聲波測(cè)井儀總線(xiàn)測(cè)試接口設(shè)計(jì)范文

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摘要

為了快速診斷國(guó)產(chǎn)聲波測(cè)井儀或其短節(jié)的工作狀態(tài)是否正常，設(shè)計(jì)了可與儀器或短節(jié)相匹配的總線(xiàn)測(cè)試接口電路。針對(duì)國(guó)產(chǎn)聲波類(lèi)測(cè)井儀器的所用總線(xiàn)，設(shè)計(jì)了Toolcontrolbus(TCB)、Highlocalbus(HLB)、Toolmodelbus(TMB)、Controllerareanetwork(CAN)等總線(xiàn)測(cè)試接口。其中TCB、HLB、TMB總線(xiàn)接口在FPGA芯片EP2C20Q240C8控制下實(shí)現(xiàn)，軟件采用模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；CAN總線(xiàn)接口由單片機(jī)C8051F500控制實(shí)現(xiàn)。利用了設(shè)計(jì)的接口電路板，仿真實(shí)現(xiàn)了TMB總線(xiàn)的從節(jié)點(diǎn)功能，可測(cè)試儀器主控短節(jié)的工作狀態(tài)。

關(guān)鍵詞

測(cè)井儀器，測(cè)試接口，總線(xiàn)

1引言

聲波測(cè)井在計(jì)算地層孔隙度、估算地層的滲透率以及識(shí)別孔隙流體中有著獨(dú)到之處，在油氣勘探的過(guò)程中，它是進(jìn)行儲(chǔ)層評(píng)價(jià)和產(chǎn)能評(píng)估的重要參考手段之一[1]。我國(guó)的聲波測(cè)井技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，已經(jīng)從開(kāi)始的引進(jìn)模仿，逐漸走向了全面自主創(chuàng)新的新階段[2]。電路電子技術(shù)的飛速發(fā)展，大大促進(jìn)了國(guó)產(chǎn)聲波測(cè)井儀的升級(jí)換代進(jìn)程。成像類(lèi)聲波測(cè)井儀的出現(xiàn)，造成井下儀器數(shù)據(jù)通訊量呈幾何倍數(shù)的增加，受井下條件的限制，儀器內(nèi)部模塊間的通訊與控制采用了可大量節(jié)省空間資源的串行傳輸方式，串行總線(xiàn)在聲波測(cè)井儀中發(fā)揮了不可忽視的作用[3−5]。總線(xiàn)技術(shù)的應(yīng)用帶來(lái)的新問(wèn)題是在儀器的生產(chǎn)和使用的過(guò)程中無(wú)法通過(guò)人工的方式來(lái)診斷其工作狀態(tài)，必須要設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的總線(xiàn)接口電路來(lái)輔助實(shí)現(xiàn)儀器及其子模塊的自動(dòng)化診斷測(cè)量。測(cè)井儀器的總線(xiàn)測(cè)試接口電路與測(cè)井儀器有較大的技術(shù)關(guān)聯(lián)性，國(guó)外為了更好的進(jìn)行技術(shù)封鎖，他們所設(shè)計(jì)總線(xiàn)測(cè)試接口多作為儀器研發(fā)公司內(nèi)部檢測(cè)使用，而不會(huì)公開(kāi)發(fā)表，所以國(guó)外聲波類(lèi)測(cè)井儀器測(cè)試接口電路未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道。國(guó)內(nèi)的成像類(lèi)聲波測(cè)井儀器內(nèi)部模塊的通訊與控制均采用了多節(jié)點(diǎn)的高速串行總線(xiàn)，儀器與遙傳短節(jié)的掛接采用的是CAN總線(xiàn)。如多極子陣列聲波測(cè)井儀[6−7]、方位聲波測(cè)井儀[8]內(nèi)部模塊通訊使用的是TCB和HLB總線(xiàn)；動(dòng)電測(cè)井儀、遠(yuǎn)探測(cè)方位反射聲波測(cè)井儀是近兩年研發(fā)的新儀器，內(nèi)部模塊通訊采用性能更好的TMB總線(xiàn)。本文的目的就是設(shè)計(jì)一種與這些儀器總線(xiàn)相匹配的接口電路以實(shí)現(xiàn)對(duì)這些儀器的子短節(jié)或整體的自動(dòng)化測(cè)試。

