基于FPGA的石油測井控制系統(tǒng)

張華志，嚴(yán)勝剛，李昌磊

（西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院，陜西 西安 710072）

隨著測井技術(shù)的日益發(fā)展，針對地質(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜性，以及傳感器采集信號數(shù)量級的差異，對測井儀器實時性，可靠性以及運算速度要求的不斷提高，為了能夠?qū)崟r準(zhǔn)確的實現(xiàn)整只測井儀器的控制以及原始數(shù)據(jù)的恢復(fù)，本研究利用FPGA和DSP為主要芯片設(shè)計完成了測井控制系統(tǒng)。本研究采用數(shù)據(jù)總線和地址總線共同傳輸放大倍數(shù)狀態(tài)位，從而節(jié)省了DSP有限的外部接口，經(jīng)驗證該方法穩(wěn)定性的實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的恢復(fù)和硬件的簡化。

1 方案設(shè)計

兼顧本系統(tǒng)的處理速度以及功耗與擴展需要，本系統(tǒng)采用ALTERA公司的Cyclone系列EP1C6T144C8型FPGA作為本系統(tǒng)的主要邏輯控制器，該芯片完全可以適合測井系統(tǒng)的處理速度，功耗和擴展性完全滿足系統(tǒng)需要。

針對石油測井儀器采集端采集的數(shù)據(jù)有不同的放大倍數(shù)，F(xiàn)PGA和DSP數(shù)據(jù)處理端要根據(jù)不同的放大倍數(shù)恢復(fù)原始數(shù)據(jù)，由于FPGA的GPIO接口有限，EP1C6T144C8有70個I/O，DSP芯片 TMS320F28335地址線20根，數(shù)據(jù)總線16根，片選信號3個，寫和讀使能3個，XREADY信號1個，XCLOCKOUT時鐘1個[1]，F(xiàn)PGA要產(chǎn)生的控制信號16個，跑馬燈信號6個，加起來還剩4個I/O，即用于放大倍數(shù)位的I/O不夠，為了達到采集速率要求和簡化電路要求，故采用數(shù)據(jù)總線和地址總線共同傳輸放大倍數(shù)狀態(tài)位，從而節(jié)省了DSP有限的外部接口，以至于可是完全放棄GPIO接口的應(yīng)用。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

整個系統(tǒng)以FPGA為邏輯時序控制芯片，DSP為算法運算芯片，主要有3個模塊組成，包括DSP和FPGA模塊，電源模塊，CAN收發(fā)模塊。系統(tǒng)詳細(xì)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Hardware structure of system

2.1 控制信號硬件設(shè)計

系統(tǒng)由FPGA產(chǎn)生測井儀器的控制信號，包括掃描模式信號，復(fù)位信號，采集時鐘信號，三電平控制信號等。控制信號硬件設(shè)計如圖2所示。

圖2 控制信號硬件設(shè)計Fig.2 Signal of control design

其中多路開關(guān)芯片為HI1-5051，該芯片有+15 V和-15 V電平[4]，通過control3和control4來控制多路開關(guān)的開和關(guān)，從而輸出所需要的三電平，實現(xiàn)命令字的發(fā)送。放大器由兩個三極管2N2222組成，由control1和control2控制基極的輸入，從而控制開斷，生成所需要的updatago信號，同時updatago也承載著由接口輸入的數(shù)據(jù)，連著三極管的集電極，經(jīng)過比較器LM111，輸入到FPGA進行處理。

2.2 放大倍數(shù)運算硬件設(shè)計

系統(tǒng)由DSP進行算術(shù)運算，由FPGA將數(shù)據(jù)傳入DSP，計算出測井儀器不同數(shù)據(jù)的放大倍數(shù)，并發(fā)送到FPGA，由FPGA按一定時鐘發(fā)送到下一短節(jié)進行識別，從而控制測井儀器的精確動作。原電路由DSP產(chǎn)生不同的放大倍數(shù)，分由GPIO的邏輯1或0來發(fā)送到FPGA，根據(jù)不同的GPIO口定義不同的放大倍數(shù)然后完成下發(fā)。當(dāng)放大倍數(shù)過多時，F(xiàn)PGA的GPIO口就不夠用了，為了減少GPIO口資源的浪費，本系統(tǒng)采用直接由數(shù)據(jù)總線發(fā)送，這樣既減少了資源浪費，又提高了發(fā)送效率。

放大倍數(shù)運算硬件設(shè)計如圖3所示。

圖3 放大倍數(shù)運算硬件設(shè)計Fig.3 Hardware design for the algorithm of amplification factor

其中寫RAM中存放數(shù)據(jù)，RAM用的是雙端口RAM，由數(shù)據(jù)總線，地址總線，寫使能，讀使能和寫時鐘，讀時鐘等信號組成[2，5-6]。讀RAM中存放由DSP運算得出的放大倍數(shù)，通過片選信號和讀、寫使能信號控制數(shù)據(jù)的傳輸。本系統(tǒng)中/xzcs6控制寫片選，即由FPGA寫入DSP的數(shù)據(jù)存在/xzcs6片選的存儲映射區(qū)域。/xzcs7控制讀片選，即DSP下傳的放大倍數(shù)存放在DSP中由/xzcs7片選的存儲映射區(qū)域。

