基于LPC1788的AMI碼解碼電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十二研究所 河南 新鄉(xiāng) 453003；2.中國(guó)石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司測(cè)井分公司 天津 300280)

0 引 言

為提升地面系統(tǒng)的配接能力，增強(qiáng)設(shè)備兼容性，滿(mǎn)足油田對(duì)多種類(lèi)多廠家生產(chǎn)井儀器的掛接，本文設(shè)計(jì)一款基于LPC1788的AMI碼型解碼電路，既可以配接AMI碼型生產(chǎn)測(cè)井組合儀，也可以配接微分曼碼[1]生產(chǎn)測(cè)井組合儀。在此，著重對(duì)新配接的某公司AMI碼型生產(chǎn)測(cè)井組合儀加以介紹。

1 上傳信號(hào)碼型分析

生產(chǎn)測(cè)井組合儀上傳數(shù)據(jù)采用的編碼方式為AMI碼，全稱(chēng)為信號(hào)交替反轉(zhuǎn)碼。其編碼規(guī)則為：二進(jìn)制的0為信號(hào)中的零電平，二進(jìn)制的1為信號(hào)中交替反轉(zhuǎn)的正負(fù)脈沖，如圖1所示。

井下儀器上傳數(shù)據(jù)幀與幀之間的時(shí)隙約1～1.7 ms,數(shù)據(jù)幀格式為：4位幀頭+8位幀地址+8位字節(jié)道數(shù)+數(shù)據(jù)道1+…+數(shù)據(jù)道[n-3]+1或2位補(bǔ)碼。

圖1 AMI碼型

其中幀頭是以負(fù)脈沖起始的4×90 μs的低高低高4個(gè)脈沖，脈沖寬度為10 μs。

幀地址與數(shù)據(jù)道的編碼規(guī)則相同，均是遇0不發(fā)脈沖，遇1發(fā)脈沖，且脈沖正負(fù)極性交替出現(xiàn)。第一個(gè)脈沖為負(fù)脈沖，每位60 μs，數(shù)據(jù)位低位在前，高位在后，脈沖寬度10 μs。

補(bǔ)碼以正脈沖結(jié)束，若最后一個(gè)1為正脈沖，則補(bǔ)發(fā)一負(fù)一正兩個(gè)脈沖，若最后一個(gè)1為負(fù)脈沖，則補(bǔ)發(fā)一位正脈沖，如圖2所示。

圖2 上傳信號(hào)格式

電纜總線上傳輸?shù)囊粠暾盘?hào)波形如圖3所示：

圖3 電纜總線信號(hào)波形

2 硬件電路分析

2.1 信號(hào)流程框圖

井下儀器上傳的AMI編碼信號(hào)隔離后經(jīng)兩階高通濾波去除電纜上的低頻干擾和噪聲，進(jìn)行放大、信道均衡后，補(bǔ)償和恢復(fù)出干凈的AMI碼型。然后通過(guò)自動(dòng)增益調(diào)整電路，并經(jīng)門(mén)檻濾波和二級(jí)放大將波形調(diào)整至合適幅度后進(jìn)入比較器。比較輸出的信號(hào)進(jìn)入ARM單片機(jī)的捕捉口進(jìn)行解碼處理,CPLD實(shí)現(xiàn)雙口RAM讀寫(xiě)時(shí)序及繼電器的邏輯控制，信號(hào)流程如圖4所示。

圖4 信號(hào)流程圖

2.2 均衡電路設(shè)計(jì)

測(cè)井電纜可以視作由電阻、電容、電感等組成的具有低通特性的網(wǎng)絡(luò)，對(duì)高頻信號(hào)具有一定的衰減作用[2]，且電纜越長(zhǎng)，對(duì)高頻信號(hào)衰減越厲害。此時(shí)就要進(jìn)行電路均衡，對(duì)需要的高頻信號(hào)進(jìn)行放大，對(duì)不需要的低頻干擾信號(hào)進(jìn)行衰減，以實(shí)現(xiàn)上傳信號(hào)的高頻補(bǔ)償和過(guò)沖抑制，并經(jīng)后續(xù)電路處理，恢復(fù)出理想的數(shù)據(jù)波形，如圖5所示。

圖5 均衡電路

2.3 自動(dòng)增益電路設(shè)計(jì)

針對(duì)地面系統(tǒng)現(xiàn)有板卡進(jìn)行生產(chǎn)測(cè)井儀配接時(shí)，解碼增益調(diào)整不夠靈活，使用體驗(yàn)欠佳等現(xiàn)狀，電路設(shè)計(jì)時(shí)增加了自動(dòng)增益功能，根據(jù)解碼情況尋找合適的信號(hào)幅度，對(duì)硬件電路的增益進(jìn)行調(diào)整并鎖定，以簡(jiǎn)化儀器配接，優(yōu)化用戶(hù)使用體驗(yàn)，如圖6所示。

