感應測井儀的通信及控制設計

李婷蘭 馬鵬飛 葉 欣

（西安石油大學 光電油氣測井與檢測教育部重點實驗室，陜西 西安 710065）

1 引言

感應測井儀是一種應用電磁感應原理測量地層電阻率的精密石油測井儀器。由于井下環(huán)境因素比較復雜，高溫高壓下對儀器控制和通信的穩(wěn)定性要求很高。本文所闡述的感應測井儀通信和控制部分，在FPGA精確的時序控制下主要完成井下儀器與地面系統(tǒng)之間大量數據的高速實時傳輸，包括接收儀器狀態(tài)命令、上傳測井數據。本部分電路中FPGA控制所有的時序和工作狀態(tài)，采用同一個10.24Mhz的外部時鐘源，以保證發(fā)射信號和接收信號的絕對同步，可以達到非常高的精度，是文中所述通信和控制電路的核心。

2 電路設計

作為感應測井儀的井下通信與控制的核心，所有地面發(fā)送到井下儀器的命令以及來自儀器的響應都是由該電路進行控制的。同時采集儀器的各種輔助數據，處理和編碼后上傳地面系統(tǒng)。地面向井下發(fā)送的命令是由儀器數據傳輸協議指定的，都是長度為16位的二進制數，共有19條，包括：數據傳送命令、復位命令、

儀器工作狀態(tài)命令以及恢復狀態(tài)命令。地面系統(tǒng)和井下儀器的通信使用測井電纜實現，電纜由7根纜芯組成，纜芯7在中央，纜芯1到6排列在外圍，并且選擇一種合適的排列方式以減少電纜傳輸信號的纜芯間干擾，避免信號的畸變。根據感應測井系統(tǒng)的要求，電纜遙測通訊系統(tǒng)的設計必須滿足以下幾個參數：1）此通訊系統(tǒng)的數據傳輸速率為21.33kb/s；2）電纜數據傳輸采用半雙工方式，分時傳送上行數據和下行命令；3）下行命令占用時間為2ms，上行數據占用時間為26ms；4）上行長幀為26×20位，下行長幀為2×20位，在每次傳輸時，上行和下行幀數及時序不能改變；5）用曼徹斯特碼傳輸；6）采用多項式：G（X）=X16+X15+X2+1對數據進行CRC校驗。

此通信和控制系統(tǒng)的核心是FPGA及其外圍電路設計。本文中FPGA采用Xilinx公司的XC4010，其外圍主要由：采用10.24Mhz外部系統(tǒng)時鐘源；EPROM芯片使用Xilinx公司的XC18V512，存儲空間為512Kb；Manchester編譯碼器，采用曼徹斯特碼編碼解碼專用芯片HD-15530，此芯片為告訴CMOS器件，分為兩部分，一個是編碼，另一個是解碼，除了復位功能，兩部分獨立工作；還與DSP連接進行數據交換。其外圍結構框圖如圖1所示。

圖1 FPGA及其外圍框圖

在感應測井系統(tǒng)中，所有井下儀器都處于被動受控制的地位，即井下儀器的工作狀態(tài)由地面系統(tǒng)來決定。地面系統(tǒng)按照一定的時序，通過一系列指令來控制井下所有儀器。地面系統(tǒng)將指令發(fā)送給井下CPU控制板后，CPU控制板對所接收到的指令進行譯碼，指令的格式以及含義必須在通信協議中有明確的約定。地面向井下發(fā)送的命令包括：數據傳輸命令、復位命令、儀器工作狀態(tài)命令以及恢復狀態(tài)命令。下面對各命令加以說明：

（1）數據傳輸命令（data communication command）

地面向井下儀器發(fā)送數據傳輸命令，井下儀器接收到此命令，就向地面連續(xù)發(fā)送一組按順序排列的數據。

（2）復位命令（reset command）

對井下儀器中的DSP系統(tǒng)清零和數據采集系統(tǒng)初始化。調試過程中，若出現系統(tǒng)工作混亂，和數據傳輸錯誤時，可用軟件復位。

（3）儀器工作狀態(tài)命令（state command）

儀器有16個工作狀態(tài)，它是由8條狀態(tài)控制線對模擬開關進行切換來實現狀態(tài)控制的。通常儀器工作是按照一定的狀態(tài)順序，在16個狀態(tài)連續(xù)循環(huán)運行。為了在調試過程中清楚儀器的某一工作狀態(tài)的情況，必須使得儀器固定于某一特定的狀態(tài)，此命令就是來完成此功能的。

（4）恢復狀態(tài)命令（return command）

此命令是為了中止固定的某一工作狀態(tài)，恢復到連續(xù)循環(huán)運行狀態(tài)。

當井下CPU板接收到以上四種命令時，將對其進行相應的濾波譯碼處理后執(zhí)行其要求。圖2所示是硬件原理圖。

圖2 硬件原理框圖

其工作原理如下：首先，在上電復位后等待上位機命令，當上位機命令通過電纜到達井下儀器通過通信接口電路后直接由FPGA接收，由于在電纜傳輸的過程中命令會出現很多的毛刺，所以必須先將其送入FPGA進行尖脈沖濾波。再送到曼碼芯片HD-15530中進行解碼，再次送回到FPGA判斷指令類型并按照約定的協議響應命令。如果是數據傳輸命令，就給DSP發(fā)送中斷信號。DSP響應中斷，把數據通過并口送到FPGA進行并/串轉換，然后將串行數據再送給HD-15530進行編碼，編碼后的數據通過電纜傳到地面系統(tǒng)的接口電路，接口電路先進行解碼，然后再傳給計算機進行地面數據處理。

