應(yīng)用于隨鉆測井儀器數(shù)據(jù)總線的研究

王海波

（大慶油田鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江大慶163413）

隨鉆測井儀器（以下簡稱隨鉆儀器）是油田進行定向井/水平井開發(fā)的必備工具，主要可以分為機械部分、電子電路部分和數(shù)據(jù)總線部分。若要進行現(xiàn)場服務(wù)，還需要配置地面設(shè)備。地面設(shè)備主要由工控機（內(nèi)置測井軟件）、通訊板卡、安全箱以及若干附屬配件組成。數(shù)據(jù)總線部分主要實現(xiàn)的功能是隨鉆儀器與工控機的數(shù)據(jù)傳輸、命令/數(shù)據(jù)的下載/上傳、隨鉆儀器各傳感器短節(jié)與中央控制器的數(shù)據(jù)傳輸。

隨鉆儀器采用1553B總線作為數(shù)據(jù)傳輸總線，該總線最初由美國軍方為飛機上設(shè)備定制的一種信息傳輸總線，由于其具有可靠性高、傳輸效率高、技術(shù)成熟、易于擴展[1]等優(yōu)點被廣泛地應(yīng)用在石油領(lǐng)域。

1 數(shù)據(jù)總線格式

1553B總線具有雙向傳輸特性，傳輸速度為1Mb?ps，傳輸方式為半雙工方式，總線上的信息是以消息的形式調(diào)制成曼徹斯特II型碼進行傳輸?shù)腫2]。

1.1 數(shù)據(jù)編碼方式

由于曼徹斯特碼是高/低電平跳變來表示要傳輸?shù)亩M制信息的，因此隨鉆儀器在數(shù)據(jù)傳輸過程中要將信息轉(zhuǎn)換成一系列由“0”和“1”組成的二進制數(shù)字信號，編碼方式為：邏輯1為高電平到低電平的跳變，邏輯0為低電平到高電平的跳變。數(shù)據(jù)編碼方式如圖1所示。所謂雙向傳輸，即具有雙極性，本身包含了自定時信息，可以直接從數(shù)據(jù)中分離出定時時鐘，由于直接耦合不利于故障的終端隔離，因此采用變壓器耦合方式[3]。總線電壓范圍是從14Vdc到25Vdc，而一般都會選擇20Vdc到24Vdc范圍內(nèi)供電。

圖1 數(shù)據(jù)編碼方式

1.2 曼徹斯特字的定義

每個曼徹斯特字的字長是20位。有效信息位是16位，每個字的前3位表示同步信號，最后1位表示奇偶校驗位。在隨鉆儀器通訊中，采用奇校驗，通過計算16位有效信息中“1”的個數(shù)，然后加上一個“1”或一個“0”，使其變成奇數(shù)[4]。如圖2所示。

圖2 曼徹斯特字的定義

在數(shù)據(jù)總線上有2種同步信號：命令同步信號和數(shù)據(jù)同步信號。命令同步信號包含一個從高到低的跳變，數(shù)據(jù)同步信號包含一個從低到高的跳變。由于同步信號占3位，因此同步信號在1.5位長時發(fā)生跳變。在隨鉆儀器中，必須只能有一個主控設(shè)備，可以有若干個從屬設(shè)備，主控設(shè)備可以產(chǎn)生命令同步和數(shù)據(jù)同步，從屬設(shè)備只能產(chǎn)生數(shù)據(jù)同步。

16位有效信息和1位校驗位在總線上以曼徹斯特碼的形式進行傳輸，暫不考慮校驗位，剩下的16位則表示命令/數(shù)據(jù)字。隨鉆儀器中命令/數(shù)據(jù)字的組成如圖3所示。

圖3 隨鉆儀器中命令/數(shù)據(jù)字的組成

0～3位為主要地址，用來識別隨鉆儀器上、下通訊總線上的16位主要地址。4～6位次要地址，可以對主要地址中7個不同的傳感器工具進行尋址。7位是工具冗余指示位，每串隨鉆儀器允許掛接2個相同的傳感器工具，當是“0”時尋址主要傳感器工具，當是“1”時尋址冗余工具地址。8～15位表示實際要傳輸?shù)拿?數(shù)據(jù)[5]。

2 硬件實現(xiàn)

隨鉆儀器采用自定義的1553B總線結(jié)構(gòu)，由上總線、下總線和中央控制器組成。隨鉆儀器在下井前，要通過工控機對其進行工作參數(shù)設(shè)置，此時，工控機作為主控設(shè)備，中央控制器和若干傳感器短節(jié)作為從屬設(shè)備，這個過程稱為地面通訊模式；隨鉆儀器下井后，中央控制器通過上/下總線與傳感器短節(jié)進行數(shù)據(jù)傳輸，此時，中央控制器作為主控設(shè)備，傳感器短節(jié)作為從屬設(shè)備，這個過程為井下通訊模式。由此可見，隨鉆儀器在不同的工作狀態(tài)下，主控設(shè)備是不同的。隨鉆儀器的數(shù)據(jù)傳輸框圖，如圖4所示。

