基于FPGA的多通道出砂振動(dòng)信號(hào)緩存系統(tǒng)研究

王炳友，黨 博，黨瑞榮，王 港，王新亞

（西安石油大學(xué)，陜西省油氣井測(cè)控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710065）

油氣井出砂是油氣生產(chǎn)者所須面對(duì)的一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題。出砂監(jiān)測(cè)技術(shù)可以給油氣生產(chǎn)者提供目標(biāo)井的實(shí)時(shí)出砂量，為生產(chǎn)者做出決策提供出砂量數(shù)據(jù)參考，是解決油氣井出砂問(wèn)題的關(guān)鍵技術(shù)[1-3]。在出砂監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，最具行業(yè)認(rèn)可度的公司是挪威的clampon公司，其最新一代粒子監(jiān)控器SandQTM采用有源聲學(xué)和無(wú)源聲學(xué)相結(jié)合的原理實(shí)現(xiàn)背景流體流速測(cè)量和出砂監(jiān)測(cè)的目的，由于SandQTM自身解決了出砂量反演所必須的背景流體流速，所以該儀器在出廠后無(wú)需再進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)[4]。采用無(wú)源聲學(xué)原理，利用線性陣列式出砂監(jiān)測(cè)探頭，結(jié)合陣列信號(hào)處理技術(shù)同樣可以實(shí)現(xiàn)對(duì)背景流體流速間接測(cè)量的目的，并且還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)背景噪聲的抑制[5，6]。線性陣列式出砂監(jiān)測(cè)探頭的有效使用需要有多通道同步數(shù)據(jù)緩存系統(tǒng)的支持。現(xiàn)有的多通道數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)架構(gòu)多側(cè)重于多通道數(shù)據(jù)處理算法的并行加速以及多通道數(shù)據(jù)采集，并未涉及到通道間控制邏輯的關(guān)聯(lián)性，同時(shí)，也沒(méi)有考慮前端AD轉(zhuǎn)換器和后端數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)速率匹配問(wèn)題[7-11]?，F(xiàn)有的面向陣列式出砂監(jiān)測(cè)探頭的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多通道數(shù)據(jù)的同步采集，但預(yù)觸發(fā)方法和數(shù)據(jù)緩存架構(gòu)存在諸多問(wèn)題[12]。例如，固定閾值觸發(fā)的漏觸問(wèn)題和數(shù)據(jù)采集板卡與上位機(jī)通信期間可能發(fā)生的有效數(shù)據(jù)遺漏問(wèn)題。針對(duì)以上問(wèn)題，本文從線性陣列式出砂監(jiān)測(cè)探頭的多通道同步數(shù)據(jù)緩存需求以及保證波形完整性的數(shù)據(jù)預(yù)觸發(fā)需求觸發(fā)，充分考慮數(shù)據(jù)自適應(yīng)觸發(fā)、有效數(shù)據(jù)遺漏等問(wèn)題，提出了一種適合FPGA器件實(shí)現(xiàn)的，具有自適應(yīng)預(yù)觸發(fā)功能的多通道出砂振動(dòng)信號(hào)緩存系統(tǒng)架構(gòu)，其采用新的自適應(yīng)觸發(fā)方法，并融入了數(shù)據(jù)乒乓操作的思想。實(shí)例測(cè)試結(jié)果表明，基于該系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)的多通道數(shù)據(jù)緩存系統(tǒng)能夠完成連續(xù)數(shù)據(jù)流的自適應(yīng)預(yù)觸發(fā)緩存，系統(tǒng)架構(gòu)功能完整而有效。

1 多通道高速數(shù)據(jù)緩存系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

1.1 自適應(yīng)閾值觸發(fā)

