基于USB總線的遠探測方位反射聲波成像測井儀數據讀取接口設計

謝 超,門百永,幺永超,盧俊強,王邦偉,劉先平

(1.中國石油大學(北京) 油氣資源與探測國家重點實驗室, 北京 102249；2.中國石油大學(北京)地球物理學院，北京 102249；3.南方科技大學 地球與空間科學系,廣東 深圳 518055； 4.中國石油集團測井有限公司 西南分公司，重慶 400021；5.中國石油測井有限公司 天津分公司，天津 300280)

0 引言

隨著勘探開發的不斷深入，遠離井壁周圍空間的探測成為迫切需要的勘探技術[1-3]，中國石油大學(北京)與中國石油集團合作研制的基于相控陣技術[4-6]的遠探測方位反射聲波成像測井儀(BAR)[7-8]成功實現了帶方位分辨能力的遠離井壁地質空間的探測。為實現方位分辨能力，BAR采用了陣列化的探測器結構(傳感器數量達80個)；為實現遠距離探測，BAR每個傳感器數據采樣深度可達8 k，因此，每個深度點總數據量可達1.2 MB。而現今成熟的電纜測井遙傳系統最高通訊速度不超過1 Mbps[9-10]。

為解決遙傳通訊速度低的瓶頸，BAR采用了“井下存儲，抽樣上傳”的工作方式，即所有測井數據均存儲于井下大容量存儲器內，僅抽樣部分關鍵數據上傳到地面[11]。在BAR儀器上提到井口后，需要在現場快速讀取測井數據，通過回放分析軟件快速驗證測井施工質量是否合格。常規的測井地面系統不具備專用高速數據讀取接口，因此，需要開發專用的數據讀取接口，以實現BAR數據的現場快速讀取和回放分析。另外，數據讀取接口應具備獨立供電能力，可以實現井下數據存儲電路的供電。

本文設計了一種基于USB總線的遠探測方位反射聲波成像測井儀數據讀取接口，實現了在井場對BAR主控短節內的數據存儲電路供電和測井數據的快速讀取與回放、以及測井質量的檢驗。

1 數據讀取接口整體設計

BAR測井儀的主控短節內的數據存儲模塊的供電為9～15 V，常溫下功耗不超過2 W，數據存儲模塊物理讀取速度不高于10 MB/s，經過本地文件系統處理后，數據輸出速度約為8 MB/s。本設計中選用USB2.0接口，即可以滿足通訊要求，也可以為接口電路供電。接口電路與井下儀器數據存儲模塊的物理連接距離為3～5 m，且二者通過31芯測井連接器相連，引線資源有限；另外，井場環境還存在各種強電干擾。因此，接口電路與井下儀器數據存儲模塊的通訊選用多點低電壓差分信號(M-LVDS)來構建高速串行總線[12-13]。

數據讀取接口整體結構如圖1所示。數據讀取接口主要由運行于上位機的控制軟件和接口電路兩部分組成。其中，硬件接口電路實現BAR數據存儲模塊數據輸出接口和計算機接口的轉換。控制軟件實現數據讀取過程的控制、數據存儲、數據解編和數據回放。上位機通過USB總線控制數據讀取接口板，數據讀取接口電路根據上位機命令通過基于M-LVDS的高速串行總線讀取井下數據。

2 數據讀取接口電路硬件設計

數據讀取接口電路主要由鋰電池、電源管理電路、電流檢測電路、USB總線控制器、FPGA和高速總線驅動器等組成，其結構如圖2所示。其中，電源管理電路實現將USB供電轉換為數據讀取接口電路內各電路所需要的低壓電平，如3.3 V、1.2 V等。另外，電源管理電路將鋰電池的輸出升壓轉換為15 V輸出，給BAR主控短節內的數據存儲模塊供電。電流檢測電路用于精確檢測數據存儲模塊的供電電流。根據數據存儲模塊的供電電流可以對存儲模塊的故障進行初步判斷。

USB控制器實現數據讀取接口電路和主機間的通訊，本設計中選用FTDI公司的FT232H[14]，該芯片以內部固件實現了整個USB協議，最高通訊速度可以達到40 MB/s。本設計中將FT232H配置成USB轉異步并行FIFO模式，在此模式下，FT232H內置一個雙向FIFO接口，通過讀寫標志信號和讀寫使能信號與FPGA進行通訊。

為了保證數據讀取接口電路通訊的高效，前端控制器采用FPGA芯片作為主控制芯片。本設計中FPGA實現數據編碼、解碼、校驗、數據緩存、高速串行總線控制等。與微處理器MCU中指令順序執行所不同的是，FPGA中大量的門陣列可以實現復雜的并行邏輯控制功能，可以以流水線的方式實現數據的編碼、校驗和緩存等，提高總線響應的時效。以FPGA為控制核心也便于升級和擴展。

