基于嵌入式的新型井下以太網總線的設計

魏　強，李英波（中國艦船研究院 北京環鼎科技有限責任公司，北京　102200）

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基于嵌入式的新型井下以太網總線的設計

魏強，李英波
（中國艦船研究院 北京環鼎科技有限責任公司，北京102200）

摘要:介紹一種應用于井下測井儀器上的新型交換式以太網總線結構。該總線結構能有效克服共享式以太網總線所造成的不確定性，并利用嵌入式系統，使該網絡總線設計更簡潔、更穩定。同時研究交換式以太網總線的硬件及軟件設計。經驗證，該設計完全滿足當下網絡化測井的需求。

關鍵詞：測井；總線；以太網；交換式；嵌入式系統

0　引　言

隨著成像儀器及陣列化儀器如偶極聲波測井儀的出現，測井過程中系統對數據傳輸速率的要求越來越高，以哈里伯頓為代表的國際知名廠商結合網絡技術的快速發展，將網絡技術引入到測井行業，使電纜測井的通訊速率大為提高。近年來，隨著國內通信行業的飛速發展，網絡化測井在國內逐漸興起[1]，將成熟的民用 ADSL 技術加以改進，運用到測井業，使得測井電纜傳輸速率大大提高。國內各大廠商紛紛推出自己的網絡測井系統，環鼎公司也推出了基于網絡化的580 成像測井系統[2]。與此同時，為了配合 ADSL 技術，井下儀器間總線必然網絡化。但是井下惡劣的環境狀況對井下的網絡化系統也提出了嚴格的要求，例如板子尺寸、功耗、穩定性、實時性、抗干擾能力等。而嵌入式系統是為滿足用戶要求專門針對特定功能設計的，非常適合應用于井下儀器間的網絡化總線的開發。同時針對目前測井系統普遍使用的共享式以太網總線提出一種新型結構，使其能夠有效避免總線沖突，提高系統的穩定性和實時性。

1　井下儀器間總線工作原理

測井系統為獲取井下儀器數據，需通過井下儀器間總線結合電纜傳輸系統將儀器采集數據及時傳輸至地面；同時通過電纜傳輸系統和井下總線可將地面控制命令下發至各儀器，從而實現地面系統和井下各儀器間的實時信息傳遞。井下儀器間總線在測井數據傳輸過程中起著極其重要的作用，其核心功能由各儀器內的通訊接口模塊實現[3]。

目前，Halliburton 的 LOG-IQ 系統和國內一些電纜傳輸系統使用 ADSL 技術的廠家都采用標準以太網的10BASE-2 總線，其采用總線型拓撲結構，所有節點共享一條同軸電纜，所有數據（包括接受數據和發送數據）均通過此同軸電纜傳輸。所有節點共享10 Mb/s 帶寬，如圖1 所示。

圖1　10 BASE-2總線拓撲結構Fig. 1　10BASE-2 bus topology

上述這種總線型結構由于其數據鏈路層的介質訪問控制方式采用的是帶有沖突檢測的載波偵聽多路訪問協議技術（CSMA/CD）[4]，當有多個節點同時發送數據的時候將會發生總線沖突，故而這種總線型結構被認為是一種不確定性的網絡系統。特別是對于響應時間要求比較嚴格的測井系統，由總線沖突而造成響應時間的不確定，使數據不能按要求正常傳遞，這在測井過程中不能夠接受。

交換式以太網技術的發展和應用極大地改善了傳統以太網中由于 CSMA/CD 而產生的不確定性問題，其采用了全雙工和微網段方法，將沖突域隔離控制在交換機的各個端口，并通過交換機自身的隊列調度機制基本保證了數據傳輸的確定性[5]，也在一定程度上提高了網絡系統的實時性。

本文介紹一種帶有交換功能的儀器間網絡通信模塊，通過模塊與模塊級聯的方式來形成井下儀器間總線，井下儀器間的連接采用 10Base-T 標準，所使用的傳輸介質為 2 對雙絞線：一對負責接收網絡數據，一對負責發送網絡數據，互不干擾，故因其全雙工的工作方式，從而徹底消除總線上沖突的可能性。交換機與交換機之間發送和接收均可獨享 10 Mb/s 帶寬。其總線構成如圖2 所示。

圖2　10 BASE-T交換式以太網總線Fig. 2　10BASE-2 switched ethernet bus

每個網絡通信模塊的功能由以太網交換和以太網數據處理兩大部分組成，主要完成以太網數據的接收并與采集單元進行數據交換，將采集單元的數據打包成以太網數據包向地面傳輸并將地面下發的命令傳給采集單元。以太網數據發送出去后會到達下一級網絡通信模塊的交換芯片，通過查詢地址表后直接通過相應端口轉發出去，從而避免因總線繁忙而隨機重發的不確定性，同時交換芯片因其功能特殊性，轉發時間非常短且時間相對固定，不會引起嚴重的網絡延時。