2.3 CAN總線硬件設(shè)計

在C28X DSP忠使用的增強型控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（eCAN）模塊與現(xiàn)行的CAN2.0標(biāo)準(zhǔn)兼容。它可使用已制定的協(xié)議在存在電子噪聲的環(huán)境中與其他控制器進行串行通信。借助32個完全可配置的郵箱和事件標(biāo)志（time-stamping）特性，eCAN模塊提供了一種具有通用性和魯棒性的串行通信接口[1]。

系統(tǒng)除了計算放大倍數(shù)，還要將由井底傳過來的數(shù)據(jù)上傳到地面計算機進行地況估計，該系統(tǒng)用CAN總線傳輸數(shù)據(jù)，CAN總線硬件設(shè)計如圖4所示。

圖4 CAN總線硬件設(shè)計Fig.4 Hardware design for CAN bus

該系統(tǒng)CAN傳輸速率為800K[1，3]，由三電平的命令字決定傳輸數(shù)據(jù)模式。

3 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

3.1 DSP軟件實現(xiàn)

DSP把FPGA寫過來的數(shù)據(jù)進行分析，然后判斷出數(shù)據(jù)實際放大倍數(shù)，進行還原，然后再將放大倍數(shù)發(fā)送到FPGA，具體步驟如下：

1）根據(jù)數(shù)據(jù)的放大倍數(shù)位，判斷數(shù)據(jù)實際數(shù)值，將6個極板數(shù)據(jù)進行還原平均，算得平均值；

2）與門限比較，得出具體放大倍數(shù)，并寫入到XZCS7片選映射存儲區(qū)域內(nèi)；

3）將傳感器數(shù)據(jù)通過CAN發(fā)送到上位機；

這樣就將放大倍數(shù)存起來，當(dāng)WE和XZCS7同時使能時，按FPGA的讀時鐘通過數(shù)據(jù)總線寫入到FPGA中。這樣就省去了不同放大倍數(shù)由不同的GPIO控制的麻煩。

3.2 FPGA軟件實現(xiàn)

經(jīng)調(diào)試，系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)傳輸都完美實現(xiàn)，現(xiàn)只將放大倍數(shù)的形成時序?qū)懗觯鐖D5所示。

圖5 放大倍數(shù)寫入時序Fig.5 Timing sequence for writing the amplification factor

寫使能信號WE和片選信號XZCS7共同決定放大倍數(shù)是否從DSP發(fā)送到FPGA，其中DADDR是地址，由于FPGA還要將放大倍數(shù)發(fā)送到位移位存儲總線寄存器CD4094中所存，其中D味鎖存端，START為CD4094的數(shù)據(jù)輸入，即放大倍數(shù)，CLK為鎖存時鐘。

4 系統(tǒng)驗證與結(jié)論

整支儀器組裝完成后，進行聯(lián)調(diào)，不同的傳感器和不同的放大倍數(shù)，該系統(tǒng)都完整的精確的將數(shù)據(jù)恢復(fù)出來，并且傳到上位機，上位機結(jié)果如圖6所示。

圖6 上位機顯示結(jié)果Fig.6 Result on the computer

數(shù)據(jù)首位表示不同的放大倍數(shù)，其中2表示放大2倍，RawView為原始數(shù)據(jù)。2E66代表4 V，與試驗所加電壓完美對應(yīng)。對每個放大倍數(shù)都做了試驗，結(jié)果令人欣喜。

5 結(jié)束語

文中闡述了由FPGA和DSP采用數(shù)據(jù)總線傳輸放大倍數(shù)的方法，實現(xiàn)了石油測井系統(tǒng)放大倍數(shù)的發(fā)送和原始數(shù)據(jù)的恢復(fù)。

[1]Texas Instruments Incorporated.TMS320C28X系列DSP的CPU與外設(shè)（TIDSP系列中文手冊）[M].張衛(wèi)寧，譯.北京：清華大學(xué)出版社，2006.

[2]王誠.Altera FPGA/CPLD設(shè)計—基礎(chǔ)篇[M].北京：人民郵電出版社，2010.

[3]杜春洋，王宇超.零基礎(chǔ)學(xué)TMS320F281X DSP C語言開發(fā)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.

[4]ITERSIL.HI-5042 thru HI-5051 Datasheet.[EB/OL].（2000-04）http://pdf1.alldatasheet.net/datasheet-pdf/view/67031/INTE RSIL/HI1-5051-5.html.

[5]孫延鵬，張芝賢，尹常永.VHDL與可編程邏輯器件應(yīng)用[M].北京：航空工業(yè)出版社，2006.

[6]吳繼華，蔡海寧，王誠.Altera FPGA/CPLD設(shè)計，高級篇[M].北京：人民郵電出版社，2011.