高速總線驅動器實現TTL電平和M-LVDS電平的轉換。

3 數據讀取接口電路軟件設計

3.1 傳輸格式

井下儀器與數據讀取電路的通訊和數據讀取電路與上位機的通訊均采用相同的幀格式，具體格式如圖3所示。一個完整的通訊幀包括幀頭、幀類型、幀內容和校驗碼。根據傳輸數據長度的不同將通訊幀分為兩類，一種是短幀，總長度規定為16字節，用于傳輸命令和井下儀器供電電流值等；一種是長幀，總長度固定為2 048字節，僅用于傳輸井下儀器上傳數據。

3.2 控制邏輯設計

數據讀取接口電路的軟件是運行在FPGA內的邏輯電路，采用VHDL語言進行設計，圖4為控制邏輯結構框圖。FPGA內的邏輯電路主要由USB并行接口、命令解析、下傳命令集、8B/10B編碼、串行發送器、總線驅動控制器、串行接收器、10B/8B解碼、數據校驗、數據緩存、上傳命令集、供電管理、電流采集控制、電流緩存器等邏輯功能模塊組成。

USB并行接口模塊由USB數據讀取功能模塊和USB數據寫入功能模塊組成，其中USB數據讀取功能模塊是根據FT232H的接收數據指示信號RXF，讀取上位機發送到FT23H內部FIFO中的下傳數據，而后發送該數據到命令解析功能模塊。USB數據寫入功能模塊是跟據FT232H發送指示信號TXF，在狀態控制器的控制下，將選擇緩存數據或電流測量值或命令集內的數據發送到FT232H中的發送FIFO中。

命令解析模塊的功能是根據接收命令的內容產生相應的控制指示信號，用于驅動狀態控制器狀態的轉換，并將需要下傳的命令寫入到下傳命令集中。

下傳命令集為數據讀取接口電路下發到井下儀器主控短節的命令集合，其包括兩部分，一部分是與井下儀器通訊的握手命令，如下傳數據請求命令、下傳數據重發命令等，該類命令以ROM形式固化在FPGA內；另一部分是由數據讀取接口電路轉發給井下儀器的上位機命令，緩存在FPGA內的雙口RAM中。

數據讀取接口電路與井下儀器主控短節通過差分串行總線通訊，為提高數據傳輸的可靠性，二者間的通訊采用了8B/10B編碼方法。8B/10B編碼方法是通過冗余的2 bits實現傳輸的數據流中‘0’和‘1’的數量均等。該編碼方法保證數據流中有足夠的電平轉換，既可以實時校正串行接收電路的時鐘漂移，又可以保證直流平衡，從而保證數據傳輸的高可靠性。另外，額外的冗余編碼還可以用于數據錯誤識別，提高傳輸的校驗能力。FPGA是基于查找表結構，且有大量的內部存儲空間，因此，本設計中8B/10B編碼和10B/8B解碼模塊均采用查表法實現，在串行發送和接收時同步實現編碼和解碼，提高傳輸效率。

數據解析及校驗模塊是根據數據傳輸協議的約定解析命令及校驗接收到數據的正確性，并將命令類型及校驗結果通知狀態控制器。本設計中采用CRC-7校驗，校驗碼采用查表方式獲得，可以在一個時鐘周期內得到校驗碼，從而可以與串行接收器及數據緩存器同步工作，同步實現數據的接收、校驗和緩存。

數據緩存模塊主要用于緩存井下儀器上傳數據和電流采集數據，該數據緩存基于FPGA內的SRAM實現，分為3個雙端口SRAM區。其中電流采集數據緩存區占用一個SRAM區，采用循環寫入模式。井下儀器上傳數據緩存區占用為兩個SRAM區，采用乒乓結構。

上傳命令集為數據讀取電路發送到上位機的命令的集合，該命令集以ROM形式固化在FPGA內。

狀態控制器是數據讀取接口電路的核心，其根據上位機的下發命令、井下儀器上傳數據狀態和數據讀取接口電路的狀態，產生相應的控制信號，實現命令下發及命令和數據上傳的功能。狀態控制器主要由下傳控制狀態機和上傳控制狀態機組成。下傳控制狀態機主要包括供電設置態、下傳命令態和設置上傳命令態，具體轉換關系如圖5(a)所示，其中，設置上傳命令狀態的作用是產生驅動上傳控制狀態機狀態轉換的控制信號。上傳控制狀態機主要狀態有上傳電流值態、上傳命令態和上傳數據態，具體轉換關系如圖5(b)所示，其中，上傳數據態包含等待子狀態，僅當數據傳輸完成后退出上傳數據態。

