雙頻感應井下儀器的通信及控制設計

馬彥宇，師奕兵，李焱駿

（電子科技大學自動化工程學院，四川 成都 611731）

1 引 言

雙頻感應測井是一種通過獲得地層介電常數和電導率來得知地層結構特征的測井方法。由于井下高溫高壓環境對儀器控制和通信要求穩定性極高，測井儀器的井下控制、檢測流程較為復雜，國內至今還沒有開發出實用的雙頻感應測井儀。該文主要闡述雙頻感應測井儀的通信與控制電路部分的設計，根據實際的測井作業需求，提出了一種以200ms為一控制幀的時序控制，以及幅相數據接收和上位機通信的實驗方案，在實際應用中有效平衡了現場測井時效、地層采集分辨率和大數據量通信傳輸之間的固有矛盾。

2 硬件電路設計

作為雙頻感應測井儀的井下通信與控制核心，所有地面發送到儀器的指令以及來自儀器的響應均通過該電路進行處理、控制。經測井專用EDIB總線接收地面系統上位機命令，并通過同步串口通信方式控制與協調數據處理模塊、采集模塊、發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據和發射板的狀態信息。同時采集儀器各種輔助數據，處理和編碼后上傳地面系統。FPGA中的主要設計包括：80C186XL的外圍控制邏輯電路；與ELIS地面控制系統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；時鐘發生邏輯電路以及其他控制邏輯電路。數據存儲器由兩片HM628128芯片組成，存儲容量是256KB，它是CMOS靜態RAM，具有高速、低功耗和單5V供電的特點。程序存儲器由兩片27C256組成，它是UV EPROM，可通過編程器多次編程，其非易失數據內容可用紫外線擦除，存儲容量是64KB。復位電路主要由專用μP復位管理芯片MAX705組成，它具有上電復位和WATCHDOG功能。

在ELIS測井系統中，所有井下儀器包括DIFT井下儀器都處于被動受控制的地位，即井下儀器的所有工作狀態由地面系統來確定。地面系統按照一定的時序，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地面系統將指令發送給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行指令譯碼，指令的格式及含義在指令協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據采集（ACQUIRE）和相位差幅度比數據發送（SEND）這兩條指令。當CPU控制板接收到ACQUIRE指令后，首先對向DDS板發送采集指令，然后等待DSP板將采集到的數據通過1Mb/s同步串口傳至CPU板，FPGA對接收到的數據進行串并轉換，然后存至FPGA內部RAM，當接受到數據發送命令時，FPGA對采集到的數據進行編碼上傳至地面控制系統。其硬件原理圖如圖1所示。

圖1 控制與通信電路結構框圖

其工作原理如下：首先，在上電復位后等待上位機命令，當上位機命令到達EDIB總線時由FPGA構成的接收邏輯負責接收，通過曼碼解碼并自動識別地址為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通過中斷的形式傳送到CPU中；然后，CPU對命令進行解析并通過FPGA分發處理相關命令。若為溫度電壓數據處理或采集的命令，則通過FPGA直接產生溫度電壓采集與控制信號；若為發射機的命令，則通過FPGA的同步串口發送給DDS，由DDS產生相應的控制信號給發射機和數據處理板，數據處理板再將處理過的幅度比和相位差數據通過同步串口傳給通信和控制板進行曼碼編碼，在接到數據上傳指令時上傳給上位機，完成儀器的通信和控制。

2.1 EDIB 總線接口實現

EDIB是Elis Downhole Instruments Bus的簡稱，主要是用來實現井下儀器和地面系統上位機之間通信，即測井系統掛接井下儀器總線。這樣可以降低CPU控制板的功耗，提高CPU控制板的集成度，減小發熱量，簡化PCB板的布線。該總線采用主從結構，總線從傳輸短節下端開始，所有儀器應當接到傳輸短節下面。它有4個傳輸通道，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，設計中只用到了Mode2下行通道和Mode5上行通道。

Mode2下行通道傳輸速率是20.883Kb/s，數據格式定義如下：3個同步起始位+16個數據幀位+1個奇校驗位，整個數據幀的長度為20位。如果傳輸的是命令字，3個同步起始位的前1.5位為高電平，后1.5位為低電平；如果傳輸的是數據字，3個同步起始位的前1.5位為低電平，后1.5位為高電平。在空閑狀態下，數據線保持為低電平。該通道用于上位機給井下儀器發送命令或參數。

Mode5上行通道傳輸速率是93.75Kb/s，數據格式都定義如下：8個數據0+3個同步起始位（前1.5位為高電平，后1.5位為低電平）+數據塊（N個16位數據字），在空閑狀態數據線保持為高電平。在雙頻測井儀中，Mode5主要用來給上位機發送幅相數據。