對(duì)于應(yīng)用于陣列信號(hào)采集的信號(hào)采集系統(tǒng)，預(yù)觸發(fā)功能是保證系統(tǒng)工作效率的關(guān)鍵。預(yù)觸發(fā)即在有效信號(hào)到來(lái)時(shí)刻“之前”觸發(fā)存儲(chǔ)模塊的寫(xiě)控制信號(hào)，從而緩存完整的有效信號(hào)，緩存數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻點(diǎn)應(yīng)包括有效信號(hào)到達(dá)時(shí)刻及有效信號(hào)到達(dá)前一定數(shù)量的時(shí)刻點(diǎn)。預(yù)觸發(fā)機(jī)制的難度在于觸發(fā)方式及觸發(fā)參數(shù)的選擇，它與采集系統(tǒng)將面對(duì)的信號(hào)特征密切相關(guān)。理想情況下，希望信號(hào)采集系統(tǒng)的觸發(fā)時(shí)刻點(diǎn)就是有效信號(hào)的到來(lái)時(shí)刻，但是，在實(shí)際工作環(huán)境中，由于測(cè)量信號(hào)背景噪聲的影響，信號(hào)采集系統(tǒng)的預(yù)觸發(fā)機(jī)制不可能準(zhǔn)確地識(shí)別有效信號(hào)到來(lái)時(shí)刻。因此，只能選取一種恰當(dāng)?shù)念A(yù)觸發(fā)機(jī)制并設(shè)置合適的觸發(fā)參數(shù)，以準(zhǔn)確的緩存包括有效信號(hào)到達(dá)時(shí)刻點(diǎn)在內(nèi)的數(shù)據(jù)幀，而不再關(guān)心預(yù)觸發(fā)機(jī)制是否在有效信號(hào)到達(dá)時(shí)刻點(diǎn)處被觸發(fā)。預(yù)觸發(fā)機(jī)制的觸發(fā)時(shí)刻即觸發(fā)點(diǎn)，觸發(fā)后緩存數(shù)據(jù)幀中觸發(fā)點(diǎn)之前的數(shù)據(jù)深度即預(yù)觸發(fā)深度。還有，由于有效信號(hào)幅度值的不同，預(yù)先設(shè)定的預(yù)觸發(fā)參數(shù)并不一定適合所有的有效信號(hào)，以此系統(tǒng)所面對(duì)的出砂信號(hào)為例，當(dāng)管道中流體流速降低時(shí)，砂礫撞擊管壁產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)幅值也會(huì)減小，但是遇到這種情況，信號(hào)采集系統(tǒng)的預(yù)觸發(fā)機(jī)制要能夠自動(dòng)適應(yīng)。為提高預(yù)觸發(fā)機(jī)制對(duì)測(cè)量信號(hào)背景噪聲的兼容能力，降低誤觸概率，同時(shí)，提高預(yù)觸發(fā)機(jī)制對(duì)有效信號(hào)幅值的兼容能力，降低漏觸概率，設(shè)計(jì)了雙門(mén)限自適應(yīng)預(yù)觸發(fā)機(jī)制（見(jiàn)圖1），電路原理框圖（見(jiàn)圖2）。

圖1 雙門(mén)限觸發(fā)示意圖

圖2 自適應(yīng)雙門(mén)限觸發(fā)原理框圖

自適應(yīng)雙門(mén)限觸發(fā)電路工作原理：原始采樣信號(hào)經(jīng)過(guò)滑動(dòng)均值濾波模塊降噪后，上一時(shí)刻的采樣數(shù)據(jù)點(diǎn)更新比較器上下門(mén)限，比較器利用上一時(shí)刻采樣數(shù)據(jù)更新后的上下門(mén)限對(duì)下一時(shí)刻采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如滿足條件則計(jì)數(shù)器加一，直到計(jì)數(shù)器的值等于預(yù)設(shè)定檢測(cè)點(diǎn)數(shù)，觸發(fā)信號(hào)有效。如在計(jì)數(shù)過(guò)程中出現(xiàn)不符合條件的突變采樣點(diǎn)，計(jì)數(shù)器在下一個(gè)時(shí)鐘上升沿到來(lái)后清零；當(dāng)一次觸發(fā)完成，計(jì)數(shù)器會(huì)在下一個(gè)時(shí)鐘邊沿到來(lái)后歸零。此時(shí)，觸發(fā)門(mén)限不再是固定值，觸發(fā)方式也不再是點(diǎn)觸發(fā)。觸發(fā)模塊檢測(cè)的是目標(biāo)信號(hào)的某段上升沿，從而降低誤觸概率及漏觸概率。

1.2 乒乓操作

數(shù)據(jù)流乒乓操作是一種增加設(shè)計(jì)復(fù)雜度及邏輯資源消耗，來(lái)保證對(duì)連續(xù)數(shù)據(jù)流緩存的一種方法[13]。乒乓操作的核心是使數(shù)據(jù)緩存單元的讀寫(xiě)周期重合，以避免由于讀寫(xiě)等待所造成的數(shù)據(jù)流部分丟失，從而可以對(duì)連續(xù)高速數(shù)據(jù)流進(jìn)行緩存。注意，乒乓操作可以緩解下游信號(hào)處理模塊的數(shù)據(jù)處理壓力，避免數(shù)據(jù)堵塞，這是以提高下游信號(hào)處理模塊的工作時(shí)鐘頻率為代價(jià)的，如果下游模塊對(duì)緩存單元的數(shù)據(jù)讀取速率低于寫(xiě)入速率，使用乒乓操作依舊無(wú)法對(duì)連續(xù)高速數(shù)據(jù)流進(jìn)行緩存。單通道數(shù)據(jù)流乒乓操作模塊圖（見(jiàn)圖3），乒乓操作數(shù)據(jù)流讀寫(xiě)時(shí)序（見(jiàn)圖4）。

