基于USB總線的遠(yuǎn)探測方位反射聲波成像測井儀數(shù)據(jù)讀取接口設(shè)計

謝 超,門百永,幺永超,盧俊強(qiáng),王邦偉,劉先平

(1.中國石油大學(xué)(北京) 油氣資源與探測國家重點實驗室, 北京 102249；2.中國石油大學(xué)(北京)地球物理學(xué)院，北京 102249；3.南方科技大學(xué) 地球與空間科學(xué)系,廣東 深圳 518055； 4.中國石油集團(tuán)測井有限公司 西南分公司，重慶 400021；5.中國石油測井有限公司 天津分公司，天津 300280)

0 引言

隨著勘探開發(fā)的不斷深入，遠(yuǎn)離井壁周圍空間的探測成為迫切需要的勘探技術(shù)[1-3]，中國石油大學(xué)(北京)與中國石油集團(tuán)合作研制的基于相控陣技術(shù)[4-6]的遠(yuǎn)探測方位反射聲波成像測井儀(BAR)[7-8]成功實現(xiàn)了帶方位分辨能力的遠(yuǎn)離井壁地質(zhì)空間的探測。為實現(xiàn)方位分辨能力，BAR采用了陣列化的探測器結(jié)構(gòu)(傳感器數(shù)量達(dá)80個)；為實現(xiàn)遠(yuǎn)距離探測，BAR每個傳感器數(shù)據(jù)采樣深度可達(dá)8 k，因此，每個深度點總數(shù)據(jù)量可達(dá)1.2 MB。而現(xiàn)今成熟的電纜測井遙傳系統(tǒng)最高通訊速度不超過1 Mbps[9-10]。

為解決遙傳通訊速度低的瓶頸，BAR采用了“井下存儲，抽樣上傳”的工作方式，即所有測井?dāng)?shù)據(jù)均存儲于井下大容量存儲器內(nèi)，僅抽樣部分關(guān)鍵數(shù)據(jù)上傳到地面[11]。在BAR儀器上提到井口后，需要在現(xiàn)場快速讀取測井?dāng)?shù)據(jù)，通過回放分析軟件快速驗證測井施工質(zhì)量是否合格。常規(guī)的測井地面系統(tǒng)不具備專用高速數(shù)據(jù)讀取接口，因此，需要開發(fā)專用的數(shù)據(jù)讀取接口，以實現(xiàn)BAR數(shù)據(jù)的現(xiàn)場快速讀取和回放分析。另外，數(shù)據(jù)讀取接口應(yīng)具備獨立供電能力，可以實現(xiàn)井下數(shù)據(jù)存儲電路的供電。

本文設(shè)計了一種基于USB總線的遠(yuǎn)探測方位反射聲波成像測井儀數(shù)據(jù)讀取接口，實現(xiàn)了在井場對BAR主控短節(jié)內(nèi)的數(shù)據(jù)存儲電路供電和測井?dāng)?shù)據(jù)的快速讀取與回放、以及測井質(zhì)量的檢驗。

1 數(shù)據(jù)讀取接口整體設(shè)計

BAR測井儀的主控短節(jié)內(nèi)的數(shù)據(jù)存儲模塊的供電為9～15 V，常溫下功耗不超過2 W，數(shù)據(jù)存儲模塊物理讀取速度不高于10 MB/s，經(jīng)過本地文件系統(tǒng)處理后，數(shù)據(jù)輸出速度約為8 MB/s。本設(shè)計中選用USB2.0接口，即可以滿足通訊要求，也可以為接口電路供電。接口電路與井下儀器數(shù)據(jù)存儲模塊的物理連接距離為3～5 m，且二者通過31芯測井連接器相連，引線資源有限；另外，井場環(huán)境還存在各種強(qiáng)電干擾。因此，接口電路與井下儀器數(shù)據(jù)存儲模塊的通訊選用多點低電壓差分信號(M-LVDS)來構(gòu)建高速串行總線[12-13]。