2　網絡通信模塊的實現

2.1網絡通信模塊的硬件組成

本設計采用交換芯片 + ARM 處理器的一體化簡潔方式來實現整個網絡通信模塊的復雜功能，交換芯片負責井下各儀器之間以太網的連接，其接收總線上的網絡數據并根據 MAC 地址表而決定此包數據的轉發方向；ARM 處理器上運行操作系統和 TCP/IP 協議棧，首先由 ARM 的外設串口接收該儀器采集板的數據并將其封裝為以太網數據包，然后由 ARM 的外設網口發送至交換芯片，從而實現該儀器的數據能發送至井下以太網總線上。同時從以太網總線上接收到地面下發的命令，經由 ARM 接收到以太網數據包，從中還原命令體后由串口將命令數據發送至儀器采集板來實現地面系統對井下儀器的控制。

圖3 所示為網絡通信模塊的硬件原理框圖。

圖3　模塊原理框圖Fig. 3　Module block diagram

ARM 芯片基于 ARM7TDMI 內核，自帶 Flash 和RAM，同時其外設豐富，集成了一個以太網 MAC，非常適合網絡應用，與交換芯片的 MAC 通過 MII 接口無縫連接。交換芯片含有多個 10M/100M 自適應的PHY 接口，還有 2 k 的地址表，可自動學習地址表，且提供哈希查找算法，其轉發網絡包的速度非常快。

此外，交換芯片通過本身2個 PHY 接口與其他網絡通信模塊連接，每個 PHY 接口處都使用網絡變壓器實現與外部的電氣隔離，以防止不同電壓通過總線傳輸損壞模塊。

2.2嵌入式軟件的實現

嵌入式軟件設計主要包括 μC/OS-II 實時操作系統的移植和添加可裁剪的 TCP/IP 協議棧，并且編寫底層驅動程序[6]。

μC/OS-II 是一款開源的嵌入式實時操作系統，其代碼量雖小，但執行效率較高、實時性和擴展性也好，編譯后最小能夠至 2 kb，非常適合存儲資源有限的處理器。且 μC/OS-II 的代碼除了與硬件有關的部分用匯編語言編寫，其余的全部用 c 語言編寫，非常方便移植到不同的處理器上。移植時需修改的部分也主要集中在底層與硬件相關的部分，需要用匯編語言編寫。

但 μC/OS-II 作為一種結構簡單、對 CPU 的 RAM 和 ROM 要求不高的嵌入式操作系統，它自身并不支持 TCP/IP 網絡協議，所以還需在 μC/OS-II 的基礎上移植一款支持 TCP/IP 協議的簡單網絡協議棧。

LwIP 作為一種輕量級 TCP/IP 協議棧，是本設計方案的不二選擇。它使用了無需數據復制且經過裁剪的API，因此能夠有效地降低代碼量及內存使用量，從而能方便地應用到存儲資源有限的嵌入式系統當中[7]。同時，LwIP 協議棧還支持多線程操作，配合操作系統使用非常合適，能夠最大限度的發揮其性能。進行LwIP 協議棧的移植，主要是結合不同的操作系統編寫操作系統模擬層。操作系統模擬層就是在底層操作系統和 LwIP 協議棧之間提供一個統一的接口，將各自的數據、信號量、任務進行統一封裝和統一調配。

網絡驅動程序主要包括 ARM 處理器的 MAC 層初始化，并通過 MDIO 接口配置交換芯片的工作模式，設置 MAC 中斷處理函數，網絡包數據的接收和發送等。

接口模塊分硬件部分和軟件部分。儀器數據流通過串口進入接口模塊，由底層串口驅動控制硬件串口部分接收數據并將其發送給應用層，而應用層調用LwIP 協議棧將數據封裝為以太網包，再通過底層網絡驅動控制硬件的網口將數據發送到以太網總線上，整個軟件部分以實時操作系統 μC/OS-II 為核心，軟件結構清晰，處理數據簡單方便，如圖4 所示。

圖4　軟件設計結構分層Fig. 4　Layered software architecture design

2.3偶極子聲波上的應用

偶極子聲波測井儀作為一種典型的成像儀器，能夠測量地層的縱波、橫波和斯通利波，可識別裂縫性儲層中裂縫發育井段及類型，判斷裂縫有效性及裂縫系統區域有效性，進而有效劃分儲集層[8]。故而該儀器需從井下實時傳輸大量數據至地面。580 系統偶極子聲波儀器完成一次采集周期所需時間為 1 s，而一次采集周期包含單極子測量周期、偶極 X 向測量周期和偶極 Y 向測量周期3個測量周期。偶極子聲波儀器的接收陣列為 8 × 4 共 32 個接收傳感器，每個傳感器采集一道 512 bit的波形數據，則每秒所采集的有效數據為98 304 bit。

