隨鉆電阻率數字信號處理模塊研究

閆晶紅

(大慶鉆探工程公司鉆井工程技術研究院鉆井工藝研究所，黑龍江大慶163000)

1 研究的目的及意義

水平井以其遠高于直井的油氣產量等特性逐步地取代直井成為當今最常用的鉆井作業開發技術之一，它可以為石油公司帶來高額的回報率。在水平井鉆井技術當中，底層地質參數的隨鉆測量數據尤為重要，而隨鉆地層電阻率測量正是地層參數評價的重中之重。因為這個原因，隨鉆地層電阻率評價系統已經成為石油鉆井行業的主要設備。而隨鉆地層電阻率評價系統的控制中樞，是其中的主控電路。主控電路中，數字信號處理模塊用于數字信號的處理運算。當今數字電路處理技術領域中，DSP技術以其獨到的優勢成為應用最廣泛的核心技術之一，與其他的技術方案相比，DSP在需要實時處理大量數字信息的場合中是最佳的選擇。

2 電阻率數字信號處理模塊的原理及結構

DSP（Digital Signal Processing）工藝的核心就是數字信號處理，它是通過單片機或其他通用的芯片設備，在芯片中，以數字信號的形式對信號進行采集、轉換、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勢的一點是，其對數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）通過數據總線，可以快速地訪問RAM和ROM。總線訪問速度快，響應速度快，同時性好。

（4）具有低消耗或無消耗的循環及指令轉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，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。

（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芯片在進行數據處理時，使用的模型是哈佛結構（如圖1所示），相對于其他通用處理方法，如馮諾依曼結構（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據分別存儲在ROM和RAM中，同時可以給每個存儲器獨立的訪問地址。總線的設計可以讓整套系統運算效率提高，在訪問指令集和數據存儲器的時候可以同時進行，這樣運算速度以及其數據交換量大大提高。

目前世界上能生產芯片的公司眾多，其中能生產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）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主控電路板的數字信號處理器。

ADSP2111芯片的主要特點是采用了哈佛結構。它的主要優點在于，將指令集和計算數據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。每一個指令和數據存儲器都有獨立的地址，訪問效率以及數據交換效率大大提高。

圖1 數字信號處理器的特殊結構

圖2 普通處理器的結構

TMS2000系列DSP芯片在結構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，各個功能模塊在調用的時候會節省很多時間，也避免了指令沖突的可能。二是在調用各個指令集的時候，直接從RAM存儲器中調用，避免重新讀取重新加載的時間浪費，大大提高了執行效率[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部程序的調控順序指導之下。例如在一個三級流水線操作中，取指、譯碼和執行操作可以獨立地處理，這可使指令執行能夠完全重疊。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完成。這樣可以大量降低FIR的計算時間。

3 結論

本文通過系統地分析了DSP芯片在使用過程中的優點以及其運行的流程，為以后在電阻率短節中使用DSP芯片作為核心計算芯片打下了基礎。

[1]Texas Instruments.TMS6000數據手冊[Z].

[2]Texas Instruments.TMS2000數據手冊[Z].