一種多功能井下信號(hào)轉(zhuǎn)換適配器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

羅明璋，熊曉東，陳寶，賀曉真，吳愛(ài)平，朱斌，

（1.長(zhǎng)江大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北 荊州 434023；2.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司，陜西 西安 710077）

0 引 言

測(cè)井生產(chǎn)實(shí)踐表明組合測(cè)井能有效提高測(cè)井效率和減小測(cè)井成本［1－2］。曼徹斯特碼信號(hào)因其便于分時(shí)傳輸和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在測(cè)井電纜傳輸中得到廣泛應(yīng)用［3－4］。井下儀器之間通過(guò)井下總線進(jìn)行通訊，常見(jiàn)的井下總線有 DTB［1－2］和CAN［5－6］等格式。為了實(shí)現(xiàn)不同生產(chǎn)廠家儀器的組合測(cè)井，經(jīng)常需要研制不同的信號(hào)格式轉(zhuǎn)換器適應(yīng)其場(chǎng)合：①將具有曼徹斯特碼輸入輸出接口的井下儀器掛接到DTB總線遙傳；②將具有曼徹斯特碼輸入輸出接口的井下儀器掛接到CAN總線遙傳；③將具有CAN總線接口的儀器掛接DTB總線遙傳；④將具有DTB總線接口的儀器掛接CAN總線遙傳。

為適應(yīng)上述要求，本文提出并實(shí)現(xiàn)了一種小體積、低功耗、多功能的信號(hào)適配器，實(shí)現(xiàn)PCM／DTB、PCM／CAN、DTB／CAN信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換。通過(guò)俄羅斯感應(yīng)測(cè)井儀與中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司研制的EILog快速與成像測(cè)井系統(tǒng)的掛接試驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性與優(yōu)越性。

1 硬件設(shè)計(jì)

適配器硬件框圖如圖1虛線框所示。系統(tǒng)采用FPGA作為DTB總線的時(shí)序控制和集成CAN協(xié)議控制器的單片機(jī)C8051F060作為CAN總線驅(qū)動(dòng)和PCM信號(hào)的軟編解碼的設(shè)計(jì)方案。

圖1 多功能適配器硬件框圖

1.1 曼徹斯特信號(hào)接收調(diào)理電路

圖2為PCM信號(hào)接收調(diào)理電路。PCM信號(hào)接收調(diào)理電路由兩級(jí)放大器和一級(jí)滯回比較器構(gòu)成。C20和C21起去除直流分量的作用；橋式電阻結(jié)構(gòu)為方便改變放大器放大倍數(shù)而設(shè)計(jì)；滯回比較器將曼徹斯特碼信號(hào)變成單片機(jī)能識(shí)別的TTL電平。

1.2 曼徹斯特PCM信號(hào)編碼發(fā)送電路

將C8051f060處理器的P0.5與P0.6分別配置為數(shù)字輸出模式，由軟件控制兩引腳的電平控制Q1、Q2的導(dǎo)通狀態(tài)，通過(guò)變壓器將PCM3508格式的曼徹斯特碼信號(hào)耦合到曼徹斯特碼通信線纜上（見(jiàn)圖3）。

1.3 CAN 總線接口電路［8－10］

圖4 CAN控制器外圍電路設(shè)計(jì)

C8051F060內(nèi)嵌的CAN核只提供CAN控制協(xié)議，應(yīng)用時(shí)需外加CAN總線收發(fā)器。選用MAX3050作為CAN總線收發(fā)器，CAN總線接口電路見(jiàn)圖4。MAX3050收發(fā)器是協(xié)議控制器和物理傳輸線路之間的接口，速率可以高達(dá)1Mbit／s。為提高系統(tǒng)的抗干擾能力和對(duì)CAN控制器的保護(hù)，在CAN收發(fā)器和CPU的CAN核之間加入一級(jí)磁隔離（IL712-3），實(shí)現(xiàn)了總線上各CAN節(jié)點(diǎn)之間的電氣隔離，提高了節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性和安全性。

在MAX3050與CAN總線接口部分也采用了一些安全和抗干擾措施。在MAX3050的CANH和CANL引腳各自并接1個(gè)120Ω的電阻，再通過(guò)一個(gè)47pF的電容連接到地，起阻抗匹配和抗干擾作用。CANH和CANL之間跨接1只100pF的電容，可以起到濾除總線上的高頻干擾和防電磁輻射的能力。

1.4 DTB總線接口電路

DTB總線包含3路信號(hào)：下行時(shí)鐘信號(hào)DSIG、上行時(shí)鐘信號(hào)UCLK、上行數(shù)據(jù)／數(shù)據(jù)請(qǐng)求復(fù)用信號(hào)UDATA／GO。DTB總線接口如圖5所示，其工作原理如下：

下行信號(hào)DSIG經(jīng)信號(hào)時(shí)鐘分離電路輸出下行數(shù)據(jù)信號(hào)DData和下行時(shí)鐘DCLK。

FPGA模塊在DCLK的節(jié)拍下對(duì)DData進(jìn)行解碼，通過(guò)并行端口將數(shù)據(jù)輸出到單片機(jī)P2口，并提供一個(gè)觸發(fā)信號(hào)Commcome給單片機(jī)；單片機(jī)在Commcome信號(hào)的中斷下從P2口讀取命令數(shù)據(jù)。FPGA控制信號(hào)時(shí)序如圖6所示。

