井下測井儀器數(shù)據(jù)總線的研究與設(shè)計

顧慶水，歐莽平，張菊茜，陶愛華，陳偉，伍瑞卿

（1．電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，四川 成都611731；2．中海油田服務(wù)有限公司油田技術(shù)事業(yè)部，河北 三河065201）

0 引 言

測井過程中井下測井儀器的采集數(shù)據(jù)需通過數(shù)據(jù)總線送至遙傳儀器并通過遙傳儀器傳輸至地面主控（以下簡稱上行）；地面主控通過數(shù)據(jù)總線將各種控制命令傳至相應(yīng)的井下測井儀器（以下簡稱下行）。井下測井儀器數(shù)據(jù)總線一般要求雙向數(shù)據(jù)傳輸。根據(jù)測井特點，上行傳輸速率的要求遠(yuǎn)高于下行速率。

阿特拉斯公司的ECLIPS 5700成像測井系統(tǒng)采用了1553B總線，其上行有3個數(shù)據(jù)通道，總速率約230kbit／s，下行只有1個通道，速率為20．83 kbit／s；斯倫貝謝公司的CSU測井系統(tǒng)采用DTB總線，其傳輸速率是100kbit／s。最新的哈里伯頓公司的Log－IQ、中國長城鉆探的LEAP800、中海油服的ELIS－1000采用的都是以太網(wǎng)總線，傳輸速率達(dá)到10Mbit／s［1］。此外也有采用 CAN（Controller Area Network）總線（傳輸速率為1Mbit／s）和 RS－485總線（傳輸速率為500kbit／s）實現(xiàn)［2－3］。針對單芯電纜的測井系統(tǒng)，具有代表性的是Sondex儀器其井下儀器數(shù)據(jù)總線采用Ultrawire的總線，其傳輸速率為500kbit／s。本文首先分析了當(dāng)前這些測井儀器數(shù)據(jù)總線的不足，根據(jù)實際測井需求，設(shè)計了一套新的井下測井儀器總線并進(jìn)行了性能測試。

1 井下測井儀器數(shù)據(jù)總線分析

遙傳儀器的上行速率已達(dá)到1Mbit／s以上［1，4］，為了充分發(fā)揮遙傳儀器的高速傳輸性能，井下測井儀器數(shù)據(jù)總線的速率至少要求達(dá)到2Mbit／s。

新的高速遙傳系統(tǒng)中井下測井儀器數(shù)據(jù)總線一般采用基于10－Base2的以太網(wǎng)總線，其速率達(dá)到10Mbit／s，并且該總線具有軟硬件技術(shù)成熟、完善的通訊協(xié)議、開發(fā)周期短等優(yōu)點，可完全滿足現(xiàn)有以及未來更高速率的測井遙傳儀器的要求。但是，以太網(wǎng)也有缺點，主要是應(yīng)用在民用產(chǎn)品中，市場上與以太網(wǎng)相關(guān)的芯片溫度等級都是商業(yè)級或工業(yè)級，不適合應(yīng)用在175℃以上高溫井，限制了測井儀器的使用范圍。測井用的遙傳系統(tǒng)是一個典型的非對稱傳輸系統(tǒng)，使用TCP方式傳輸數(shù)據(jù)其等待確認(rèn)信號延遲較長，會降低遙傳系統(tǒng)的傳輸效率。

2 高速井下測井儀器數(shù)據(jù)總線的設(shè)計

2．1 設(shè)計要求

（1）通用性。測井電纜分為用于生產(chǎn)測井的單芯電纜和用于裸眼井測井的多芯電纜，單芯電纜的遙傳系統(tǒng)傳輸速率均小于400kbit／s，多芯電纜已達(dá)到1Mbit／s以上。所設(shè)計總線應(yīng)能兼顧這2種應(yīng)用。