2聲波測(cè)井儀器總線(xiàn)簡(jiǎn)介

早期聲波測(cè)井儀器與遙傳短節(jié)之間的通訊是通過(guò)DTB總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)的，現(xiàn)在則升級(jí)為性能更優(yōu)的CAN總線(xiàn)進(jìn)行通訊。聲波測(cè)井儀器內(nèi)部總線(xiàn)主要有三種：TCB總線(xiàn)，HLB總線(xiàn)，TMB總線(xiàn)，這三種總線(xiàn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖1所示。TCB總線(xiàn)是多極子陣列聲波測(cè)井儀中的貫穿整只儀器的單向命令總線(xiàn)，它由兩根單向差分時(shí)鐘線(xiàn)和一根數(shù)據(jù)線(xiàn)構(gòu)成，TCB總線(xiàn)的傳輸速率200kbps，傳輸距離為10m；HLB總線(xiàn)是多極子陣列聲波測(cè)井儀接收電子短節(jié)中的單向高速局部數(shù)據(jù)總線(xiàn)，它由一根時(shí)鐘線(xiàn)、兩根板選線(xiàn)、兩根數(shù)據(jù)線(xiàn)構(gòu)成，HLB總線(xiàn)的傳輸速率為5Mbps，傳輸距離為5m；TMB總線(xiàn)是新一代的半雙工雙向高速總線(xiàn)，它由兩根差分?jǐn)?shù)據(jù)線(xiàn)、兩根差分?jǐn)?shù)據(jù)線(xiàn)構(gòu)成，TMB總線(xiàn)的傳輸速率10Mbps，傳輸距離為20m。利用常用的電子測(cè)試設(shè)備，如示波器或者萬(wàn)用表等，只能對(duì)總線(xiàn)信號(hào)的有無(wú)以及其電壓、電流特征進(jìn)行測(cè)量分析，無(wú)法判斷總線(xiàn)數(shù)據(jù)的幀類(lèi)型以及幀內(nèi)容的正確與否，更無(wú)法對(duì)總線(xiàn)錯(cuò)誤進(jìn)行定位。因此，本文設(shè)計(jì)了與這些總線(xiàn)相匹配的接口電路。

3硬件設(shè)計(jì)

要實(shí)現(xiàn)對(duì)聲波測(cè)井儀通訊總線(xiàn)的測(cè)試，必須要提供與儀器相匹配的總線(xiàn)接口，如CAN總線(xiàn)接口，TCB總線(xiàn)接口，HLB總線(xiàn)接口，TMB總線(xiàn)接口等。總線(xiàn)測(cè)試接口電路板硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，采用Altera公司的FPGA芯片EP2C20Q240C8作為總線(xiàn)接口控制的核心器件，擴(kuò)展了16位的地址總線(xiàn)和16位的數(shù)據(jù)總線(xiàn)與其他電路板互聯(lián)，采用SN74LVT162245器件作為總線(xiàn)緩沖和驅(qū)動(dòng)。由于FPGA器件不帶CAN總線(xiàn)控制器，本文利用sil-iconlabs公司的單片機(jī)C8051F500內(nèi)置的CAN總線(xiàn)控制器，采用芯片PCA82C250T驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)CAN總線(xiàn)接口。為了兼容早期的TCB總線(xiàn)接口，利用DS90LV019器件對(duì)時(shí)鐘信號(hào)實(shí)現(xiàn)差分和單端信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換。為減小儀器模塊與測(cè)試系統(tǒng)的互相干擾，所有的總線(xiàn)接口均需要采用高速隔離器件與數(shù)字電路系統(tǒng)隔離。其中，TCB、HLB、TMB總線(xiàn)接口采用四通道高速磁隔離芯片ADUM1401隔離；CAN總線(xiàn)接口采用光耦器件HCPL0600隔離。電路板供電部分采用NR5S5將數(shù)字電源與模擬電源隔離，模擬地和數(shù)字地分開(kāi)布線(xiàn)并采用一點(diǎn)的方式連接。這樣可大大減少電源抖動(dòng)對(duì)電路系統(tǒng)的影響并防止模擬電路和數(shù)字電路的互相干擾。