數(shù)據(jù)讀取接口整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。數(shù)據(jù)讀取接口主要由運行于上位機(jī)的控制軟件和接口電路兩部分組成。其中，硬件接口電路實現(xiàn)BAR數(shù)據(jù)存儲模塊數(shù)據(jù)輸出接口和計算機(jī)接口的轉(zhuǎn)換。控制軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取過程的控制、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)解編和數(shù)據(jù)回放。上位機(jī)通過USB總線控制數(shù)據(jù)讀取接口板，數(shù)據(jù)讀取接口電路根據(jù)上位機(jī)命令通過基于M-LVDS的高速串行總線讀取井下數(shù)據(jù)。

2 數(shù)據(jù)讀取接口電路硬件設(shè)計

數(shù)據(jù)讀取接口電路主要由鋰電池、電源管理電路、電流檢測電路、USB總線控制器、FPGA和高速總線驅(qū)動器等組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，電源管理電路實現(xiàn)將USB供電轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)讀取接口電路內(nèi)各電路所需要的低壓電平，如3.3 V、1.2 V等。另外，電源管理電路將鋰電池的輸出升壓轉(zhuǎn)換為15 V輸出，給BAR主控短節(jié)內(nèi)的數(shù)據(jù)存儲模塊供電。電流檢測電路用于精確檢測數(shù)據(jù)存儲模塊的供電電流。根據(jù)數(shù)據(jù)存儲模塊的供電電流可以對存儲模塊的故障進(jìn)行初步判斷。

USB控制器實現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取接口電路和主機(jī)間的通訊，本設(shè)計中選用FTDI公司的FT232H[14]，該芯片以內(nèi)部固件實現(xiàn)了整個USB協(xié)議，最高通訊速度可以達(dá)到40 MB/s。本設(shè)計中將FT232H配置成USB轉(zhuǎn)異步并行FIFO模式，在此模式下，F(xiàn)T232H內(nèi)置一個雙向FIFO接口，通過讀寫標(biāo)志信號和讀寫使能信號與FPGA進(jìn)行通訊。

為了保證數(shù)據(jù)讀取接口電路通訊的高效，前端控制器采用FPGA芯片作為主控制芯片。本設(shè)計中FPGA實現(xiàn)數(shù)據(jù)編碼、解碼、校驗、數(shù)據(jù)緩存、高速串行總線控制等。與微處理器MCU中指令順序執(zhí)行所不同的是，F(xiàn)PGA中大量的門陣列可以實現(xiàn)復(fù)雜的并行邏輯控制功能，可以以流水線的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的編碼、校驗和緩存等，提高總線響應(yīng)的時效。以FPGA為控制核心也便于升級和擴(kuò)展。

高速總線驅(qū)動器實現(xiàn)TTL電平和M-LVDS電平的轉(zhuǎn)換。

3 數(shù)據(jù)讀取接口電路軟件設(shè)計

3.1 傳輸格式

井下儀器與數(shù)據(jù)讀取電路的通訊和數(shù)據(jù)讀取電路與上位機(jī)的通訊均采用相同的幀格式，具體格式如圖3所示。一個完整的通訊幀包括幀頭、幀類型、幀內(nèi)容和校驗碼。根據(jù)傳輸數(shù)據(jù)長度的不同將通訊幀分為兩類，一種是短幀，總長度規(guī)定為16字節(jié)，用于傳輸命令和井下儀器供電電流值等；一種是長幀，總長度固定為2 048字節(jié)，僅用于傳輸井下儀器上傳數(shù)據(jù)。

3.2 控制邏輯設(shè)計

數(shù)據(jù)讀取接口電路的軟件是運行在FPGA內(nèi)的邏輯電路，采用VHDL語言進(jìn)行設(shè)計，圖4為控制邏輯結(jié)構(gòu)框圖。FPGA內(nèi)的邏輯電路主要由USB并行接口、命令解析、下傳命令集、8B/10B編碼、串行發(fā)送器、總線驅(qū)動控制器、串行接收器、10B/8B解碼、數(shù)據(jù)校驗、數(shù)據(jù)緩存、上傳命令集、供電管理、電流采集控制、電流緩存器等邏輯功能模塊組成。