單片機(jī)對(duì)從P2口讀取的命令數(shù)據(jù)編碼成PCM3508信號(hào)格式經(jīng)由曼徹斯特碼調(diào)理電路下發(fā)給井下儀器組合；井下儀器組合收到命令后進(jìn)行測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)采集，并將采集到的數(shù)據(jù)以PCM3508信號(hào)格式經(jīng)由曼徹斯特碼調(diào)理電路上傳給單片機(jī)。

雙向傳輸信號(hào)UDATA／GO經(jīng)比較驅(qū)動(dòng)電路給單片機(jī)提供觸發(fā)信號(hào)gop，單片機(jī)在響應(yīng)gop信號(hào)的進(jìn)程中將測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)在UData信號(hào)的節(jié)拍下上傳給遙傳。

2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件為運(yùn)行在高速單片機(jī)C8051F060里的程序，利用C51語(yǔ)言編寫(xiě)，主程序流程見(jiàn)圖7。系統(tǒng)軟件通過(guò)對(duì)接口自檢確定工作模式，工作模式包括 Manchester／DTB、 Manchester／CAN、DTB／CAN等3種。但不管工作在何種工作模式，其核心功能為曼徹斯特信號(hào)編解碼、DTB總線通信、CAN通信。

圖7 主程序流程圖

2.1 曼徹斯特信號(hào)編碼

PCM3508是一種典型的曼徹斯特碼信號(hào)，在測(cè)井儀器中被廣泛應(yīng)用，其信號(hào)格式如圖8所示。C8051f060首先配置P0.5和P0.6為輸出，然后通過(guò)改變P0.5和P0.6的輸出電平控制2個(gè)三級(jí)管的通斷實(shí)現(xiàn)PCM3508的編碼。

圖8 PCM3508信號(hào)格式

2.2 曼徹斯特信號(hào)解碼

解碼是編碼的逆過(guò)程，曼徹斯特碼的解碼通過(guò)定時(shí)監(jiān)測(cè)P0.4的狀態(tài)實(shí)現(xiàn)，其流程如圖9所示。首先根據(jù)同步頭與數(shù)據(jù)位的信號(hào)寬度差異識(shí)別同步頭，其中同步頭為3位數(shù)據(jù)寬度；然后通過(guò)不斷捕捉P0.4信號(hào)的邊沿并比較邊沿前后的狀態(tài)識(shí)別數(shù)據(jù)位以及奇偶校驗(yàn)位。

圖9 PCM3508解碼流程圖

2.3 DTB總線通信

C8051F060通過(guò)在Commcome信號(hào)的中斷響應(yīng)例程中讀取P2口的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)DTB總線數(shù)據(jù)接收功能。數(shù)據(jù)上傳功能由gop信號(hào)引起的中斷服務(wù)子程序中完成，將解碼接收到的井下儀器數(shù)據(jù)在UCLK的節(jié)拍下上傳給DTB總線，上傳數(shù)據(jù)位數(shù)與UCLK提供的始終數(shù)嚴(yán)格一致。程序流程如圖10所示。

圖10 發(fā)送數(shù)據(jù)到DTB總線流程圖

3 試驗(yàn)與應(yīng)用

近年來(lái)，俄羅斯感應(yīng)測(cè)井儀因其分層能力強(qiáng)和探測(cè)深度大的優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外各大油田得到了廣泛應(yīng)用［11］。俄羅斯感應(yīng)測(cè)井儀的通信接口采用PCM3508信號(hào)傳輸格式。EILog快速與成像測(cè)井系統(tǒng)井下總線采用DTB總線或CAN總線［11］。

圖11和圖12分別給出了俄羅斯感應(yīng)測(cè)井儀與DTB總線和CAN總線組合測(cè)井的曲線，其中IR1A、IR2A、IR3A、IR4A曲線為俄羅斯感應(yīng)測(cè)井儀測(cè)得的地層電阻率曲線。目前，該短節(jié)在油田現(xiàn)場(chǎng)得到了廣泛的使用，上井一次性成功率達(dá)到100%，測(cè)出的曲線合格率達(dá)到100%，優(yōu)秀率達(dá)到95%。

4 結(jié) 論

（1）多功能適配器具有體積小、功耗低、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，具備了曼徹斯特碼、DTB、CAN這3種信號(hào)格式的轉(zhuǎn)換功能，通過(guò)該適配器可以實(shí)現(xiàn)不同系列的測(cè)井儀器的組合測(cè)井，能有效地提高生產(chǎn)效率和節(jié)約成本。

（2）通過(guò)俄羅斯感應(yīng)測(cè)井儀與EILog快速與成像測(cè)井系統(tǒng)的掛接，驗(yàn)證了該短節(jié)能有效與聲波、電阻率、放射性測(cè)井儀器實(shí)現(xiàn)組合測(cè)井，具有較高的推廣價(jià)值。

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