（2）易實現(xiàn)性。井下環(huán)境惡劣、空間狹小，總線及上層控制協(xié)議的實現(xiàn)應(yīng)簡單有效。過于復(fù)雜的總線會增加每支測井儀器的設(shè)計復(fù)雜度，增加儀器開發(fā)周期和故障率?？偩€的實現(xiàn)可用現(xiàn)有器件完成，控制協(xié)議的實現(xiàn)應(yīng)簡單、可靠，從而不需要采用高性能的處理器。高性能的處理器在高溫下功耗大，器件的耐溫性能往往無法滿足測井要求。

（3）不同溫度級別下工作。大多數(shù)測井儀器的工作溫度都是150℃或175℃的2種溫度級別，但有些陸地井特別是深海井環(huán)境溫度達(dá)到175℃以上，必須考慮井下測井儀器總線利用現(xiàn)有器件是否能在更高的溫度如200℃下穩(wěn)定工作。

（4）可靠性。儀器總線應(yīng)該穩(wěn)定、可靠，總線傳輸誤碼率應(yīng)盡量低。

2．2 總體方案

根據(jù)設(shè)計要求，設(shè)計了如圖1所示的高速測井儀器數(shù)據(jù)總線。

圖1 高速井下測井儀器數(shù)據(jù)總線方案

該總線方案采用2條非屏蔽雙絞線，其中一條雙絞線采用CAN總線，為雙向接口總線；另一條采用高速RS－485總線，為單向接口總線。所有測井儀器的下行命令接收均通過CAN總線；對于上行數(shù)據(jù)，其平均速率小于100kbit／s時數(shù)據(jù)采用CAN總線發(fā)送；大于150kbit／s則采用RS－485總線，兩者之間可根據(jù)儀器需要自行選擇。

CAN總線是一種可支持分布式控制系統(tǒng)的現(xiàn)場總線，具有通信方式靈活、采用非破壞性仲裁技術(shù)、可實現(xiàn)點對點、點對多點等多種數(shù)據(jù)傳送方式等特點［2］，是一種常用的井下測井儀器總線標(biāo)準(zhǔn)。

CAN總線最高傳輸速率可達(dá)到1Mbit／s，但其理論最大有效數(shù)據(jù)傳輸速率小于600kbit／s（采用CAN總線的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀格式）。因此，僅使用1路CAN總線無法滿足設(shè)計要求。若采用2路CAN總線其速率也僅僅與高速遙傳儀器的傳輸速率相當(dāng)，也會影響遙傳系統(tǒng)的傳輸效率。方案單獨采用1路高速RS－485總線作為另一路井下儀器總線。該路總線僅連接井周聲波成像測井儀等大數(shù)據(jù)量的測井儀器。

對于生產(chǎn)測井采用單芯電纜的測井系統(tǒng)，其遙傳儀器的傳輸速率有限（小于400kbit／s），井下儀器總線僅使用CAN總線。井下儀器總線也可采用1路高速RS－485總線，該總線要求是半雙工的雙向數(shù)據(jù)總線。此時需要設(shè)計完備的上層傳輸協(xié)議，以實現(xiàn)總線的仲裁、沖突檢測等一系列功能，增加了井下測井儀器在總線控制端的復(fù)雜度，對處理器性能要求較高，不利于高溫環(huán)境下的功能實現(xiàn)，整體上會增加每支井下測井儀器的設(shè)計復(fù)雜度。

采用雙總線方案的優(yōu)點：①可兼容當(dāng)前已有的CAN總線的井下測井儀器；②所采用的RS－485總線是單向總線，對該總線的上層協(xié)議控制較簡單，對處理器性能要求較低，在200℃高溫環(huán)境下易于實現(xiàn)，對于小數(shù)據(jù)量的常規(guī)測井儀器則不用考慮該總線的實現(xiàn)；③CAN總線作為雙向總線，需要考慮復(fù)雜的傳輸協(xié)議，但一般帶有CAN總線接口的處理器內(nèi)部已集成完整的CAN總線控制功能，因此，該總線控制總體容易實現(xiàn)。

2．3 高速RS－485總線設(shè)計方案

RS－485總線硬件電路實現(xiàn)簡單，易控制，抗干擾能力強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于各種環(huán)境惡劣的場合。RS－485總線是一種異步串行總線，一對雙絞線用于傳輸一對差分信號，并且以字為基本單元進(jìn)行信號傳輸，一般不太適合長距離的高速數(shù)據(jù)傳輸［5］。