基于硬件描述語言設計的控制邏輯實現了上位機命令的解析、命令編碼下傳、上傳數據同步接收、同步解碼和校驗等，純硬件邏輯使各部分同步協調工作，可以實現高效的數據傳輸。圖6為下傳命令和上傳數據的仿真波形圖。圖中，數據讀取電路在接收到上傳數據后的5個時鐘周期內開始發送下傳命令，可以看出純邏輯電路響應高效迅速。

4 上位機軟件設計

上位機軟件的功能是通過下發命令控制數據讀取接口電路讀取井下儀器的測井數據、存儲和回放測井數據并將測井數據轉換為測井評價軟件能識別的標準格式文件。

上位機軟件基于Visual Studio 2005實現，其組成結構如圖7所示。控制軟件主要由數據讀取、電流監控、數據存儲、文件轉換和回放顯示等功能模塊組成，以上功能模塊均在獨立的線程中實現。

數據讀取線程的主要功能是通過調用D2XX驅動程序控制數據讀取電路與井下儀器數據存儲模塊進行通訊，實現井下儀器數據的連續讀取，并將接收到的數據發送給數據存儲線程。另外，數據讀取線程還負責控制清空井下儀器數據存儲模塊。

數據存儲線程主要負責井下上傳數據的重整、錯誤校正和存儲。井下上傳數據包括井下儀器工作狀態信息和原始波形數據。數據存儲線程將上傳數據存儲為原始數據文件，同時提取儀器工作狀態信息并以文本格式存儲到一個獨立的狀態文件，將聲波波形數據以二進制格式存儲到另一個獨立的測井數據文件。

文件轉換線程主要實現聲波測井數據的增益還原、深度還原和標準格式的轉換，以提供符合各測井解釋平臺格式要求的測井數據文件。由于測井數據文件較大，普通的IO文件操作方式效率較低下，本設計中采用了內存映射文件方式實現測井數據文件的讀取和標準格式文件的寫入。

電流監控線程是在數據讀取過程中定時讀取和記錄井下儀器數據存儲模塊的供電電流。通過井下儀器數據存儲模塊供電電流的異常，可以初步預測井下儀器數據存儲模塊失效概率，并為數據存儲模塊的失效分析提供支撐。

5 實驗結果與分析

所研制的遠探測聲波測井儀數據讀取接口已成功應用測井現場，累計完成8口井的現場數據讀取。在BAR測井儀的井下工作結束后，儀器上提到井口，利用該數據讀取接口將測井數據快速讀取到計算機中。自定義高速串行總線(M-LVDS總線)實現數據讀取接口與測井儀主控短節的通信，原始測井數據以80 Mbps的速率傳輸到FPGA中進行通訊協議的解編和校驗。校驗成功的數據由USB總線上傳到測井計算機中，由上位機軟件進行回放。

圖8為原始數據傳輸過程中高速串行總線波形圖，圖中通道1為數據讀取接口電路總線驅動的發送使能信號，通道3為M-LVDS+，通道2為M-LVDS-。從圖中可以看出，差分總線速率為80 Mbps。在接收到上傳數據后，數據讀取接口電路延時350 ns左右即啟動命令下傳。可以看出，基于硬件邏輯的并行化協議管理方法保證了高速串行總線上下行的快速切換，也保證串行總線的高速率。

新疆塔里木油田某口井的測井數據為720 MB，讀取時間為101 s，則平均讀取速度達到了57 Mbps，略低于理論數據讀取速率。經觀測發現，在某些時候井下數據存儲模塊在接收到數據請求命令后的響應存在不定延時。這主要是因為井下數據存儲模塊在讀取數據過程中首先進行分塊校驗，如果出現錯誤則需要根據冗余信息校正錯誤，因此出現響應延時，降低了整體數據讀取速度。

圖9為測井現場井口數據回放界面圖。該次施工測井井段為3 808.82～3 556.32 m，波形數據質量良好。

6 結束語

本文設計了一種基于USB總線和高速串行總線的測井數據讀取接口。本設計采用FPGA作為控制核心，基于硬件描述語言設計的控制邏輯實現了上位機命令的解析、命令編碼下傳、上傳數據同步接收、同步解碼和校驗等，純硬件邏輯使各部分同步協調工作，實現了高效的數據傳輸。經測試，該數據讀取接口的平均數據讀取速率達57 Mbps，實現了測井數據的現場快速讀取和回放，保證了測井數據檢驗的時效及測井施工的效率。