數字基帶編碼測井信號雙向傳輸硬件設計

楊賀

(大慶油田責任有限公司測試技術服務分公司,黑龍江大慶163000)

0 引 言

中國測井領域常用的數字基帶編碼測井信號傳輸碼型[1]有雙極性歸偏曼徹斯特碼型(一種為傳輸速率為5.7292 kbit/s,一幀10個曼徹斯特碼字參數信息,傳輸周期為40 ms,符合DDLIII傳輸標準;一種為傳輸速率為11.45 kbit/s,一幀16到60個曼徹斯特碼字參數信息,傳輸周期不定,高4～6 bit為參數地址);3508雙極性曼徹斯特碼型(傳輸速率為20.83 kbit/s);PCM碼(傳輸速率最高72 kbit/s左右,數據位有15 bit或23 bit,一位負脈沖同步位);3506PCM是一種雙極性歸零制編碼(3506PCM每一數據幀有17個數據字,每個數據字有16個數據位,上傳PCM傳輸波特率8 kbit/s,幀周期238 ms)。

對于不同編碼方式及不同傳輸速率的數字基帶編碼測井信號,需要專用的地面測井模塊進行信號處理,前端處理電路有阻容耦合方式和變壓器耦合方式。本文介紹了在基于PXI總線的地面系統研發項目中,采用多種方式進行編碼測井信號耦合及前端預處理,利用靈活方便的現場可編程門陣列FPGA[2]進行數字基帶信號編、解碼的生產測井地面硬件設計。

圖1 阻容耦合和信號濾波電路圖(解釋如何電纜匹配)

1 數字基帶測井信號電纜匹配硬件設計

地面測井設備解調測井電纜基帶傳輸編碼信號并下發測井命令,其根本前提是地面設備與測井電纜匹配濾波網絡的配置及測井命令下傳驅動電路的設計。

測井電纜的傳輸性能與所傳輸信號的頻率密切相關[3],對于低頻段信號,測井電纜呈現阻性特征;對于中頻段信號,測井電纜呈現容性特征;對于高頻段信號,測井電纜呈現感性特征。在直流信號或低頻段信號,測井電纜的阻性特征使脈沖幅度降低,地面電纜匹配網絡對測井信號的恢復比較容易。測井電纜容性特征使編碼脈沖相位滯后,脈沖寬度增大,增大到一定程度就會產生脈沖信號混疊現象。同時,測井電纜呈現容性特征,會使基帶數字編碼測井信號的上升或下降變慢,從而導致波形的畸變,產生信道間干擾和符號間干擾。測井電纜感性特征使高頻信號衰減嚴重、相位超前。對于編碼信號而言,測井電纜的容性特征和感性特征都會使基帶傳輸編碼信號波形失真,地面解調非常困難。對于20.83 kbit/s以下頻率的雙極性曼徹斯特碼信號,可以認為測井電纜同時具有阻性特征和容性特征并忽略測井電纜感性特征。由于PCM碼信號本身電纜平衡性差,有信號混疊現象和碼間干擾,目前只有超聲電視和磁記憶儀器所采用,所以本文主要以曼徹斯特碼信號為例加以敘述。

1.1 數字基帶雙極性曼徹斯特碼信號輸入電纜匹配

對于雙極性歸偏曼徹斯特碼型,傳輸速率為5.729 2 kbit/s的基帶編碼信號,地面電纜匹配網絡根據生產測井常用4 000 m電纜,每千米33 Ω電阻、0.1 μF電容參數,計算通頻帶選擇電容及電阻,設計為阻容耦合及信號濾波網絡(見圖1)。阻容耦合對于接收頻率較低的基帶傳輸數字編碼信號方便實用。缺點是對編碼脈沖的上升沿或下降沿來說有拖尾現象,并且不容易消除干擾脈沖。

圖2 信號變壓器和信號濾波電路圖

對于雙極性曼徹斯特碼型,傳輸速率20.83 kbit/s的基帶編碼信號,地面電纜匹配網絡可以設計為信號變壓器+信號濾波網絡(見圖2)。應用脈沖信號變壓器進行信號耦合,可以去除直流分量,符合1553B信號傳輸標準[4]。同時,信號干擾通常以同樣的方式影響脈沖變壓器的2路輸出。如果2路輸出上的電壓都改變,則由于相減的結果干擾可被消除,信號信息依然清晰。滿足信號傳輸特征頻率的信號變壓器可以對編、解碼信號進行邊緣觸發信號進行雙向傳輸。

圖3 差動運算放大器和HA-5002驅動芯片電路

1.2 數字基帶雙極性曼徹斯特碼信號輸出電纜匹配

測井經常使用的傳輸驅動電路:一種是以集成驅動芯片或厚膜驅動芯片為核心的驅動電路(見圖3),另一種是以驅動信號變壓器為核心和MOS驅動管組成的組合驅動電路,2種電路功能類似。由于MOS管組合驅動電路信號頻率范圍比較大,不用雙極性電源,所以基于PXI總線的數控測井地面系統采用驅動信號變壓器方式。