如圖2所示，方案以RS－485總線作為物理層，鏈路層上采用8B／10B線路編碼，實現(xiàn)在100m的非屏蔽雙絞線上傳輸速率達(dá)到10Mbit／s的高速數(shù)據(jù)傳輸，誤碼率小于1．0×10－11。

圖2 RS－485高速總線設(shè)計方案

8B／10B碼是將8個位元經(jīng)過映射轉(zhuǎn)化為10個位元的字碼，它分5B／6B與3B／4B等2個部位分別進(jìn)行映射。8B／10B碼可使得發(fā)送的“0”和“1”數(shù)量保持一致，連續(xù)的“0”或“1”不超過5位［6］。通過編碼后的數(shù)據(jù)流使直流電平不發(fā)生漂移，同時接收端可利用信號的高低變化進(jìn)行位同步恢復(fù)，以保證接收端能夠選擇接收信號的最佳采樣點進(jìn)行采樣。

2．4 井下測井儀器數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)傳輸幀格式

CAN總線數(shù)據(jù)幀格式采用CAN總線的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀格式，每幀分別由1位幀起始、11位標(biāo)識符、1位遠(yuǎn)程傳輸請求位、6位控制字段、15位CRC（循環(huán)冗余校驗）、1位CRC界定符、1位應(yīng)答間隙位、1位應(yīng)答界定符、7位幀結(jié)束字段以及3位幀間空間組成。其中每種測井儀器分配唯一的標(biāo)識符，標(biāo)識符用于標(biāo)識測井儀器。

RS－485總線數(shù)據(jù)幀格式由11位標(biāo)識符、5位控制位、8位數(shù)據(jù)長度、2040位數(shù)據(jù)段和16位CRC組成。按上述幀格式組幀后進(jìn)行8B／10B編碼。被編碼后的每幀數(shù)據(jù)再分別添加10位幀頭和幀尾。幀頭采用8B／10B編碼中的K28．5字符“0101111100”，幀尾則采用K28．1字符“100111100”，這2個字符在8B／10B編碼中具有唯一性，可有效避免假幀同步。標(biāo)識符與CAN總線的標(biāo)識符一致，用于標(biāo)識測井儀器?？刂莆还?位，用于指示當(dāng)前數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)。在進(jìn)行8B／10B編碼時，該5位與標(biāo)識符的低3位一起編碼。數(shù)據(jù)長度指示數(shù)據(jù)段有效數(shù)據(jù)長度，單位為字節(jié)，每幀數(shù)據(jù)段最長為255字節(jié)，不足補(bǔ)0。16位CRC為校驗位，可提高RS－485數(shù)據(jù)傳輸可靠性。CRC－16的16位多項式為x16＋x15＋x2＋1。

2．5 高速井下測井儀器數(shù)據(jù)總線的具體實現(xiàn)

井下測井儀器總線的具體實現(xiàn)見圖3。

圖3 高速井下測井儀器數(shù)據(jù)總線硬件實現(xiàn)框圖

井下測井儀器端使用德州儀器（TI）公司的DSP芯片TMS320F28335－HT完成CAN總線的協(xié)議控制、儀器命令的接收及小數(shù)據(jù)量的測井儀器的數(shù)據(jù)發(fā)送。

圖3中SN65HVD233－HT為CAN總線的總線驅(qū)動器。大數(shù)據(jù)量成像測井儀器的數(shù)據(jù)通過多通道緩沖串行接口（McBSP）發(fā)送至Actel公司的可編程邏輯器件（PLD）A3P060VQ100T內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)組幀、8B／10B 編 碼，最 后 通 過 RS－485 收 發(fā) 器SN65HVD11－HT送至RS－485總線。CAN總線協(xié)議本身自帶總線仲裁機(jī)制，CAN總線的沖突檢測很容易實現(xiàn)。

