應(yīng)用于隨鉆測(cè)井儀器數(shù)據(jù)總線的研究

王海波

（大慶油田鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江大慶163413）

隨鉆測(cè)井儀器（以下簡(jiǎn)稱隨鉆儀器）是油田進(jìn)行定向井/水平井開(kāi)發(fā)的必備工具，主要可以分為機(jī)械部分、電子電路部分和數(shù)據(jù)總線部分。若要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)，還需要配置地面設(shè)備。地面設(shè)備主要由工控機(jī)（內(nèi)置測(cè)井軟件）、通訊板卡、安全箱以及若干附屬配件組成。數(shù)據(jù)總線部分主要實(shí)現(xiàn)的功能是隨鉆儀器與工控機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸、命令/數(shù)據(jù)的下載/上傳、隨鉆儀器各傳感器短節(jié)與中央控制器的數(shù)據(jù)傳輸。

隨鉆儀器采用1553B總線作為數(shù)據(jù)傳輸總線，該總線最初由美國(guó)軍方為飛機(jī)上設(shè)備定制的一種信息傳輸總線，由于其具有可靠性高、傳輸效率高、技術(shù)成熟、易于擴(kuò)展[1]等優(yōu)點(diǎn)被廣泛地應(yīng)用在石油領(lǐng)域。

1 數(shù)據(jù)總線格式

1553B總線具有雙向傳輸特性，傳輸速度為1Mb?ps，傳輸方式為半雙工方式，總線上的信息是以消息的形式調(diào)制成曼徹斯特II型碼進(jìn)行傳輸?shù)腫2]。

1.1 數(shù)據(jù)編碼方式

由于曼徹斯特碼是高/低電平跳變來(lái)表示要傳輸?shù)亩M(jìn)制信息的，因此隨鉆儀器在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中要將信息轉(zhuǎn)換成一系列由“0”和“1”組成的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，編碼方式為：邏輯1為高電平到低電平的跳變，邏輯0為低電平到高電平的跳變。數(shù)據(jù)編碼方式如圖1所示。所謂雙向傳輸，即具有雙極性，本身包含了自定時(shí)信息，可以直接從數(shù)據(jù)中分離出定時(shí)時(shí)鐘，由于直接耦合不利于故障的終端隔離，因此采用變壓器耦合方式[3]?？偩€電壓范圍是從14Vdc到25Vdc，而一般都會(huì)選擇20Vdc到24Vdc范圍內(nèi)供電。

圖1 數(shù)據(jù)編碼方式

1.2 曼徹斯特字的定義

每個(gè)曼徹斯特字的字長(zhǎng)是20位。有效信息位是16位，每個(gè)字的前3位表示同步信號(hào)，最后1位表示奇偶校驗(yàn)位。在隨鉆儀器通訊中，采用奇校驗(yàn)，通過(guò)計(jì)算16位有效信息中“1”的個(gè)數(shù)，然后加上一個(gè)“1”或一個(gè)“0”，使其變成奇數(shù)[4]。如圖2所示。

圖2 曼徹斯特字的定義

在數(shù)據(jù)總線上有2種同步信號(hào)：命令同步信號(hào)和數(shù)據(jù)同步信號(hào)。命令同步信號(hào)包含一個(gè)從高到低的跳變，數(shù)據(jù)同步信號(hào)包含一個(gè)從低到高的跳變。由于同步信號(hào)占3位，因此同步信號(hào)在1.5位長(zhǎng)時(shí)發(fā)生跳變。在隨鉆儀器中，必須只能有一個(gè)主控設(shè)備，可以有若干個(gè)從屬設(shè)備，主控設(shè)備可以產(chǎn)生命令同步和數(shù)據(jù)同步，從屬設(shè)備只能產(chǎn)生數(shù)據(jù)同步。

16位有效信息和1位校驗(yàn)位在總線上以曼徹斯特碼的形式進(jìn)行傳輸，暫不考慮校驗(yàn)位，剩下的16位則表示命令/數(shù)據(jù)字。隨鉆儀器中命令/數(shù)據(jù)字的組成如圖3所示。