圖3 單通道數(shù)據(jù)流乒乓緩存

圖4 數(shù)據(jù)流乒乓操作時(shí)序圖

2 帶有預(yù)觸發(fā)功能的連續(xù)數(shù)據(jù)流緩存架構(gòu)

其中，wrea，wreb分別為FIFO_A和FIFO_B的寫(xiě)使能信號(hào)；wrfa，wrfb分別為FIFO_A和FIFO_B的寫(xiě)滿指示信號(hào)；rdea和rdeb分別為FIFO_A和FIFO_B的讀使能信號(hào)；rdma和rdmb分別為FIFO_A和FIFO_B的讀空指示信號(hào)。連續(xù)數(shù)據(jù)流觸發(fā)緩存結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖5）融入了數(shù)據(jù)乒乓操作的思想，對(duì)于每一個(gè)數(shù)據(jù)流緩存通道，使用兩個(gè)相同的FIFO模塊，以解決非連續(xù)數(shù)據(jù)流緩存結(jié)構(gòu)讀期間不能寫(xiě)所造成的有效數(shù)據(jù)遺漏問(wèn)題。

圖5 連續(xù)數(shù)據(jù)流預(yù)觸發(fā)緩存結(jié)構(gòu)

連續(xù)數(shù)據(jù)流預(yù)觸發(fā)緩存結(jié)構(gòu)相比非連續(xù)數(shù)據(jù)流預(yù)觸發(fā)緩存結(jié)構(gòu)在控制邏輯上要復(fù)雜，為了更好的描述連續(xù)數(shù)據(jù)流預(yù)觸發(fā)緩存結(jié)構(gòu)控制邏輯的工作過(guò)程，分別給出了控制邏輯中的寫(xiě)操作狀態(tài)機(jī)和讀操作狀態(tài)機(jī)（見(jiàn)圖6、圖7）；狀態(tài)轉(zhuǎn)移表（見(jiàn)表1、表2）。

圖6 寫(xiě)操作狀態(tài)機(jī)

圖7 讀操作狀態(tài)機(jī)

結(jié)合連續(xù)數(shù)據(jù)流緩存結(jié)構(gòu)寫(xiě)操作狀態(tài)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖和狀態(tài)轉(zhuǎn)移表，連續(xù)數(shù)據(jù)流緩存結(jié)構(gòu)的寫(xiě)操作過(guò)程如下：模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的原始數(shù)字信號(hào)，經(jīng)滑動(dòng)濾波模塊降噪后，被平滑濾波后的數(shù)據(jù)流同時(shí)進(jìn)入預(yù)觸發(fā)模塊和移位寄存器，預(yù)觸發(fā)模塊和移位寄存器一直處于工作狀態(tài)。當(dāng)進(jìn)入預(yù)觸發(fā)模塊的數(shù)據(jù)滿足觸發(fā)條件后，觸發(fā)標(biāo)志信號(hào)tri_ctrl有效，寫(xiě)時(shí)鐘上升沿翻轉(zhuǎn)電平，高電平有效，持續(xù)時(shí)間一個(gè)時(shí)鐘周期；當(dāng)觸發(fā)信號(hào)有效后，如果寫(xiě)操作狀態(tài)機(jī)處于空閑狀態(tài)wr_idle且FIFO_A讀空，則下一個(gè)狀態(tài)進(jìn)入wra，即FIFO_A寫(xiě)狀態(tài)，若FIFO_A非空，則下一個(gè)狀態(tài)進(jìn)入wrb，即FIFO_B寫(xiě)狀態(tài)；當(dāng)觸發(fā)信號(hào)有效后，如果寫(xiě)操作狀態(tài)機(jī)處于寫(xiě)FIFO_A的狀態(tài)，即恰好寫(xiě)完FIFO_A，F(xiàn)IFO_A的寫(xiě)滿標(biāo)志有效，則下一個(gè)狀態(tài)進(jìn)入FIFO_B寫(xiě)狀態(tài)；當(dāng)觸發(fā)信號(hào)有效后，如果寫(xiě)操作狀態(tài)機(jī)處于FIFO_B寫(xiě)狀態(tài)，即恰好寫(xiě)完FIFO_B，F(xiàn)IFO_B的寫(xiě)滿標(biāo)志有效，則下一個(gè)狀態(tài)進(jìn)入FIFO_A寫(xiě)狀態(tài)。注意，在FIFO_A或者FIFO_B寫(xiě)滿后，如果沒(méi)有觸發(fā)標(biāo)志信號(hào)，則寫(xiě)操作狀態(tài)機(jī)會(huì)返回空閑狀態(tài)。在讀時(shí)鐘速率大于寫(xiě)時(shí)鐘速率的情況下，不可能出現(xiàn)FIFO_A和FIFO_B同時(shí)寫(xiě)滿的情況。利用連續(xù)預(yù)觸發(fā)數(shù)據(jù)流緩存結(jié)構(gòu)做單通道或多通道數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，其面對(duì)的最差情況就是FIFO的讀寫(xiě)時(shí)鐘頻率相等，一般情況下，F(xiàn)IFO的寫(xiě)時(shí)鐘頻率遠(yuǎn)小于讀時(shí)鐘頻率，因?yàn)橐米x寫(xiě)時(shí)鐘頻率差預(yù)留出一幀有效數(shù)據(jù)的處理時(shí)間。