對于RS－485總線，儀器準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)時首先檢測總線是否空閑（10MHz時鐘的上升沿連續(xù)7次檢測到接收到的信號均為高電平即為空閑，否則總線被占用）；當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送時，同時接收RS－485總線的數(shù)據(jù)并檢測所發(fā)送的第1個10位數(shù)據(jù)（幀頭）是否出錯，若有錯則說明RS－485總線發(fā)生沖突或出現(xiàn)故障，停止發(fā)送；然后延遲100ns＋cnt×10ns后繼續(xù)開始檢測總線是否空閑，其中cnt為檢測幀頭錯誤的次數(shù)；發(fā)送完1幀后cnt清0；當(dāng)cnt大于7，通過CAN總線向井下總線控制器發(fā)送總線異常報告。

圖4 測井儀器模擬板功能框圖

在井下遙傳儀器的井下總線控制器端，DSP通過CAN總線下發(fā)命令給井下測井儀器，同時，接收CAN總線和RS－485總線上傳的數(shù)據(jù)并打包，最終通過遙傳儀器送至地面。其中，通過RS－485總線接收的數(shù)據(jù)首先經(jīng)過RS－485收發(fā)器后送至PLD器件內(nèi)，然后完成位同步恢復(fù)、8B／10B解碼、解數(shù)據(jù)幀，最后通過McBSP接口將數(shù)據(jù)送至DSP內(nèi)進(jìn)行處理。

3 實驗測試方法及測試結(jié)果

為了對所設(shè)計的井下測井儀器總線進(jìn)行性能測試，開發(fā)了如圖4所示的測井儀器模擬板。

通過在測井儀器模擬板上的DSP和PLD器件內(nèi)下載不同程序?qū)崿F(xiàn)測井儀器的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收功能。在DSP和PLD器件之間連接2路McBSP接口和1路SCI（串行通信接口）完成兩者之間不同數(shù)據(jù)的交互。DSP芯片內(nèi)集成了標(biāo)準(zhǔn)的CAN總線控制器，方案中CAN總線的控制容易實現(xiàn)。

3．1 高速RS－485總線的傳輸性能測試

根據(jù)測井要求，使用100m的非屏蔽雙絞線進(jìn)行測試，傳輸波特率為10Mbit／s。整個RS－485總線上掛接3個發(fā)送節(jié)點和1個接收節(jié)點，每個節(jié)點使用1塊測井儀器模擬板。中間2個發(fā)送節(jié)點分別用1．6m和2m的雙絞線連接到總線。

通過對所用的雙絞線的阻抗測試，兩端的1個發(fā)送節(jié)點和1個接收節(jié)點用120Ω終端匹配電阻。為了測試不同節(jié)點傳輸性能，3個發(fā)送節(jié)點的數(shù)據(jù)通過使用周期為255的m序列優(yōu)選對生成的Gold序列產(chǎn)生。

3個節(jié)點每次發(fā)送數(shù)據(jù)量分別為100、10、200 kbit／s，發(fā)送間隔由接收節(jié)點通過CAN總線控制，分別為200、51、500ms。發(fā)送的總數(shù)據(jù)量約1．1 Mbit／s。在接收節(jié)點上，恢復(fù)出的數(shù)據(jù)與發(fā)送的數(shù)據(jù)比較（按發(fā)送節(jié)點同樣規(guī)則產(chǎn)生），最終將接收到的數(shù)據(jù)總數(shù)和比較后出錯的個數(shù)按確定的格式通過RS－232串口定時送至PC機(jī)上顯示。通過6h的連續(xù)測試，整個總線均能正常工作并且在整個測試過程中未出現(xiàn)錯誤。

3．2 高速RS－485總線的誤碼率測試

為測試所設(shè)計的RS－485總線誤碼率，僅使用總線兩端的1個發(fā)送節(jié)點和1個接收節(jié)點。發(fā)送節(jié)點以7Mbit／s的速率連續(xù)發(fā)送由Gold序列產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，并在接收端接收、比較，最終將數(shù)據(jù)總數(shù)和比較后出錯的個數(shù)定時送至PC機(jī)上顯示。