2.2 串行數據發送與接收

單向的同步串行通信接口在數據傳輸的過程中就需要數據線、幀同步和數據時鐘3條線路。由于同步串行通信在數據傳輸過程中使用了幀同步和數據時鐘，它的通信效率較高，數據塊也可以比較長，在一個幀同步內可以都是有效的數據位，而不需要起始位、停止位以及奇偶校驗位。

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

圖2 串行數據發送仿真波形圖

圖2中，DT為串行數據，TSCLK為串行數據發送時鐘，TFS為串行數據發送的門控信號，在門控信號為低電平時傳送數據有效。

1Mb/s同步串口接收模塊與發送模塊是相反的兩個工作過程。這里需要注意的是，在外圍電路使用了74HC14帶施密特觸發電路的反相器，其作用是對輸入波形進行整形，因此輸入波形是反相的，在FPGA內部使用反相器將時鐘信號、數據和幀同步還原。所以，看到在數據接收寄存器中的內容和數據波形是反相的關系。

CPU主控板與DSP通信數據量不大，只有6個16位數。所以，在設計中將進行過數據處理的幅度比和相位差數據整體打包傳送，數據長度為96位。這樣既節省了數據通信的時間，也可以有效降低誤碼率。圖3為串行數據接收模塊仿真波形圖。

圖3 串行數據接收仿真波形圖

96位串行數據在FPGA中經過串并轉換后，以96位并行數據的形式暫存在FPGA的寄存器中，同時產生數據有效信號dsp_data_valid。當兩塊數據處理板數據都完成串并轉換后，產生一個中斷信號給CPU，通知CPU將處理好的數據讀走，完成數據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、高壓和高震動環境中，井下測井儀和上位機之間的數據通信一般采用曼徹斯特碼，一方面可以減小干擾增加數據通信的穩定性，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關系。

圖4 曼徹斯特碼和非歸零碼對照圖

上位機發送到主控板的命令和參數都是以曼徹斯特碼形式發送的，在FPGA中先要把它轉換成非歸零碼，然后再由DSP讀取，而主控板發送給上位機的成像數據或輔助數據也是以曼徹斯特碼發送的。

2.4 溫度電壓數據采集和控制

輔助數據的采集和控制都是由FPGA來實現的，這些輔助數據都是用來監測儀器的工作電壓和環境溫度變化的。FPGA啟動輔助數據采集后，首先初始化ADC，初始化完畢給ADC一個轉換開始信號（CNVSTART），然后ADC狀態信號BUSY為高，表示ADC正在模數轉換，等轉換完成，BUSY自動變為低電平，最后FPGA中的ADC模塊給出讀取串行數據的8個時鐘，ADC模塊把串行數據變成8位的并行數據，這就實現了一個輔助數據字的采集。圖5為溫度電壓數據采集和控制的仿真波形圖。

圖5 溫度電壓數據采集和控制仿真波形圖

其中，有3塊溫度電壓采集板同時工作，當3塊采集板的數據采集完畢后，會產生一個中斷信號給CPU，通知CPU將數據讀進，從而完成溫度電壓采集板和通信控制板的通信。

3 軟件總體設計流程

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，等待接收地面系統指令；當接收地面系統命令中斷，進入命令解釋程序；接收到采集指令后啟動該周期的采集，由CPU將命令字發送到FPGA做并串轉換，并通過FPGA的1Mb/s同步串口傳給DDS，DDS接到命令字后產生相應控制信號控制數據采集板工作，數據處理板完成數據采集處理后向CPU發送數據接收中斷信號，CPU接收到中斷信號后將數據讀進RAM，并按通信協議規定的格式儲存；一旦收到地面系統上傳數據指令立刻啟動上傳，把上周期的波形數據通過M5方式送到地面系統。

4 測試結果

雙頻感應測井儀器需要工作在井下高溫高壓惡劣環境下，因此在電路設計、PCB板材選用、芯片選型時都有耐溫、散熱等考慮。當儀器功能驗證通過后，還需要在井場實際作業環境下進一步驗證儀器的穩定性和可靠性。在燕郊中海油服實驗井中進行實際下井實驗，表1為實際下井的部分數據。

表1 實驗井測井數據

試驗表明，雙頻感應測井儀器在高溫高壓的環境下通信正常，工作穩定，完全達到了設計要求。實驗后對測井完整數據進行處理，繪出實際波形圖，如圖7所示。

圖7 實驗井實測波形圖

從實時測得波形圖中可以看出主控板和地面系統通信穩定，時差提取精度、儀器重復性均達到儀器設計指標，與國外儀器在該試驗井中測量數據具有很好的一致性。

5 結束語

針對實際測井高溫高震動的環境特點，設計了基于“CPU+FPGA”的控制與通信電路。試驗結果表明，該電路能夠對成像測井儀進行可靠的控制，能夠實現井下主控板和上位機之間穩定通信，時差提取精度、儀器重復性均達到儀器設計指標，與國外儀器在該試驗井中測量數據具有很好的一致性，完全能夠滿足實際作業生產的需要。

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