圖6 自動(dòng)增益電路

信號(hào)幅度自適應(yīng)調(diào)整的具體過(guò)程為：上傳波形經(jīng)濾波和信道均衡后，進(jìn)入到增益調(diào)整硬件電路。解碼單片機(jī)具備自適應(yīng)學(xué)習(xí)功能，初始化時(shí)首先設(shè)置數(shù)字電位器初值，并以合適的步長(zhǎng)從0開(kāi)始尋找直至100，找到能夠正確解碼的增益范圍G1至G2，采取相應(yīng)算法選取解碼的最優(yōu)增益值G。這樣做一方面可以解決增益手動(dòng)調(diào)整時(shí)，參數(shù)不容易確定、調(diào)整過(guò)程緩慢等問(wèn)題，簡(jiǎn)化儀器配接；另一方面，可以根據(jù)波形包絡(luò)變化及解碼狀態(tài)，實(shí)時(shí)對(duì)信號(hào)幅度進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，有益于降低誤碼率，提升系統(tǒng)可靠性。

3 程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

3.1 數(shù)據(jù)同步頭尋找

接收AMI碼的關(guān)鍵是同步頭的識(shí)別，根據(jù)上傳信號(hào)的數(shù)據(jù)格式[3]，可以通過(guò)檢測(cè)同步頭的高、低電平的碼元寬度來(lái)實(shí)現(xiàn)。利用單片機(jī)的CAP捕獲功能檢測(cè)AMI碼同步頭的高電平寬度T1和其后的低電平寬度T2，當(dāng)識(shí)別到四個(gè)連續(xù)的90 μs碼元，且滿(mǎn)足低高低高規(guī)則，即判斷為數(shù)據(jù)幀同步頭。

3.2 數(shù)據(jù)解碼流程

找到同步頭后，立即開(kāi)始幀數(shù)據(jù)解碼。同時(shí)開(kāi)啟兩個(gè)中斷，分別用于邊沿捕獲和碼元定時(shí)。根據(jù)中斷類(lèi)型的不同，定時(shí)器選取60 μs和90 μs兩種不同的寬度：若進(jìn)入捕捉中斷，則判定本比特為1，開(kāi)啟90 μs定時(shí)；若進(jìn)入定時(shí)中斷，則判定本比特為0，開(kāi)啟60 μs定時(shí)，如圖7所示。

圖7 程序流程圖

4 AMI碼連零解碼出錯(cuò)原因分析

AMI碼型由于本身不攜帶任何時(shí)鐘信息[4]，所有存在一個(gè)重要缺陷，即當(dāng)數(shù)據(jù)中出現(xiàn)長(zhǎng)的連0碼元時(shí)，接收端無(wú)法從該信號(hào)中獲取有效的位同步信息，定時(shí)時(shí)間偏差得不到及時(shí)校正。經(jīng)過(guò)多次的累積后，就會(huì)造成數(shù)據(jù)位的缺失或增加，出現(xiàn)解碼異常。以碼元00 00 00 00 55 8E錯(cuò)誤解碼為00 00 00 80 2A C7為例進(jìn)行分析, 黃色通道表示幀數(shù)據(jù)解碼完成后立即翻轉(zhuǎn)。

圖8所示，數(shù)據(jù)幀00 00 00 00 55 8E應(yīng)該有兩位補(bǔ)碼，而黃線直到第一位補(bǔ)碼后才發(fā)生翻轉(zhuǎn)，說(shuō)明錯(cuò)誤地將其中一位補(bǔ)碼認(rèn)作了數(shù)據(jù)位。這是因?yàn)?，?dāng)數(shù)據(jù)位連零過(guò)多時(shí)，由于位定時(shí)信息的累積偏差，解碼過(guò)程中丟失了一個(gè)碼元0，之后的數(shù)據(jù)位均向前移動(dòng)一位，造成后面的數(shù)據(jù)全部錯(cuò)位，出現(xiàn)解碼異常，如圖9所示。

圖8 碼元00 00 00 00 55 8E波形圖

圖9 出錯(cuò)后移位情況分析

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一款A(yù)MI碼解碼電路，并成功地應(yīng)用到已投產(chǎn)的地面數(shù)控測(cè)井儀，所實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：硬件電路簡(jiǎn)單，穩(wěn)定可靠，預(yù)處理后的信號(hào)脈沖幅度一致性好，且充分避開(kāi)了反沖干擾；主控芯片采用ARM芯片，響應(yīng)速度快，解決了長(zhǎng)零串時(shí)時(shí)鐘累積偏差出現(xiàn)誤碼的情況；靈活性高，自動(dòng)增益降低了小隊(duì)儀器配接的難度，優(yōu)化了用戶(hù)體驗(yàn)。多次上井試驗(yàn)表明，板卡性能穩(wěn)定，通訊可靠，實(shí)現(xiàn)了與不同井下儀器的配接，很好地滿(mǎn)足了系統(tǒng)需求。