劉雨++顏瑾++李博
摘要:針對測井應(yīng)用中受電纜自身特性、井下高溫、高壓及振動等惡劣環(huán)境影響[1],限制了通信帶寬及通信距離。本文提出采用HDB3編碼方式提出測井?dāng)?shù)據(jù)高速傳輸?shù)脑O(shè)想及實現(xiàn)方案。該設(shè)計對編譯碼模塊的原理進(jìn)行分析,優(yōu)化設(shè)計方法,以FPGA為核心單元,完成高速的編譯碼器,實現(xiàn)井下與PC機高速數(shù)據(jù)交互,實際應(yīng)用表明,該系統(tǒng)具有全雙工、無中繼的特性,在油田應(yīng)用領(lǐng)域具有極大的研究價值。
關(guān)鍵詞:HDB3編碼;FPGA;測井?dāng)?shù)據(jù)傳輸
中圖分類號:TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1009-3044(2016)32-0245-02
測井應(yīng)用的新發(fā)展受電纜自身特性、制造工藝的限制,同時由于井下高溫、高壓、沖擊、振動和井下空間狹小等惡劣環(huán)境的影響,測井電纜數(shù)據(jù)表現(xiàn)為傳輸速率低,信號衰減、失真也比較嚴(yán)重,而且數(shù)據(jù)容量、帶寬亦有限[2]。由此可見,解決測井?dāng)?shù)據(jù)傳輸中實際遇見的以上問題是改善測井?dāng)?shù)據(jù)傳輸效果的關(guān)鍵,而HDB3編碼方式不僅具有時鐘恢復(fù)和更好的抗干擾性能,而且能校驗錯誤并糾正,極大的提高通信速率,降低誤碼率,適用于油田長距離信道傳輸通信,又由于專用集成電路及相應(yīng)匹配的外圍中小規(guī)模集成芯片來實現(xiàn)HDB3編碼。因此,基于FPGA的編碼測井技術(shù)研究具有極其重大的現(xiàn)實意義。
1 測井系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
整個測井儀器系統(tǒng)由三大部分組成:地面設(shè)備、模擬電纜以及井下設(shè)備。整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
本系統(tǒng)主要為了實現(xiàn)井下設(shè)備與地面設(shè)備全雙工通信,通信介質(zhì)依靠電纜,為了實現(xiàn)這一目的具體系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。井下設(shè)備與地面設(shè)備依靠電纜總線相連,分別有規(guī)定的地址碼。PC可向井下發(fā)送指令,并把數(shù)據(jù)送至電纜總線上,經(jīng)井下接受單元處理再傳至井下設(shè)備。井下儀器的數(shù)據(jù)被井下遙測單元調(diào)制成雙相位信號,編成HDB3編碼后,經(jīng)測井電纜傳輸至地面設(shè)備。
2 硬件結(jié)構(gòu)框圖
測井儀器系統(tǒng)地面設(shè)備包括PC機、接收器II、發(fā)送器I以及解碼、均衡等部分構(gòu)成,井下設(shè)備包括井下檢測變送設(shè)備(如溫度變送器)、微控制處理器、接收器I、發(fā)送器II以及解碼、均衡等部分組成,系統(tǒng)總體構(gòu)架如圖3。
測井儀器系統(tǒng)的電源采用一個成熟的開關(guān)電源,輸入范圍80-240VAC,既可以適應(yīng)測井托撬使用的110VAC,又可以適應(yīng)實驗室的 220VAC;電源輸出+5V,通過CPU板的電源電路,產(chǎn)生+3.3V和+1.5V,分別供給MCU和FPGA。電源輸出的+12 V和-12V,用于信號調(diào)理板的模擬電路部分[3]。
主核板主要包括FPGA、微處理器和匹配的外設(shè)。FPGA完成HDB3編解碼功能,作為 MCU的外設(shè)掛在 MCU 的外部總線上[4]。FPGA選用Alter公司 Cyclone 系列的EP1C6T1443。MCU選擇意法半導(dǎo)體的 STM32F103VGT6。
3 HDB3編譯碼器的設(shè)計方案
3.1 編碼器設(shè)計思路
HDB3編碼規(guī)則優(yōu)勢即:當(dāng)NRZ碼中出現(xiàn)4連“0”串時可能出現(xiàn)誤判,而HDB3編碼破壞第4個連“0”用“V”來代替,又當(dāng)出現(xiàn)兩個“V”之間有偶數(shù)個“1”時,需要將靠后“V”的前面一小段中第一個“0”變?yōu)椤癇”。為了便于分辨出“V”和“B”標(biāo)志在不斷不斷單雙極性變換中,采用“00”標(biāo)記“0”,“01”標(biāo)記“1”,“10”標(biāo)記“B”,“11”來標(biāo)記“V”[5]。
單雙極性變換的實現(xiàn):在實際應(yīng)用中,F(xiàn)PGA端口的輸出電壓只有正極,而無法識別“-1”。因此要得到所需HDB3編碼的結(jié)果,需定義“00”、“01”、“10”來分別表示“0”、“–1”、“+1”。可將插“B”模塊后輸出的“00”、“01”、“10”、“11”組合轉(zhuǎn)換
為“00”、“01”、“10”組合,再通過“00”、“01”、“10”控制四選一數(shù)字開關(guān)的地址來選擇輸出通道,就可以實現(xiàn)0、-B、+B。從而將FPGA目標(biāo)芯片的標(biāo)識性輸出轉(zhuǎn)換成雙極性信號,最終實現(xiàn)HDB3非歸零編碼。設(shè)計HDB3編碼的流程圖4所示為:
3.2 譯碼器的設(shè)計思路
由譯碼規(guī)則可知,V碼是為了解決4連零現(xiàn)象而插入的,而B碼總是出現(xiàn)在V碼之前,且只相隔2個“0”,因此只要在接收到的信號中找到V碼并將其和前面的3位代碼全部復(fù)原成“0”即可完成解碼過程。其關(guān)鍵在于檢測并去掉破壞符號“V”和“B”。其譯碼設(shè)計流程圖如圖5:
4 總結(jié)與展望
電纜作為測井儀器系統(tǒng)的通信介質(zhì),極大地限制了通信速率和傳輸距離。本文以FPGA為主核,采用HDB3編碼方式,依靠整形、AGC、均衡等電路成功還原了經(jīng)電纜后的衰減信號,達(dá)到了解碼要求,實現(xiàn)了全雙工、無中繼的特性,極大的改善通信速率,降低了誤碼率。同時,該系統(tǒng)可以集成到不同的通信系統(tǒng)中,在測井系統(tǒng)領(lǐng)域中具有一定使用價值。
參考文獻(xiàn):
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[5] 黃琳,一種基于Sip的高溫測井儀器高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].半導(dǎo)體體技術(shù),2016,41(10):779-783.