FPGA原理及其在石油勘探仪器中的应用

2010-02-06雷小青蒋立冬潘中印

石油管材与仪器 2010年4期

关键词：石油勘探贵州大学交叉

雷小青蒋立冬潘中印

(1.贵州大学职业技术学院贵州贵阳) (2.东方地球物理公司西安物探装备分公司陕西西安)

FPGA原理及其在石油勘探仪器中的应用

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(1.贵州大学职业技术学院贵州贵阳) (2.东方地球物理公司西安物探装备分公司陕西西安)

随着可编程逻辑器件的发展,FPGA的应用已经越来越广泛,且用可编程逻辑器件代替传统的普通集成电路已成为一种发展的趋势。可编程逻辑器件FPGA以其高集成度、高速度、开发周期短、稳定性好而受到了人们的青睐,并得到了广泛的应用。文章介绍了FPGA的原理及实现技术,并阐述了其在石油勘探仪器中的具体应用。

FPGA;逻辑电路;408UL

0 引言

FPGA(Field Programmable Gate Array)是在早期的可编程逻辑器件PAL、GAL等基础上发展起来。它采用了逻辑单元阵列LCA(Logic Cell Array)这样一个新概念,内部包括可配置逻辑模块CLB(Configurable Logic Block)、输出输入模块IOB(Input Output Block)和内部连线(Interconnect)三个部分。与早期的可编程器件相比FPGA具有如下优点:

(1)FPGA器件的集成度高、功能强。目前单片FPGA的逻辑门数已经达到数十万门,完全可以满足芯片内集成系统的要求;

(2)FPGA器件可靠性高、保密性好、重量轻、体积小、功耗低、速度快;

(3)FPGA器件具有可编程性和实现方案容易改动性,使得电路设计周期短,占领市场速度快;

(4)FPGA器件所设计的电子系统,研制和开发成本相对较低。FPGA芯片在出厂前都做过测试,不需要设计人员承担风险和费用。

正因为FPGA具有如此多的优点,使得它在各种电子设备中使用非常广泛。目前的第五代数字石油勘探仪器中也普遍采用这一技术,本文将以法国Sercel公司的408UL地震勘探仪器为例,介绍FPGA的组成结构及技术的应用,分析其工作机理,总结其设计思想和实现技巧[1]。

1 FPGA的组成和工作原理[2]

经过几十年的发展,许多公司都开发出了多种类型的FPGA,有XILINX的XC系列、TI公司的TPC系列、ALTERA公司的FIEX系列等。但是在众多的产品中,XILINX公司的系列产品在结构上最具代表性。

XILINX公司的Spartan-II的内部结构如图1所示。

图1 Xilinx Spartan-II芯片内部结构

Spartan-II主要包括CLBs,I/O块,RAM块和可编程连线(未表示出)。在Spartan-II中,一个CLB包括2个Slices,每个Slices包括2个LUT及2个触发器和相关逻辑。Slices可以看成是SpartanII实现逻辑的最基本结构,如图2所示。CLB(可编程逻辑模块)是实现用户所需逻辑的功能单元,以矩阵形式安排在器件的中心。

Spartan-II是基于查找表(LUT)结构的。采用这种结构的PLD芯片我们也可以称之为FPGA:如Altera的ACEX,APEX系列,Xilinx的Spartan,Virtex系列等。查找表(Look-Up-Table)简称为LUT,LUT本质上就是一个RAM。目前FPGA中多使用4输入的LUT,所以每一个LUT可以看成一个有4位地址线的16x1的RAM。当用户通过原理图或硬件描述语言描述了一个逻辑电路以后,PLD/FPGA开发软件会自动计算逻辑电路的所有可能的结果,并把结果事先写入RAM,这样,每输入一个信号进行逻辑运算就等于输入一个地址进行查表,找出地址对应的内容,然后输出即可。

图2 CLB结构图

另外FPGA中还包括IOB(可编程输入/输出块)和PI(可编程内部连线)。IOB就是FPGA内部逻辑块与器件外部引脚之间的接口。PI是各个IO、CLB的连接通道,在编程数据控制下,它为FPGA芯片内的CLB之间、CLB和IOB之间提供连接。

FPGA的工作状态完全由编程数据来控制,它存放在FPGA片内的独立静态存储器中。由于停电后,静态存储器中的数据不能保存,因此每次接通电源后必须重新给静态存储器装载编程数据,这些数据通常存放在EPROM中。FPGA加电后,从EPROM中加载程序,在程序的控制下实现一系列预先设定好的逻辑功能。

2 FPGA在石油勘探仪器中的应用

法国Sercel公司生产的408UL24位数字地震仪器以其良好的可靠性和稳定的数据传输等特点而受到关注[3]。其野外电子设备更是体现了这一特点。这与其具体实现技术是紧密联系在一起的。其中FPGA产品的使用就极具代表性。在交叉站和电源站中则更是大量使用FPGA器件。FPGA器件的使用不但降低了系统成本,而且提高了可靠性,降低了功耗,最为重要的是可以通过软件的升级来实现逻辑功能的升级,从而是整个仪器系统的灵活性大为提高,降低了维护成本,获得了良好的可扩展性。以408UL仪器中的交叉站LAUX为例进行阐述。

图3 408UL数字地震仪LAUX LIPX板结构图

408UL交叉站LAUX的数字板的内部结构原理图如图3所示。DSP,IBM微控制器和Xilinx FPGA通过内部总线连接。共同完成对来自中心站的指令的处理,以及对FDU采集站发送来的数据进行数字信号处理。其中大线数据和内部总线间的逻辑接口功能由Xilinx FPGA完成。一共有2块Xilinx芯片。它的程序存储在一块EEPROM存储器中。

FPGA负责接收和发送大线数据。接收中心站发来的命令时,将交叉线上传输来的16.384 Mbps基带双极性曼彻斯特编码数据转换成单极性数据,然后遵循内部总线传输协议,将数据传输给IBM微处理器,同时也传输给另一给交叉口,以便传输给下一条测线。IBM根据指令的种类执行相应的程序,完成不同的功能(如发送给FDU建排命令,测试命令,采集指令等)。

在接收和发送数据时,也类似于这个过程。另外,接收数据时FPGA还要完成将串行数据转换成并行数据的任务,以便数据可以在内部并行总线上传输,实现和IBM微处理器以及数字信号处理器之间的接口。交叉站发送数据时,则将微处理器的并行数据转换成串行数据,通过FPGA发送给排列。

理论上讲,这一系列复杂的逻辑功能也可以用分立的小规模集成电路或微处理器来实现,但会占用过多的电路板空间,最主要的是速度上达不到要求。普通单片微处理器的核心工作频率达不到16.384 Mbps数据传输与处理的要求,32位微处理器速度价格方面则不占优势。利用FPGA技术,充分发挥其速度上和价格上的优势,简化了电路设计,降低了耗电,性能更加可靠稳定,这也是Sercel在仪器设计上的一贯特色。

除了在交叉站LAUX使用FPGA外,在电源站LAUL和中心站的大线接口板(LCI)上也使用了FPGA。在实现高速数字逻辑功能方面,发挥了重要作用。