4軟件設(shè)計(jì)

總線(xiàn)測(cè)試接口電路板軟件設(shè)計(jì)分為兩個(gè)部分，F(xiàn)PGA程序設(shè)計(jì)和單片機(jī)程序設(shè)計(jì)。FPGA控制了TCB、HLB、TMB等總線(xiàn)測(cè)試接口。本設(shè)計(jì)中FPGA程序基于硬件描述語(yǔ)言VHDL，采用自頂向下的模塊化設(shè)計(jì)思想，按照功能將系統(tǒng)劃分為若干個(gè)子模塊，頂層采用框圖的方式將各個(gè)子模塊連接起來(lái)，具有簡(jiǎn)單直觀、易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。圖3所示是總線(xiàn)接口板FPGA的軟件結(jié)構(gòu)框圖，主要包括：擴(kuò)展總線(xiàn)控制，共享雙口RAM，頂層控制邏輯，測(cè)試任務(wù)控制，發(fā)送/接收FIFO，收發(fā)狀態(tài)控制，串行發(fā)送/串行接收器等。擴(kuò)展總線(xiàn)模塊實(shí)現(xiàn)與外部系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；共享雙口RAM接收來(lái)自于單片機(jī)的數(shù)據(jù)并暫存；頂層控制邏輯主要實(shí)現(xiàn)發(fā)送數(shù)據(jù)的寫(xiě)入，接收數(shù)據(jù)的讀取；測(cè)試任務(wù)控制模塊判斷任務(wù)類(lèi)型并對(duì)收發(fā)狀態(tài)進(jìn)行控制；發(fā)送、接收存儲(chǔ)FIFO由FPGA內(nèi)部配置實(shí)現(xiàn)，主要完成發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)的緩存；收發(fā)狀態(tài)控制器主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收的狀態(tài)交互控制；串行發(fā)送、串行接收器由計(jì)數(shù)器和移位寄存器組成，在收發(fā)狀態(tài)控制模塊的協(xié)調(diào)下發(fā)送和接收串行數(shù)據(jù)。單片機(jī)程序主要實(shí)現(xiàn)對(duì)CAN總線(xiàn)接口的控制和讀寫(xiě)數(shù)據(jù)的緩存。在本文中，設(shè)計(jì)的CAN總線(xiàn)接口需要仿真遙傳短節(jié)對(duì)測(cè)井儀進(jìn)行控制，用來(lái)檢測(cè)井下儀器的整機(jī)或者主控短節(jié)的工作狀態(tài)是否正常。他的主要功能是下發(fā)控制命令到被測(cè)儀器或短節(jié)，并且接收儀器或短節(jié)返回的數(shù)據(jù)。由于C8051F500集成了CAN控制器，所以CAN物理層及數(shù)據(jù)鏈路層的大部分功能包括數(shù)據(jù)的編解碼和校驗(yàn)無(wú)需用戶(hù)編程。用戶(hù)只需在應(yīng)用層編程，本文基于標(biāo)準(zhǔn)CAN2.0規(guī)范定義了通訊協(xié)議對(duì)CAN控制器進(jìn)行配置。單片機(jī)程序運(yùn)行主流程如圖4所示，系統(tǒng)初始化后啟動(dòng)CAN測(cè)試任務(wù)，任務(wù)啟動(dòng)后進(jìn)入中斷查詢(xún)狀態(tài)，當(dāng)有CAN中斷產(chǎn)生時(shí)，進(jìn)行讀寫(xiě)緩存操作，若有數(shù)據(jù)需要保存，將其存入FPGA的共享雙口RAM中，任務(wù)完成后清中斷標(biāo)志并退出。