圖5為接收節(jié)點的接收端所接收到的信號眼圖。從圖5上看，發(fā)送的每位數(shù)據(jù)時間是100ns，即10Mbit／s的波特率，眼圖的“眼睛”張開得很大，眼線也很清晰，說明100m非屏蔽的雙絞線上按10MHz的傳輸速率在RS－485總線上傳送碼間串?dāng)_和噪聲的影響較小。通過20h的連續(xù)測試，沒有出現(xiàn)錯誤。整個測試數(shù)據(jù)總量達(dá)到5．0×1011以上，誤碼率小于1．0×10－11，滿足設(shè)計要求。

3．3 總線方案的高溫性能

將發(fā)送節(jié)點放置于烘箱內(nèi)進(jìn)行高溫試驗。為檢測在高溫環(huán)境下所設(shè)計的模擬儀器板的功耗，將其中1個發(fā)送節(jié)點所要求的電源使用可顯示電流的穩(wěn)壓電源（安捷倫公司的穩(wěn)壓電源E3631A）單獨供電。按照測誤碼率的方法，在PC機(jī)上查看接收節(jié)點通過串口送出的信息確定測試系統(tǒng)工作是否正常。

圖5 節(jié)點4接收端接收信號眼圖

圖6為烘箱內(nèi)發(fā)送節(jié)點上＋3．3V／＋1．8V／＋1．5V的3種電源的輸出電流隨溫度變化曲線。其中＋1．8V為DSP內(nèi)核電壓，＋1．5V為PLD器件的內(nèi)核電壓，＋3．3V為DSP和PLD芯片的I／O電壓以及其它芯片的工作電壓，DSP和PLD內(nèi)部最高工作頻率均為100MHz，外部輸入頻率為40MHz。通過高溫測試，當(dāng)溫度保持不變時，所有電源輸出的電流基本不變，整個系統(tǒng)可在210℃的環(huán)境溫度下連續(xù)工作至少4h以上，在整個測試過程中，無誤碼出現(xiàn)。通過高溫測試表明所設(shè)計的總線方案不僅可長時間穩(wěn)定地工作在210℃高溫環(huán)境下，功耗也較低，為各個井下測井儀器的整體電源設(shè)計提供了較大的余量。

圖6 ＋3．3V／＋1．8V／＋1．5V的3種電源輸出電流隨溫度變化曲線

4 結(jié) 論

（1）根據(jù)測井的實際需求設(shè)計了1套井下儀器總線方案，方案采用1路CAN總線和1路RS－485總線，其中CAN總線為雙向數(shù)據(jù)總線，用于下發(fā)井下各個測井儀器的命令和上傳小數(shù)據(jù)量的測井儀器數(shù)據(jù)，RS－485總線為單向數(shù)據(jù)總線，僅上傳大數(shù)據(jù)量的測井儀器數(shù)據(jù)。

（2）實驗測試結(jié)果表明，在發(fā)送端采用8B／10B編碼，接收端通過位同步恢復(fù)可大大提高RS－485總線的傳輸速率。當(dāng)以10Mbit／s的傳輸速率進(jìn)行傳輸，誤碼率小于1．0×10－11。所設(shè)計的總線在實驗環(huán)境下工作穩(wěn)定、可靠，并利用現(xiàn)有器件即可在210℃的高溫環(huán)境下連續(xù)工作至少4h以上，且功耗較小。

（3）整個總線方案即可滿足裸眼井測井的高速遙傳系統(tǒng)的需要，也兼顧較低傳輸速率的生產(chǎn)井測井的需求，可將2種測井系統(tǒng)的井下儀器總線進(jìn)行統(tǒng)一，有效降低儀器的開發(fā)、生產(chǎn)、維護(hù)等各方面的成本。

（4）作為井下測井儀器數(shù)據(jù)總線，井下實際環(huán)境遠(yuǎn)比所測試的實驗環(huán)境惡劣，所設(shè)計的總線方案還需在實際應(yīng)用中進(jìn)行性能測試。

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