偶極子聲波與其他儀器對數據的要求不同，偶極子聲波數據沒有冗余量，1 bit數據錯誤將導致 1 s 的數據全部失效，也將完全反映在測井曲線上，因此偶極子聲波對于數據可靠傳輸的要求也非常高。

網絡通信模塊與采集板之間通過 SPI 串口連接，每 40 ms 通信 1 次，每次接收數據 4 000 bit左右，由于以太網中的數據長度規定最大為1 500 bit，所以需將偶極子聲波的數據進行分包傳輸，同時在每個分包上標記序號，以便數據到達地面系統后重新組包；同時還需接收地面系統命令以便在單極子測量、偶極X測量和偶極Y測量狀態下進行切換。這些操作在 μC/OS-II多線程應用下都易于實現。目前，此網絡通信模塊在580 偶極子聲波儀器上使用并成功測井。圖5 為 580 偶極子聲波儀器在山東孤古八井測井所獲取的速度分析曲線。

圖5　偶極子聲波儀器在孤古 8 井的速度分析曲線Fig. 5　The speed analysis curve of Dipole acoustic instrumental logging at Gugu 8 well

3　測試過程及結果

測試主要分為以下3個部分：

1）利用偶極子聲波儀器測試網絡通信模塊的穩定性、可靠性和高溫性能。

由于偶極子聲波數據量最大，最具代表性，所以優先利用偶極子聲波儀器來測試網絡通信模塊單板性能。將偶極子聲波儀器放入烘箱，設置箱內溫度 175 ℃，在經過 48 h 持續正常工作之后，累計上傳數據達 16 Gb，統計結果表明期間數據傳輸準確無誤，說明了網絡通信模塊本身的穩定可靠，并可耐 175 ℃高溫。

2）測試由網絡通信模塊級聯組成的以太網總線傳輸時的實時性能。

將 N 個網絡通信模塊逐級級聯，在最上端接入筆記本電腦作為主機，測試由各個網絡通信模塊正常傳輸儀器數據至主機所花的時間 T，如表 1 所示。

表1　各通信模塊依次到主機的時間Tab 1　Each communication module sequentially to the host time

由表 1 可看出，除去每級網絡通信模塊 ARM 本身處理自身數據所花時間外，每級模塊之間的傳輸時間約為 0.03 ms，即網絡交換芯片轉發數據僅需 0.03 ms，且此轉發時間相當穩定，對于測井系統對時間精度1 ms 的要求來說，完全可以忽略不計。由此看出，交換式以太網總線完全滿足當前測井系統對實時性的要求。

3）測試整機組合的井下網絡系統的穩定性和可靠性。

將網絡通信板裝入各井下儀器中，連接各井下儀器并經由以太網直接連接上位機，供電并下發啟動命令，然后記錄各儀器上傳的網絡數據包，經長時間記錄發現，網絡數據包經由井下以太網上傳一切正常，無丟包現象，如圖6 所示，無明顯延遲現象，所有網絡數據包都按預設時間順序先后到達，各儀器對上位機下發的命令能及時做出響應。說明整機組合的井下網絡系統穩定、可靠。

圖6　測試數據截圖Fig. 6　Screenshot of test data

4　結　語

本文所述方案結合了當前以太網發展方向，配合嵌入式系統的應用，不僅解決了井下使用傳統以太網總線結構所造成的不確定性，而且簡化井下網絡系統，使其在尺寸、功耗、實時性等方面更為優越，完全滿足當前測井需求。在嵌入式系統應用下，未來需要擴展功能方面也更為簡潔方便。目前，這種新型交換式以太網總線已應用于環鼎 580 網絡測井系統中，掛接了常規大滿貫測井儀器，還有偶極子聲波儀器等成像儀器，并進行了大量的現場測試，所有測試結果均達到了設計預期要求，并獲得了令人滿意的測井曲線，完全滿足當前的大數據量網絡化測井儀器的要求。

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The new downhole ethernet bus design based on embedded system

WEI Qiang, LI Ying-bo
(China Ship Research and Development Academy, Huanding Energy Services, Beijing 102200, China)

Abstract:This page introduces a new switched Ethernet bus structure which is applicable for downhole logging instrument. This bus structure effectively overcomes the instability caused by share-mode Ethernet bus structure. Meanwhile, the embedded system makes this switched Ethernet bus structure much more simple and stable. This paper also elaborates the hardware designation of the switched Ethernet bus as well as its software designation. This designation completely fulfills nowaday requirements for network log.

Key words:logging；data bus；Ethernet；switch；embedded system

作者簡介:魏強(1984–)，男，工程師，從事電纜測井數據傳輸和井下儀器總線研究工作。

收稿日期:2015–11–19； 修回日期: 2015–12–14

文章編號：1672–7619（2016）03–0134–04

doi：10.3404/j.issn.1672–7619.2016.03.028

中圖分類號：P631.83

文獻標識碼：A