5設(shè)計(jì)結(jié)果及仿真

圖5所示是設(shè)計(jì)的總線(xiàn)測(cè)試電路板的實(shí)物圖，各總線(xiàn)接口和編程接口均采用接插件的形式與外部連接。井下聲波儀器內(nèi)部總線(xiàn)的數(shù)據(jù)傳輸以幀為單位，根據(jù)幀功能的不同，將幀分為四類(lèi)：下傳命令幀、下傳數(shù)據(jù)請(qǐng)求幀、上傳數(shù)據(jù)幀和廣播幀。每幀由起始段，控制段，數(shù)據(jù)段和校驗(yàn)段組成。起始段標(biāo)識(shí)有效幀的幀頭，控制段中含有幀類(lèi)型、來(lái)源地址、目的地址、數(shù)據(jù)段長(zhǎng)度等信息。校驗(yàn)段為控制段和數(shù)據(jù)段的校驗(yàn)和。測(cè)試電路板收到有效的幀起始段后，將控制段，數(shù)據(jù)段和校驗(yàn)段分別緩存，并將控制段和數(shù)據(jù)段進(jìn)行校驗(yàn)運(yùn)算，最終將計(jì)算結(jié)果和校驗(yàn)段進(jìn)行對(duì)比分析，從而判斷總線(xiàn)的是否發(fā)生錯(cuò)誤并且對(duì)錯(cuò)誤進(jìn)行定位。若是總線(xiàn)幀無(wú)誤，進(jìn)而對(duì)總線(xiàn)幀的數(shù)據(jù)段進(jìn)行解析。以TMB總線(xiàn)為例，本文在電路板上仿真TMB總線(xiàn)測(cè)試從節(jié)點(diǎn)功能，仿真接收來(lái)自于主控電子短節(jié)的串行發(fā)射命令，并對(duì)該命令進(jìn)行解析。如圖6所示，總線(xiàn)接收到有效數(shù)據(jù)幀后，獲取相關(guān)參數(shù)并更新delay和wide值。當(dāng)接收到有效發(fā)射命令幀后，輸出了發(fā)射啟動(dòng)標(biāo)志sx以及相應(yīng)的脈沖信號(hào)wave_first和wave_delay。

6結(jié)論

早期國(guó)內(nèi)的聲波測(cè)井儀由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)和總線(xiàn)架構(gòu)具有較大差異性，所以測(cè)試設(shè)備都是針對(duì)相應(yīng)儀器一對(duì)一設(shè)計(jì)和研發(fā)的，不同的測(cè)井儀器則需要設(shè)計(jì)專(zhuān)用的測(cè)試電路，通用性較弱。本文針對(duì)國(guó)產(chǎn)聲波成像類(lèi)測(cè)井儀器的總線(xiàn)特征，整合了所有的總線(xiàn)接口，設(shè)計(jì)了TCB、HLB、TMB、CAN等總線(xiàn)測(cè)試接口，可以對(duì)多種聲波類(lèi)測(cè)井儀器進(jìn)行總線(xiàn)的測(cè)試。利用設(shè)計(jì)的接口電路，仿真實(shí)現(xiàn)了TMB總線(xiàn)的從節(jié)點(diǎn)功能。總線(xiàn)測(cè)試接口電路板的設(shè)計(jì)，使得今后生產(chǎn)聲波測(cè)井儀器時(shí)的整機(jī)檢測(cè)和分節(jié)調(diào)試變得便捷簡(jiǎn)單，即使是非專(zhuān)業(yè)人員也能快速判斷整個(gè)儀器及各子短節(jié)的工作狀態(tài)，為今后儀器的現(xiàn)場(chǎng)快速診斷奠定基礎(chǔ)，可加速推進(jìn)國(guó)產(chǎn)聲波測(cè)井儀的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