井下通信系統(tǒng)的主要功能是接收地面下行的曼徹斯特碼命令，并把20位的曼徹斯特碼譯碼成16位的二進制碼。同時把井下16位的二進制數據經曼徹斯特編碼由電纜上傳至地面。20位曼徹斯特碼的前3位是同步位，同步碼有兩種類型，數據同步和命令同步，分別定義為：前3位中心為上升沿為數據同步，下降沿為命令同步。中間16位數據以及最后1位CRC校驗位。

2.1 曼徹斯特碼

在石油測井的電纜遙測通訊系統(tǒng)的電纜中采用曼徹斯特碼，可以減小干擾增加數據的穩(wěn)定性。曼徹斯特碼又稱分相馬，是一種用電平跳變來表示1或0的編碼。在曼徹斯特編碼中，每一位的中間有一跳變，位中間的跳變既作時鐘信號，又作數據信號；從低到高跳變表示"0"，從高到低跳變表示"1"，且為雙極性不歸零脈沖。編碼波形如圖3所示。這種碼型的優(yōu)點是：因為正負電平出現的概率相等，無直流分量和低頻分量，主要能量集中在通頻帶中段。這個碼型的不足之處是傳輸速率加倍，要求信道傳輸帶寬加倍。在以太本地數據網中采用該碼型作為傳輸碼型，最高信息速率可達10Mb/s。

圖3 曼徹斯特編碼

2.2 數據采集和控制

感應和聚焦接收到的信號的采集都是由FPGA控制實現的。A/D轉換器作為數據采集模塊的核心單元，由FPGA產生的啟動信號控制，即給A/D轉換芯片一個啟動信號至引腳。而且ADC的引腳在轉換過程中輸出低電平到FPGA，所以FPGA在其轉換過程中不會對它進行其它操作，直至轉換完成置高。隨后，FPGA將從ADC讀取采樣信號，并給DSP發(fā)送一個中斷信號，通知DSP將數據讀進并處理。從而完成測井數據采集與通信控制模塊的通信。

圖4 軟件流程圖

3 軟件設計流程

通信控制模塊軟件的流程圖如圖4所示。其具體工作流程如下：通信控制系統(tǒng)上電初始化，等待接收地面系統(tǒng)的下行命令；當接收到地面的命令后進入命令解釋的軟件設計中，判斷指令類型；接收到16個工作狀態(tài)命令的其中一條時， 儀器固定工作于這一狀態(tài)；接收到狀態(tài)復位命令時，儀器中止某一工作狀態(tài)，恢復到連續(xù)循環(huán)運行狀態(tài)；接收到數據傳輸命令則發(fā)送一個中斷給DSP，然后FPGA將DSP中處理過的數據通過并口讀取并緩存，再將此數據并轉串輸出到編碼芯片；接收到復位命令時，儀器使DSP系統(tǒng)復位并初始化數據采集系統(tǒng)。

4 結論

此設計完成后要與儀器其它模塊連接調試，測試內容包括：地面應用程序發(fā)送下行數據，通過地面電路板和測井電纜的傳輸后，在井下信號處理模塊讀取接收數據，和發(fā)送數據對照以驗證傳輸準確性；井下儀器上傳數據，在計算機上讀取接收結果。

如圖5所示，示波器的通道1，2測量的是地面電路板上HD15530的SEND DATA和SERIAL DATA IN管腳的輸出信號，通道3，4測量的是井下電路板上HD15530的TAKE DATA和SERIAL DATA OUT管腳的輸出信號。由圖中可以看出，井下接收到的數據和地面發(fā)送的數據完全相符。

感應測井儀是由我國自主研制的一種新型測井儀器，具有廣泛的應用前景。本文針對實際測井的環(huán)境特點，設計了基于FPGA的控制與通信電路。該電路能對感應測井進行可靠的控制，能夠使井下CPU板和上位機進行穩(wěn)定的通信，性能達到設計指標，滿足實際生產作業(yè)的需要。

圖 5

[1] 馮啟寧，鄭學新.測井儀器原理—電法測井儀器[M].東營：中國石油大學出版社，1991.

[2] 張庚驥.電法測井[M].東營：中國石油大學出版社，2003.

[3] 張國慶.計算機網絡技術與實踐[M].北京：清華大學出版社，2009.

[4] 李利品，李淑霞.FPGA在高分辨感應測井儀中的應用[J].西安石油學院學報（自然科學版），2003：Vol 18.

[5] 鞠曉東，李會銀.基于CPLD的曼徹斯特碼高速傳輸系統(tǒng)設計 [J].石油大學學報，2003，27（4）：37-40.

[6] 馬彥宇，師奕兵.雙頻感應井下儀器通信設計[J].中國測試，2010，Vol 36.

[7] 湯小松.感應與數字球形聚焦測井系統(tǒng)研究[C].2009.

[8] 劉蔚.高分辨率感應測井儀地面系統(tǒng)研究[C].2008