲器中調(diào)用,避免重新讀取重新加載的時間浪費,大大提高了執(zhí)行效率[2]。
TMS2000芯片總線上最多可以支持并行6條命令同時運行,最少可以支持2條指令同時運行,這些指令都處于芯片內(nèi)部程序的調(diào)控順序指導(dǎo)之下。例如在一個三級流水線操作中,取指、譯碼和執(zhí)行操作可以獨立地處理,這可使指令執(zhí)行能夠完全重疊。這樣就增強了處理器的處理能力。
在一般形式的FIR濾波器中,乘法是DSP的重要組成部分。在TMS2000系列中,由于具有專用的硬件乘法器,乘法可以在一個指令周期內(nèi)完成。這樣可以大量降低FIR的計算時間。
本文通過系統(tǒng)地分析了DSP芯片在使用過程中的優(yōu)點以及其運行的流程,為以后在電阻率短節(jié)中使用DSP芯片作為核心計算芯片打下了基礎(chǔ)。
[1]Texas Instruments.TMS6000數(shù)據(jù)手冊[Z].
[2]Texas Instruments.TMS2000數(shù)據(jù)手冊[Z].