參考文獻(xiàn)

[1]喬文孝,鞠曉東,車(chē)小花,等.聲波測(cè)井技術(shù)研究進(jìn)展[J].測(cè)井技術(shù),2011,35(1):14–19.QIAOWenxiao,JUXiaodong,CHEXiaohua,etal.Progressinacousticwellloggingtechnology[J].WellLog-gingTechnology,2011,35(1):14–19.

[2]鞠曉東,喬文孝,趙宏林,等.新一代聲波測(cè)井儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].測(cè)井技術(shù),2012,36(5):507–510.JUXiaodong,QIAOWenxiao,ZHAOHonglin,etal.Sys-temdesignofanewacousticloggingtool[J].WellLoggingTechnology,2012,36(5):507–510.

[3]成向陽(yáng),鞠曉東,盧俊強(qiáng),等.基于可編程邏輯器件的井下板間高速串行數(shù)據(jù)傳輸電路設(shè)計(jì)[J].測(cè)井技術(shù),2008,32(2):177–179.CHENGXiangyang,JUXiaodong,LUJunqiang,etal.Designonacpld-basedhigh-speedserialdatatransmis-sioncircuitryforinter-boardsofdownholetool[J].WellLoggingTechnology,2008,32(2):177–179.

[4]成向陽(yáng),鞠曉東,盧俊強(qiáng),等.基于串行總線(xiàn)的井下多通道高速高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2008,32(2):47–52.CHENGXiangyang,JUXiaodong,LUJunqiang,etal.Designofhigh-speedandhigh-precisiondataacquisitionsystemwithmulti-channelappliedtodownholetoolsonthebasisofserialbus[J].JournalofChinaUniversityofPetroleum,2008,32(2):47–52.

[5]盧俊強(qiáng),鞠曉東,成向陽(yáng).串行數(shù)據(jù)傳輸在聲波測(cè)井儀中的應(yīng)用研究[J].西南石油學(xué)院學(xué)報(bào),2009,31(1):162–165.LUJunqiang,JUXiaodong,CHENGXiangyang.Ap-plicationofserialdatatransmissioninacousticloggingtool[J].JournalofSouthwestPetroleumUniversityInsti-tute,2009,31(1):162–165.

[6]鞠曉東,喬文孝,李玉霞,等.多極子陣列聲波測(cè)井儀電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].測(cè)井技術(shù),2008,32(1):61–64.JUXiaodong,QIAOWenxiao,LIYuxia,etal.Electronicsystemdesignofamultipoleacousticloggingtool[J].WellLoggingTechnology,2008,32(1):61-64.

[7]成向陽(yáng),鞠曉東,盧俊強(qiáng),等.基于串行總線(xiàn)的多極子陣列聲波接收電路設(shè)計(jì)[J].中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2009,33(4):59–63.CHENGXiangyang,JUXiaodong,LUJunqiang,etal.Designofmultipolearrayacousticloggingreceiverelec-troniccircuitbasedonserialbus[J].JournalofChinaUni-versityofPetroleum,2009,33(4):59–63.

[8]盧俊強(qiáng),鞠曉東,喬文孝,等.方位聲波測(cè)井儀電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].測(cè)井技術(shù),2011,35(3):284–287.LUJunqiang,JUXiaodong,QIAOWenxiao,etal.Elec-tronicsystemdesignofazimuthallyacousticbondtool[J].WellLoggingTechnology,2011,35(3):284–287.

作者：劉先平 鞠曉東 喬文孝 盧俊強(qiáng) 門(mén)百永 單位：中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室