圖3 隨鉆儀器中命令/數(shù)據(jù)字的組成

0～3位為主要地址，用來(lái)識(shí)別隨鉆儀器上、下通訊總線上的16位主要地址。4～6位次要地址，可以對(duì)主要地址中7個(gè)不同的傳感器工具進(jìn)行尋址。7位是工具冗余指示位，每串隨鉆儀器允許掛接2個(gè)相同的傳感器工具，當(dāng)是“0”時(shí)尋址主要傳感器工具，當(dāng)是“1”時(shí)尋址冗余工具地址。8～15位表示實(shí)際要傳輸?shù)拿?數(shù)據(jù)[5]。

2 硬件實(shí)現(xiàn)

隨鉆儀器采用自定義的1553B總線結(jié)構(gòu)，由上總線、下總線和中央控制器組成。隨鉆儀器在下井前，要通過(guò)工控機(jī)對(duì)其進(jìn)行工作參數(shù)設(shè)置，此時(shí)，工控機(jī)作為主控設(shè)備，中央控制器和若干傳感器短節(jié)作為從屬設(shè)備，這個(gè)過(guò)程稱為地面通訊模式；隨鉆儀器下井后，中央控制器通過(guò)上/下總線與傳感器短節(jié)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，此時(shí)，中央控制器作為主控設(shè)備，傳感器短節(jié)作為從屬設(shè)備，這個(gè)過(guò)程為井下通訊模式。由此可見(jiàn)，隨鉆儀器在不同的工作狀態(tài)下，主控設(shè)備是不同的。隨鉆儀器的數(shù)據(jù)傳輸框圖，如圖4所示。

2.1 地面通訊模式

圖4 隨鉆儀器數(shù)據(jù)傳輸框圖

工控機(jī)作為主控設(shè)備時(shí)，需內(nèi)置通訊板卡。板卡通過(guò)PCI總線與工控機(jī)連接，同時(shí)通過(guò)屏蔽雙絞線與儀器讀取口相連接，進(jìn)而與中央控制器相連接。此時(shí)，工控機(jī)可以直接與掛接到上/下總線的傳感器短節(jié)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通過(guò)工控機(jī)內(nèi)置測(cè)井軟件，可以直接對(duì)隨鉆儀器的上/下總線進(jìn)行打開(kāi)、關(guān)閉控制，并可以發(fā)送相應(yīng)指令，對(duì)指令的返回值判斷上/下總線的狀態(tài)及監(jiān)測(cè)傳感器版本號(hào)等信息。

圖5 地面板卡系統(tǒng)框圖

地面板卡的系統(tǒng)框圖如圖5所示?？煞譃镻CI接口模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、總線收/發(fā)模塊。PCI是一種獨(dú)立于處理器的32位總線，傳輸速率可達(dá)133MB/S[6]。采用PLX Technology公司的PCI接口芯片作為PCI總線控制器，實(shí)現(xiàn)通訊板卡與PCI總線的連接。

在PCI控制芯片與FPGA之間有一個(gè)總線轉(zhuǎn)換控制芯片，控制16位命令/數(shù)據(jù)在芯片之間的交換。FP?GA是數(shù)據(jù)處理模塊的核心器件，采用XILINX公司的XCS系列芯片，該芯片有1862個(gè)邏輯單元，4萬(wàn)個(gè)系統(tǒng)門，可配置邏輯塊達(dá)到28×28個(gè)，片內(nèi)有2016個(gè)觸發(fā)器，最大可使用I/O口224個(gè)，系統(tǒng)時(shí)鐘最大可到80MHz，在通訊板卡中時(shí)鐘采用40MHz。在FPGA中實(shí)現(xiàn)曼徹斯特碼的編碼與解碼，并完成數(shù)據(jù)信息的分析等工作。曼徹斯特?cái)?shù)據(jù)經(jīng)FPGA進(jìn)入到總線收/發(fā)模塊時(shí)，該模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行變換、整形后，通過(guò)屏蔽雙絞線進(jìn)入到隨鉆儀器，最終實(shí)現(xiàn)工控機(jī)與隨鉆儀器的數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 井下通訊模式