USB并行接口模塊由USB數(shù)據(jù)讀取功能模塊和USB數(shù)據(jù)寫入功能模塊組成，其中USB數(shù)據(jù)讀取功能模塊是根據(jù)FT232H的接收數(shù)據(jù)指示信號RXF，讀取上位機(jī)發(fā)送到FT23H內(nèi)部FIFO中的下傳數(shù)據(jù)，而后發(fā)送該數(shù)據(jù)到命令解析功能模塊。USB數(shù)據(jù)寫入功能模塊是跟據(jù)FT232H發(fā)送指示信號TXF，在狀態(tài)控制器的控制下，將選擇緩存數(shù)據(jù)或電流測量值或命令集內(nèi)的數(shù)據(jù)發(fā)送到FT232H中的發(fā)送FIFO中。

命令解析模塊的功能是根據(jù)接收命令的內(nèi)容產(chǎn)生相應(yīng)的控制指示信號，用于驅(qū)動狀態(tài)控制器狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，并將需要下傳的命令寫入到下傳命令集中。

下傳命令集為數(shù)據(jù)讀取接口電路下發(fā)到井下儀器主控短節(jié)的命令集合，其包括兩部分，一部分是與井下儀器通訊的握手命令，如下傳數(shù)據(jù)請求命令、下傳數(shù)據(jù)重發(fā)命令等，該類命令以ROM形式固化在FPGA內(nèi)；另一部分是由數(shù)據(jù)讀取接口電路轉(zhuǎn)發(fā)給井下儀器的上位機(jī)命令，緩存在FPGA內(nèi)的雙口RAM中。

數(shù)據(jù)讀取接口電路與井下儀器主控短節(jié)通過差分串行總線通訊，為提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕唛g的通訊采用了8B/10B編碼方法。8B/10B編碼方法是通過冗余的2 bits實現(xiàn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流中‘0’和‘1’的數(shù)量均等。該編碼方法保證數(shù)據(jù)流中有足夠的電平轉(zhuǎn)換，既可以實時校正串行接收電路的時鐘漂移，又可以保證直流平衡，從而保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃浴Ａ硗?，額外的冗余編碼還可以用于數(shù)據(jù)錯誤識別，提高傳輸?shù)男ｒ災(zāi)芰?。FPGA是基于查找表結(jié)構(gòu)，且有大量的內(nèi)部存儲空間，因此，本設(shè)計中8B/10B編碼和10B/8B解碼模塊均采用查表法實現(xiàn)，在串行發(fā)送和接收時同步實現(xiàn)編碼和解碼，提高傳輸效率。

數(shù)據(jù)解析及校驗?zāi)K是根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的約定解析命令及校驗接收到數(shù)據(jù)的正確性，并將命令類型及校驗結(jié)果通知狀態(tài)控制器。本設(shè)計中采用CRC-7校驗，校驗碼采用查表方式獲得，可以在一個時鐘周期內(nèi)得到校驗碼，從而可以與串行接收器及數(shù)據(jù)緩存器同步工作，同步實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收、校驗和緩存。

數(shù)據(jù)緩存模塊主要用于緩存井下儀器上傳數(shù)據(jù)和電流采集數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)緩存基于FPGA內(nèi)的SRAM實現(xiàn)，分為3個雙端口SRAM區(qū)。其中電流采集數(shù)據(jù)緩存區(qū)占用一個SRAM區(qū)，采用循環(huán)寫入模式。井下儀器上傳數(shù)據(jù)緩存區(qū)占用為兩個SRAM區(qū)，采用乒乓結(jié)構(gòu)。