表1 寫(xiě)操作狀態(tài)轉(zhuǎn)移表

表2 讀操作狀態(tài)轉(zhuǎn)移表

連續(xù)數(shù)據(jù)流預(yù)觸發(fā)緩存結(jié)構(gòu)的讀操作狀態(tài)機(jī)并不是獨(dú)立的，讀操作狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)切換與寫(xiě)操作狀態(tài)機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)有關(guān)。讀操作狀態(tài)機(jī)工作在寫(xiě)時(shí)鐘域，并非工作在讀時(shí)鐘域，其中的原因是為保證FIFO讀寫(xiě)使能信號(hào)電平翻轉(zhuǎn)的同時(shí)性，保證FIFO讀寫(xiě)周期時(shí)間的相等，這是理想乒乓操作的時(shí)序要求。讀操作狀態(tài)機(jī)的工作過(guò)程如下：復(fù)位后，讀操作狀態(tài)機(jī)處于空閑狀態(tài)rd_idle，當(dāng)寫(xiě)操作狀態(tài)機(jī)處于FIFO_A寫(xiě)狀態(tài)，即表2中的wr_cur.wra有效，且FIFO_A寫(xiě)滿標(biāo)志信號(hào)有效，則讀操作狀態(tài)機(jī)的下一個(gè)狀態(tài)是rda，即FIFO_A的讀狀態(tài)，否則，讀操作狀態(tài)機(jī)狀態(tài)不跳轉(zhuǎn)；如果讀操作狀態(tài)機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)是FIFO_A讀狀態(tài)，當(dāng)寫(xiě)操作狀態(tài)機(jī)處于FIFO_B寫(xiě)狀態(tài)，即表2中的wr_cur.wrb有效，且FIFO_B寫(xiě)滿標(biāo)志信號(hào)有效，則讀操作狀態(tài)機(jī)的下一個(gè)狀態(tài)是rdb，即FIFO_B讀狀態(tài)，否則，讀操作狀態(tài)機(jī)狀態(tài)不跳轉(zhuǎn)；如果讀操作狀態(tài)機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)是FIFO_B讀狀態(tài)，當(dāng)寫(xiě)操作狀態(tài)機(jī)處于FIFO_A寫(xiě)狀態(tài)，即表2中的wr_cur.wra有效，且FIFO_A寫(xiě)滿標(biāo)志信號(hào)有效，則讀操作狀態(tài)機(jī)的下一個(gè)狀態(tài)是FIFO_A讀狀態(tài)，否則，讀操作狀態(tài)機(jī)狀態(tài)不跳轉(zhuǎn)。

3 系統(tǒng)集成及功能測(cè)試

3.1 系統(tǒng)集成

在上述理論分析的基礎(chǔ)上，使用硬件描述語(yǔ)言，搭建了基于連續(xù)數(shù)據(jù)流預(yù)觸發(fā)緩存結(jié)構(gòu)的單通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，綜合后模塊框圖（見(jiàn)圖8）。多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是在單通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行搭建，綜合后模塊框圖（見(jiàn)圖9），其搭建方法也很簡(jiǎn)單，只需將多路獨(dú)立的預(yù)觸發(fā)信號(hào)或運(yùn)算后輸入各通道控制邏輯模塊，然后各通道數(shù)據(jù)在高速讀時(shí)鐘的作用下輪詢(xún)輸出即可。