在井下通訊模式中，中央控制器作為主控設(shè)備，系統(tǒng)框圖如圖6所示。中央控制器主要由電源模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、時(shí)鐘模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊組成。電源模塊的功能是為中央控制器上的芯片提供不同等級(jí)的電壓。由于中央控制器與上/下總線掛接的傳感器短節(jié)以曼徹斯特碼形式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，因此在數(shù)據(jù)處理模塊內(nèi)的FPGA中完成數(shù)據(jù)的編/解碼。數(shù)據(jù)處理模塊能夠控制上/下總線的開(kāi)關(guān)，并對(duì)上/下總線傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)視、轉(zhuǎn)換、壓縮等處理工作，然后將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊中。數(shù)據(jù)處理模塊主要由FPGA和單片機(jī)構(gòu)成，F(xiàn)PGA內(nèi)部固化計(jì)算模型，是中央控制器的主處理器。單片機(jī)為協(xié)同處理器，通過(guò)內(nèi)部運(yùn)行的程序，可以對(duì)隨鉆儀器的溫度、電壓、電流等進(jìn)行監(jiān)控。時(shí)鐘模塊的主要功能是為整個(gè)中央控制器提供時(shí)鐘信號(hào)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊采用非易失性存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)井下數(shù)據(jù)外，還可存儲(chǔ)固件版本信息及傳感器短節(jié)編號(hào)等信息。

隨鉆儀器處于井下工作狀態(tài)時(shí)，各傳感器短節(jié)進(jìn)行信號(hào)采集，并傳輸給中央控制器進(jìn)行集中計(jì)算?？梢?jiàn)，中央控制器對(duì)傳感器工作序列進(jìn)行管理外，還對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行管理，因此，可以說(shuō)中央控制器是隨鉆測(cè)井儀器的核心部分。

圖6 中央控制器系統(tǒng)框圖

3 結(jié)語(yǔ)

隨鉆測(cè)井儀器在工作時(shí)可分為2種通訊模式和4個(gè)工作過(guò)程，2種通訊模式即地面通訊模式和井下通訊模式，4個(gè)過(guò)程即可信度測(cè)試過(guò)程、工具參數(shù)下裝過(guò)程、實(shí)時(shí)工作過(guò)程和數(shù)據(jù)讀取過(guò)程。無(wú)論是工控機(jī)作為主控設(shè)備或是中央控制器作為主控設(shè)備，對(duì)從屬設(shè)備的控制都是通過(guò)1553B總線實(shí)現(xiàn)的。因此，開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)總線是研制隨鉆測(cè)井儀器較關(guān)鍵的一部分，對(duì)于打破壟斷，提升競(jìng)爭(zhēng)力具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

[1] 徐貴賢.1553B總線簡(jiǎn)介及其實(shí)現(xiàn)[J].通信技術(shù)，2011,44（5）：166-168.

[2] 黃家平,王明皓，等.1553B總線通信系統(tǒng)可靠性分析[J].飛機(jī)設(shè)計(jì)，2010,30(2)：57-61.

[3] 徐麗清.1553B總線接口技術(shù)研究及FPGA實(shí)現(xiàn)[D].西北工業(yè)大學(xué)，2006.

[4]MIL-STD-1553B數(shù)字式時(shí)分制指令/響應(yīng)型多路傳輸數(shù)據(jù)總線簡(jiǎn)介[S].恩菲特科技有限公司.

[5]HCIM Operations Manual-Positive Pulse.Sperry-Sun.2003.

[6] 瞿朝冰,陳濤，等.基于PCI總線的1553B總線接口卡設(shè)計(jì)[J].儀器儀表用戶，2007,14(4)：87-89.