上傳命令集為數(shù)據(jù)讀取電路發(fā)送到上位機(jī)的命令的集合，該命令集以ROM形式固化在FPGA內(nèi)。

狀態(tài)控制器是數(shù)據(jù)讀取接口電路的核心，其根據(jù)上位機(jī)的下發(fā)命令、井下儀器上傳數(shù)據(jù)狀態(tài)和數(shù)據(jù)讀取接口電路的狀態(tài)，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，實現(xiàn)命令下發(fā)及命令和數(shù)據(jù)上傳的功能。狀態(tài)控制器主要由下傳控制狀態(tài)機(jī)和上傳控制狀態(tài)機(jī)組成。下傳控制狀態(tài)機(jī)主要包括供電設(shè)置態(tài)、下傳命令態(tài)和設(shè)置上傳命令態(tài)，具體轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖5(a)所示，其中，設(shè)置上傳命令狀態(tài)的作用是產(chǎn)生驅(qū)動上傳控制狀態(tài)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的控制信號。上傳控制狀態(tài)機(jī)主要狀態(tài)有上傳電流值態(tài)、上傳命令態(tài)和上傳數(shù)據(jù)態(tài)，具體轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖5(b)所示，其中，上傳數(shù)據(jù)態(tài)包含等待子狀態(tài)，僅當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸完成后退出上傳數(shù)據(jù)態(tài)。

基于硬件描述語言設(shè)計的控制邏輯實現(xiàn)了上位機(jī)命令的解析、命令編碼下傳、上傳數(shù)據(jù)同步接收、同步解碼和校驗等，純硬件邏輯使各部分同步協(xié)調(diào)工作，可以實現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)傳輸。圖6為下傳命令和上傳數(shù)據(jù)的仿真波形圖。圖中，數(shù)據(jù)讀取電路在接收到上傳數(shù)據(jù)后的5個時鐘周期內(nèi)開始發(fā)送下傳命令，可以看出純邏輯電路響應(yīng)高效迅速。

4 上位機(jī)軟件設(shè)計

上位機(jī)軟件的功能是通過下發(fā)命令控制數(shù)據(jù)讀取接口電路讀取井下儀器的測井?dāng)?shù)據(jù)、存儲和回放測井?dāng)?shù)據(jù)并將測井?dāng)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為測井評價軟件能識別的標(biāo)準(zhǔn)格式文件。

上位機(jī)軟件基于Visual Studio 2005實現(xiàn)，其組成結(jié)構(gòu)如圖7所示。控制軟件主要由數(shù)據(jù)讀取、電流監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲、文件轉(zhuǎn)換和回放顯示等功能模塊組成，以上功能模塊均在獨立的線程中實現(xiàn)。

數(shù)據(jù)讀取線程的主要功能是通過調(diào)用D2XX驅(qū)動程序控制數(shù)據(jù)讀取電路與井下儀器數(shù)據(jù)存儲模塊進(jìn)行通訊，實現(xiàn)井下儀器數(shù)據(jù)的連續(xù)讀取，并將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)存儲線程。另外，數(shù)據(jù)讀取線程還負(fù)責(zé)控制清空井下儀器數(shù)據(jù)存儲模塊。

數(shù)據(jù)存儲線程主要負(fù)責(zé)井下上傳數(shù)據(jù)的重整、錯誤校正和存儲。井下上傳數(shù)據(jù)包括井下儀器工作狀態(tài)信息和原始波形數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)存儲線程將上傳數(shù)據(jù)存儲為原始數(shù)據(jù)文件，同時提取儀器工作狀態(tài)信息并以文本格式存儲到一個獨立的狀態(tài)文件，將聲波波形數(shù)據(jù)以二進(jìn)制格式存儲到另一個獨立的測井?dāng)?shù)據(jù)文件。