3.2 功能測(cè)試

3.2.1 仿真測(cè)試 利用采集的砂礫撞擊管壁產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)，針對(duì)五通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，制作測(cè)試所需的數(shù)據(jù)文本文件，編寫(xiě)測(cè)試腳本。使用Modelsim軟件進(jìn)行測(cè)試。

圖8 單通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)模塊框圖

圖9 五通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)模塊框圖

圖10 板級(jí)測(cè)試系統(tǒng)框圖

由測(cè)試結(jié)果可以看出，觸發(fā)模塊正常工作，未受信號(hào)幅值變化的影響；五組有效信號(hào)組成的連續(xù)數(shù)據(jù)流被成功緩存，未出現(xiàn)有效數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象。這說(shuō)明基于連續(xù)數(shù)據(jù)流預(yù)觸發(fā)緩存結(jié)構(gòu)的五通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作各子通道工作正常，并滿足指定設(shè)計(jì)要求。頂層模數(shù)據(jù)輸出端口在每個(gè)讀緩存周期都會(huì)讀出五組同一有效信號(hào)，這說(shuō)明在單通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基礎(chǔ)上搭建的五通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作正常，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)數(shù)據(jù)流的多通道同步采集，同時(shí)，也說(shuō)明本文提出的連續(xù)數(shù)據(jù)流預(yù)觸發(fā)緩存結(jié)構(gòu)支持多通道擴(kuò)展。

3.2.2 板級(jí)測(cè)試 在仿真測(cè)試的基礎(chǔ)上，為測(cè)試基于連續(xù)數(shù)據(jù)流預(yù)觸發(fā)緩存結(jié)構(gòu)的五通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)際工作性能，利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的多通道數(shù)據(jù)采集板卡、任意信號(hào)發(fā)生器及signaltap II嵌入式邏輯分析儀進(jìn)行了系統(tǒng)的板級(jí)測(cè)試。多通道數(shù)據(jù)采集板卡載有4片AD9650模數(shù)轉(zhuǎn)換器，采樣率為10 MHz，輸出數(shù)據(jù)格式為有符號(hào)16位。板卡載有FPGA芯片三片，為Intel公司的EP4CE6E22C8芯片。AD9650與FPGA芯片之間的數(shù)據(jù)通信接口為16位并行接口。完成五通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的移植后，板級(jí)測(cè)試系統(tǒng)框圖（見(jiàn)圖10）?，F(xiàn)設(shè)置系統(tǒng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器為10 MHz，即數(shù)據(jù)寫(xiě)時(shí)鐘頻率為10 MHz，數(shù)據(jù)讀時(shí)鐘頻率為50 MHz，任意信號(hào)發(fā)生器充當(dāng)信號(hào)源，signaltap II邏輯分析儀作為上位機(jī)。

板級(jí)測(cè)試結(jié)果與仿真測(cè)試結(jié)果一致，實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)一步證明了連續(xù)數(shù)據(jù)流緩存結(jié)構(gòu)功能的完整性。此外，由圖10板級(jí)測(cè)試系統(tǒng)框圖可知，連續(xù)數(shù)據(jù)流緩存結(jié)構(gòu)具有良好的通道擴(kuò)展性，且這種擴(kuò)展性不局限于單片F(xiàn)PGA器件。

4 結(jié)語(yǔ)

仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果表明基于自適應(yīng)觸發(fā)方法和乒乓操作原理的多通道出砂振動(dòng)信號(hào)緩存系統(tǒng)架構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)自適應(yīng)觸發(fā)及連續(xù)數(shù)據(jù)流緩存，可有效降低由于信號(hào)幅值引起的誤觸和漏觸概率，避免傳統(tǒng)數(shù)據(jù)緩存架構(gòu)讀寫(xiě)訪問(wèn)沖突所引起的有效數(shù)據(jù)幀丟失問(wèn)題。此外，該多通道數(shù)據(jù)緩存系統(tǒng)架構(gòu)具有良好的通道擴(kuò)展性及模塊功能獨(dú)立性，加之架構(gòu)所使用資源均為常規(guī)FPGA器件片上資源，所以系統(tǒng)架構(gòu)具有良好的可移植性。該多通道數(shù)據(jù)緩存系統(tǒng)架構(gòu)不僅能夠解決油氣出砂監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)緩存問(wèn)題，還能夠?yàn)槠渌麘?yīng)用場(chǎng)景下的多通道數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。