基于LPC1788的AMI碼解碼電路的設計與實現

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(1.中國電子科技集團公司第二十二研究所 河南 新鄉 453003；2.中國石油集團渤海鉆探工程有限公司測井分公司 天津 300280)

0 引 言

為提升地面系統的配接能力，增強設備兼容性，滿足油田對多種類多廠家生產井儀器的掛接，本文設計一款基于LPC1788的AMI碼型解碼電路，既可以配接AMI碼型生產測井組合儀，也可以配接微分曼碼[1]生產測井組合儀。在此，著重對新配接的某公司AMI碼型生產測井組合儀加以介紹。

1 上傳信號碼型分析

生產測井組合儀上傳數據采用的編碼方式為AMI碼，全稱為信號交替反轉碼。其編碼規則為：二進制的0為信號中的零電平，二進制的1為信號中交替反轉的正負脈沖，如圖1所示。

井下儀器上傳數據幀與幀之間的時隙約1～1.7 ms,數據幀格式為：4位幀頭+8位幀地址+8位字節道數+數據道1+…+數據道[n-3]+1或2位補碼。

圖1 AMI碼型

其中幀頭是以負脈沖起始的4×90 μs的低高低高4個脈沖，脈沖寬度為10 μs。

幀地址與數據道的編碼規則相同，均是遇0不發脈沖，遇1發脈沖，且脈沖正負極性交替出現。第一個脈沖為負脈沖，每位60 μs，數據位低位在前，高位在后，脈沖寬度10 μs。

補碼以正脈沖結束，若最后一個1為正脈沖，則補發一負一正兩個脈沖，若最后一個1為負脈沖，則補發一位正脈沖，如圖2所示。

圖2 上傳信號格式

電纜總線上傳輸的一幀完整信號波形如圖3所示：

圖3 電纜總線信號波形

2 硬件電路分析

2.1 信號流程框圖

井下儀器上傳的AMI編碼信號隔離后經兩階高通濾波去除電纜上的低頻干擾和噪聲，進行放大、信道均衡后，補償和恢復出干凈的AMI碼型。然后通過自動增益調整電路，并經門檻濾波和二級放大將波形調整至合適幅度后進入比較器。比較輸出的信號進入ARM單片機的捕捉口進行解碼處理,CPLD實現雙口RAM讀寫時序及繼電器的邏輯控制，信號流程如圖4所示。

圖4 信號流程圖

2.2 均衡電路設計

測井電纜可以視作由電阻、電容、電感等組成的具有低通特性的網絡，對高頻信號具有一定的衰減作用[2]，且電纜越長，對高頻信號衰減越厲害。此時就要進行電路均衡，對需要的高頻信號進行放大，對不需要的低頻干擾信號進行衰減，以實現上傳信號的高頻補償和過沖抑制，并經后續電路處理，恢復出理想的數據波形，如圖5所示。

圖5 均衡電路

2.3 自動增益電路設計

針對地面系統現有板卡進行生產測井儀配接時，解碼增益調整不夠靈活，使用體驗欠佳等現狀，電路設計時增加了自動增益功能，根據解碼情況尋找合適的信號幅度，對硬件電路的增益進行調整并鎖定，以簡化儀器配接，優化用戶使用體驗，如圖6所示。

圖6 自動增益電路

信號幅度自適應調整的具體過程為：上傳波形經濾波和信道均衡后，進入到增益調整硬件電路。解碼單片機具備自適應學習功能，初始化時首先設置數字電位器初值，并以合適的步長從0開始尋找直至100，找到能夠正確解碼的增益范圍G1至G2，采取相應算法選取解碼的最優增益值G。這樣做一方面可以解決增益手動調整時，參數不容易確定、調整過程緩慢等問題，簡化儀器配接；另一方面，可以根據波形包絡變化及解碼狀態，實時對信號幅度進行自適應調整，有益于降低誤碼率，提升系統可靠性。

3 程序設計實現

3.1 數據同步頭尋找

接收AMI碼的關鍵是同步頭的識別，根據上傳信號的數據格式[3]，可以通過檢測同步頭的高、低電平的碼元寬度來實現。利用單片機的CAP捕獲功能檢測AMI碼同步頭的高電平寬度T1和其后的低電平寬度T2，當識別到四個連續的90 μs碼元，且滿足低高低高規則，即判斷為數據幀同步頭。

3.2 數據解碼流程

找到同步頭后，立即開始幀數據解碼。同時開啟兩個中斷，分別用于邊沿捕獲和碼元定時。根據中斷類型的不同，定時器選取60 μs和90 μs兩種不同的寬度：若進入捕捉中斷，則判定本比特為1，開啟90 μs定時；若進入定時中斷，則判定本比特為0，開啟60 μs定時，如圖7所示。

圖7 程序流程圖

4 AMI碼連零解碼出錯原因分析

AMI碼型由于本身不攜帶任何時鐘信息[4]，所有存在一個重要缺陷，即當數據中出現長的連0碼元時，接收端無法從該信號中獲取有效的位同步信息，定時時間偏差得不到及時校正。經過多次的累積后，就會造成數據位的缺失或增加，出現解碼異常。以碼元00 00 00 00 55 8E錯誤解碼為00 00 00 80 2A C7為例進行分析, 黃色通道表示幀數據解碼完成后立即翻轉。

圖8所示，數據幀00 00 00 00 55 8E應該有兩位補碼，而黃線直到第一位補碼后才發生翻轉，說明錯誤地將其中一位補碼認作了數據位。這是因為，當數據位連零過多時，由于位定時信息的累積偏差，解碼過程中丟失了一個碼元0，之后的數據位均向前移動一位，造成后面的數據全部錯位，出現解碼異常，如圖9所示。

圖8 碼元00 00 00 00 55 8E波形圖

圖9 出錯后移位情況分析

5 結 論

本文設計了一款AMI碼解碼電路，并成功地應用到已投產的地面數控測井儀，所實現的系統具有以下優點：硬件電路簡單，穩定可靠，預處理后的信號脈沖幅度一致性好，且充分避開了反沖干擾；主控芯片采用ARM芯片，響應速度快，解決了長零串時時鐘累積偏差出現誤碼的情況；靈活性高，自動增益降低了小隊儀器配接的難度，優化了用戶體驗。多次上井試驗表明，板卡性能穩定，通訊可靠，實現了與不同井下儀器的配接，很好地滿足了系統需求。