2.1 地面通訊模式

圖4 隨鉆儀器數(shù)據(jù)傳輸框圖

工控機作為主控設(shè)備時，需內(nèi)置通訊板卡。板卡通過PCI總線與工控機連接，同時通過屏蔽雙絞線與儀器讀取口相連接，進而與中央控制器相連接。此時，工控機可以直接與掛接到上/下總線的傳感器短節(jié)進行數(shù)據(jù)傳輸，通過工控機內(nèi)置測井軟件，可以直接對隨鉆儀器的上/下總線進行打開、關(guān)閉控制，并可以發(fā)送相應(yīng)指令，對指令的返回值判斷上/下總線的狀態(tài)及監(jiān)測傳感器版本號等信息。

圖5 地面板卡系統(tǒng)框圖

地面板卡的系統(tǒng)框圖如圖5所示。可分為PCI接口模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、總線收/發(fā)模塊。PCI是一種獨立于處理器的32位總線，傳輸速率可達133MB/S[6]。采用PLX Technology公司的PCI接口芯片作為PCI總線控制器，實現(xiàn)通訊板卡與PCI總線的連接。

在PCI控制芯片與FPGA之間有一個總線轉(zhuǎn)換控制芯片，控制16位命令/數(shù)據(jù)在芯片之間的交換。FP?GA是數(shù)據(jù)處理模塊的核心器件，采用XILINX公司的XCS系列芯片，該芯片有1862個邏輯單元，4萬個系統(tǒng)門，可配置邏輯塊達到28×28個，片內(nèi)有2016個觸發(fā)器，最大可使用I/O口224個，系統(tǒng)時鐘最大可到80MHz，在通訊板卡中時鐘采用40MHz。在FPGA中實現(xiàn)曼徹斯特碼的編碼與解碼，并完成數(shù)據(jù)信息的分析等工作。曼徹斯特數(shù)據(jù)經(jīng)FPGA進入到總線收/發(fā)模塊時，該模塊對數(shù)據(jù)進行變換、整形后，通過屏蔽雙絞線進入到隨鉆儀器，最終實現(xiàn)工控機與隨鉆儀器的數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 井下通訊模式

在井下通訊模式中，中央控制器作為主控設(shè)備，系統(tǒng)框圖如圖6所示。中央控制器主要由電源模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、時鐘模塊和數(shù)據(jù)存儲模塊組成。電源模塊的功能是為中央控制器上的芯片提供不同等級的電壓。由于中央控制器與上/下總線掛接的傳感器短節(jié)以曼徹斯特碼形式進行數(shù)據(jù)傳輸，因此在數(shù)據(jù)處理模塊內(nèi)的FPGA中完成數(shù)據(jù)的編/解碼。數(shù)據(jù)處理模塊能夠控制上/下總線的開關(guān)，并對上/下總線傳輸過來的數(shù)據(jù)進行監(jiān)視、轉(zhuǎn)換、壓縮等處理工作，然后將數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)存儲模塊中。數(shù)據(jù)處理模塊主要由FPGA和單片機構(gòu)成，F(xiàn)PGA內(nèi)部固化計算模型，是中央控制器的主處理器。單片機為協(xié)同處理器，通過內(nèi)部運行的程序，可以對隨鉆儀器的溫度、電壓、電流等進行監(jiān)控。時鐘模塊的主要功能是為整個中央控制器提供時鐘信號。數(shù)據(jù)存儲模塊采用非易失性存儲器，存儲井下數(shù)據(jù)外，還可存儲固件版本信息及傳感器短節(jié)編號等信息。

隨鉆儀器處于井下工作狀態(tài)時，各傳感器短節(jié)進行信號采集，并傳輸給中央控制器進行集中計算。可見，中央控制器對傳感器工作序列進行管理外，還對計算模型進行管理，因此，可以說中央控制器是隨鉆測井儀器的核心部分。

圖6 中央控制器系統(tǒng)框圖

3 結(jié)語

隨鉆測井儀器在工作時可分為2種通訊模式和4個工作過程，2種通訊模式即地面通訊模式和井下通訊模式，4個過程即可信度測試過程、工具參數(shù)下裝過程、實時工作過程和數(shù)據(jù)讀取過程。無論是工控機作為主控設(shè)備或是中央控制器作為主控設(shè)備，對從屬設(shè)備的控制都是通過1553B總線實現(xiàn)的。因此，開發(fā)數(shù)據(jù)總線是研制隨鉆測井儀器較關(guān)鍵的一部分，對于打破壟斷，提升競爭力具有十分重要的現(xiàn)實意義。

[1] 徐貴賢.1553B總線簡介及其實現(xiàn)[J].通信技術(shù)，2011,44（5）：166-168.

[2] 黃家平,王明皓，等.1553B總線通信系統(tǒng)可靠性分析[J].飛機設(shè)計，2010,30(2)：57-61.

[3] 徐麗清.1553B總線接口技術(shù)研究及FPGA實現(xiàn)[D].西北工業(yè)大學(xué)，2006.

[4]MIL-STD-1553B數(shù)字式時分制指令/響應(yīng)型多路傳輸數(shù)據(jù)總線簡介[S].恩菲特科技有限公司.

[5]HCIM Operations Manual-Positive Pulse.Sperry-Sun.2003.

[6] 瞿朝冰,陳濤，等.基于PCI總線的1553B總線接口卡設(shè)計[J].儀器儀表用戶，2007,14(4)：87-89.