圖4為地面測井模塊向測井儀器下發雙極性曼徹斯特碼信號采用驅動變壓器電路。利用信號變壓器可以方便調節驅動電纜匹配電阻,抵消同相脈沖干擾,降低電纜反射效應。

圖4 MOS驅動管和信號輸出變壓器電路圖

2 曼徹斯特碼解碼方式[5]的選擇

2.1 利用HD15530和HD-6408專用曼徹斯特碼芯片進行硬件雙向編、解碼

專用曼徹斯特編碼解碼器的優點是內部結構緊湊,無冗余電路,功耗低,HD-15530、HD-6409都只有50 mW的功耗,具有編碼、解碼、數據中繼多種工作方式,工作穩定可靠。缺點是數據的輸入輸出均為串行方式,在實際應用中,需要增加并入串出和串入并出移位寄存器實現并/串、串/并轉換,而且在傳輸過程中實現數據的輸入輸出對操作時序有較嚴格的要求,這對于單片機等并行接口系統來說過于繁瑣。

2.2 利用MCU和DSP進行軟件編、解碼

在這種方式下需要MCU和DSP有很高的工作頻率,由于地面MCU和DSP還有很多數據采集及處理工作,編、解碼占用非常多的時間,資源占用大、功耗高,所以地面測井模塊很少采用此方案。

2.3 利用FPGA現場可編程門陣列進行數字基帶信號編、解碼

這種工作方式的開發手段是采用VHDL和Verilog語言,用編、解碼時序狀態機模型進行軟件編程,硬件實現。FPGA時序穩定,定時精確。采用N倍信號傳輸速率的編、解碼時鐘,采用邊沿觸發模式,冗余度高,工作可靠[6]。因此,基于PXI總線的新型數控測井地面系統研發項目,采用了FPGA進行數字基帶信號編碼、解碼。

3 FPGA雙向數據傳輸的硬件設計原理

圖5是基于PXI總線的FPGA采集測井編碼信號的硬件設計原理框圖。測井信號是雙向的,一方面信號經過電纜輸入到測井模塊信號調理端口;另一方面地面主機的實時命令通過測井模塊功率驅動口經電纜下傳到井下儀器中。

圖6 FPGA內部設計框圖

圖5 基于PXI總線的測井信號FPGA數據采集原理框圖

在圖5中,常規測井數字基帶信號類型包括正、負脈沖復合類型(含PCM編碼);單極型脈沖型;歸偏曼徹斯特碼型;3508雙極性曼徹斯特碼型等測井信號經過多頻段濾波電路,消除電纜畸變和工頻噪聲影響。數字基帶編碼測井信號,通過前端處理電路使測井信號經過整形處理、放大滿足TTL電平。在經過電平轉換芯片達到滿足FPGA電平需要進入FPGA[7]。

FPGA功能單元按功能劃分主要分為2個部分:對脈沖信號和深度信號的計數與頻率測試;完成和井下設備的通信功能。FPGA內部設計規劃如圖6所示,其中EBC Interface的作用主要是根據從PPC的EBC接口時序完成PPC與FPGA之間的讀寫操作;Regs包括了對通信和計數子模塊進行控制的配置寄存器,進行數據收發和計數器數值的數據寄存器,以及控制AD9850的控制寄存器等。數據發送時,首先把需要發送的數據保存在發送寄存器里面,在軟件的控制下把數據輸入到相應的通信子模塊,經過編碼后發送出去。接收數據時,由于物理通道有3個,根據軟件設置由FPGA內的多路選擇器進行切換。相應的通信子模塊將收到的串行數據解碼后放入各自模塊的接收FIFO[8]中。FPGA內部的DEPTH_MEAS和TIMER實現對深度信號以及時間的測量;TRIG_MODULE模塊主要提供觸發選擇控制,根據軟件設置可選擇幀觸發、等深度觸發、等時間觸發、PXI觸發以及軟件觸發,當觸發信號產生時,FPGA向PPC發出中斷,各個處于工作狀態的解碼模塊,脈沖測量模塊,深度測量模塊,時間計數模塊保存當前數據。PPC在查詢各模塊數據準備完畢后,讀取接收FIFO中的數據。FIFO存儲器的特點:不需要地址尋址,可簡化控制信號;數據寫入和讀出不依賴于數據速率,可以慢寫快讀、也可快寫滿讀;進行數據寬度和存儲深度的擴展不會增加額外的時間延遲,因此滿足了實際測井要求。FPGA內部可配置數據FIFO和命令FIFO,地面主機通過POWER PC(CPU)完成PXI總線映射,并向命令FIFO發送井下儀器控制命令,FPGA內部由編碼時序狀態機完成分步實時編碼,并實時通過電平轉換和功率驅動組合電路完成向井下儀器的命令傳送。通過以上處理過程,完成了數字基帶編碼測井信號的雙向數據傳輸。

4 結束語

(1)常規數字基帶編碼測井信號,通過外圍電路進行電纜匹配和多頻段濾波電路及相應電平轉換,由FPGA完成解碼并通過映射PXI總線完成數據采集。同樣,下井命令也是通過映射PXI總線送入FPGA內部命令FIFO,通過電平轉換和驅動組合電路完成向井下測井儀器的命令傳送。所以FPGA是PXI總線數字基帶信號測井模塊重要的地面硬件核心設計。

(2)FPGA和CPU相互連接,靈活控制測井信號的數據采集方式,硬件設計冗余度好。由于FPGA編、解碼設計靈活,內部邏輯可以根據實際測井需要,由地面主機控制進行FPGA配置寄存器控制,可以優化FPGA設計,完成數字基帶編碼測井信號雙向數據傳輸的地面硬件多種測井功能。