文件轉(zhuǎn)換線程主要實現(xiàn)聲波測井?dāng)?shù)據(jù)的增益還原、深度還原和標(biāo)準(zhǔn)格式的轉(zhuǎn)換，以提供符合各測井解釋平臺格式要求的測井?dāng)?shù)據(jù)文件。由于測井?dāng)?shù)據(jù)文件較大，普通的IO文件操作方式效率較低下，本設(shè)計中采用了內(nèi)存映射文件方式實現(xiàn)測井?dāng)?shù)據(jù)文件的讀取和標(biāo)準(zhǔn)格式文件的寫入。

電流監(jiān)控線程是在數(shù)據(jù)讀取過程中定時讀取和記錄井下儀器數(shù)據(jù)存儲模塊的供電電流。通過井下儀器數(shù)據(jù)存儲模塊供電電流的異常，可以初步預(yù)測井下儀器數(shù)據(jù)存儲模塊失效概率，并為數(shù)據(jù)存儲模塊的失效分析提供支撐。

5 實驗結(jié)果與分析

所研制的遠(yuǎn)探測聲波測井儀數(shù)據(jù)讀取接口已成功應(yīng)用測井現(xiàn)場，累計完成8口井的現(xiàn)場數(shù)據(jù)讀取。在BAR測井儀的井下工作結(jié)束后，儀器上提到井口，利用該數(shù)據(jù)讀取接口將測井?dāng)?shù)據(jù)快速讀取到計算機(jī)中。自定義高速串行總線(M-LVDS總線)實現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取接口與測井儀主控短節(jié)的通信，原始測井?dāng)?shù)據(jù)以80 Mbps的速率傳輸?shù)紽PGA中進(jìn)行通訊協(xié)議的解編和校驗。校驗成功的數(shù)據(jù)由USB總線上傳到測井計算機(jī)中，由上位機(jī)軟件進(jìn)行回放。

圖8為原始數(shù)據(jù)傳輸過程中高速串行總線波形圖，圖中通道1為數(shù)據(jù)讀取接口電路總線驅(qū)動的發(fā)送使能信號，通道3為M-LVDS+，通道2為M-LVDS-。從圖中可以看出，差分總線速率為80 Mbps。在接收到上傳數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)讀取接口電路延時350 ns左右即啟動命令下傳?？梢钥闯?，基于硬件邏輯的并行化協(xié)議管理方法保證了高速串行總線上下行的快速切換，也保證串行總線的高速率。

新疆塔里木油田某口井的測井?dāng)?shù)據(jù)為720 MB，讀取時間為101 s，則平均讀取速度達(dá)到了57 Mbps，略低于理論數(shù)據(jù)讀取速率。經(jīng)觀測發(fā)現(xiàn)，在某些時候井下數(shù)據(jù)存儲模塊在接收到數(shù)據(jù)請求命令后的響應(yīng)存在不定延時。這主要是因為井下數(shù)據(jù)存儲模塊在讀取數(shù)據(jù)過程中首先進(jìn)行分塊校驗，如果出現(xiàn)錯誤則需要根據(jù)冗余信息校正錯誤，因此出現(xiàn)響應(yīng)延時，降低了整體數(shù)據(jù)讀取速度。

圖9為測井現(xiàn)場井口數(shù)據(jù)回放界面圖。該次施工測井井段為3 808.82～3 556.32 m，波形數(shù)據(jù)質(zhì)量良好。

6 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種基于USB總線和高速串行總線的測井?dāng)?shù)據(jù)讀取接口。本設(shè)計采用FPGA作為控制核心，基于硬件描述語言設(shè)計的控制邏輯實現(xiàn)了上位機(jī)命令的解析、命令編碼下傳、上傳數(shù)據(jù)同步接收、同步解碼和校驗等，純硬件邏輯使各部分同步協(xié)調(diào)工作，實現(xiàn)了高效的數(shù)據(jù)傳輸。經(jīng)測試，該數(shù)據(jù)讀取接口的平均數(shù)據(jù)讀取速率達(dá)57 Mbps，實現(xiàn)了測井?dāng)?shù)據(jù)的現(xiàn)場快速讀取和回放，保證了測井?dāng)?shù)據(jù)檢驗的時效及測井施工的效率。