双频感应井下仪器的通信及控制设计

马彦宇，师奕兵，李焱骏

（电子科技大学自动化工程学院，四川 成都 611731）

1 引 言

双频感应测井是一种通过获得地层介电常数和电导率来得知地层结构特征的测井方法。由于井下高温高压环境对仪器控制和通信要求稳定性极高，测井仪器的井下控制、检测流程较为复杂，国内至今还没有开发出实用的双频感应测井仪。该文主要阐述双频感应测井仪的通信与控制电路部分的设计，根据实际的测井作业需求，提出了一种以200ms为一控制帧的时序控制，以及幅相数据接收和上位机通信的实验方案，在实际应用中有效平衡了现场测井时效、地层采集分辨率和大数据量通信传输之间的固有矛盾。

2 硬件电路设计

作为双频感应测井仪的井下通信与控制核心，所有地面发送到仪器的指令以及来自仪器的响应均通过该电路进行处理、控制。经测井专用EDIB总线接收地面系统上位机命令，并通过同步串口通信方式控制与协调数据处理模块、采集模块、发射模块和温度电压采集控制模块等，利用串行方式分别接收幅相数据和发射板的状态信息。同时采集仪器各种辅助数据，处理和编码后上传地面系统。FPGA中的主要设计包括：80C186XL的外围控制逻辑电路；与ELIS地面控制系统通信的全双工双向异步通信串口；Manchester编码解码器，与HD6408和HD6409芯片兼容；与DSP板通信的1Mb/s全双工双向同步通信串口；电压温度测量模块控制逻辑；时钟发生逻辑电路以及其他控制逻辑电路。数据存储器由两片HM628128芯片组成，存储容量是256KB，它是CMOS静态RAM，具有高速、低功耗和单5V供电的特点。程序存储器由两片27C256组成，它是UV EPROM，可通过编程器多次编程，其非易失数据内容可用紫外线擦除，存储容量是64KB。复位电路主要由专用μP复位管理芯片MAX705组成，它具有上电复位和WATCHDOG功能。

在ELIS测井系统中，所有井下仪器包括DIFT井下仪器都处于被动受控制的地位，即井下仪器的所有工作状态由地面系统来确定。地面系统按照一定的时序，通过一系列指令来控制所有井下仪器。不同的井下仪器以仪器地址来区分，每种井下仪器的地址都是唯一的。DIFT井下仪器的仪器地址是0XC3。ELIS地面系统将指令发送给CPU控制板后，CPU控制板对所接收到的携带本地仪器地址的指令进行指令译码，指令的格式及含义在指令协议中必须有明确的约定。对于DIFT井下仪器来说，最重要的指令是相位差幅度比数据采集（ACQUIRE）和相位差幅度比数据发送（SEND）这两条指令。当CPU控制板接收到ACQUIRE指令后，首先对向DDS板发送采集指令，然后等待DSP板将采集到的数据通过1Mb/s同步串口传至CPU板，FPGA对接收到的数据进行串并转换，然后存至FPGA内部RAM，当接受到数据发送命令时，FPGA对采集到的数据进行编码上传至地面控制系统。其硬件原理图如图1所示。

图1 控制与通信电路结构框图

其工作原理如下：首先，在上电复位后等待上位机命令，当上位机命令到达EDIB总线时由FPGA构成的接收逻辑负责接收，通过曼码解码并自动识别地址为0xC3XX（C3为仪器地址，XX为命令）的命令，把满足条件的命令和参数通过中断的形式传送到CPU中；然后，CPU对命令进行解析并通过FPGA分发处理相关命令。若为温度电压数据处理或采集的命令，则通过FPGA直接产生温度电压采集与控制信号；若为发射机的命令，则通过FPGA的同步串口发送给DDS，由DDS产生相应的控制信号给发射机和数据处理板，数据处理板再将处理过的幅度比和相位差数据通过同步串口传给通信和控制板进行曼码编码，在接到数据上传指令时上传给上位机，完成仪器的通信和控制。

2.1 EDIB 总线接口实现

EDIB是Elis Downhole Instruments Bus的简称，主要是用来实现井下仪器和地面系统上位机之间通信，即测井系统挂接井下仪器总线。这样可以降低CPU控制板的功耗，提高CPU控制板的集成度，减小发热量，简化PCB板的布线。该总线采用主从结构，总线从传输短节下端开始，所有仪器应当接到传输短节下面。它有4个传输通道，分别是Mode2下行通道、Mode2上行通道、Mode5上行通道和Mode7上行通道，所有通道都采用曼彻斯特码，设计中只用到了Mode2下行通道和Mode5上行通道。

Mode2下行通道传输速率是20.883Kb/s，数据格式定义如下：3个同步起始位+16个数据帧位+1个奇校验位，整个数据帧的长度为20位。如果传输的是命令字，3个同步起始位的前1.5位为高电平，后1.5位为低电平；如果传输的是数据字，3个同步起始位的前1.5位为低电平，后1.5位为高电平。在空闲状态下，数据线保持为低电平。该通道用于上位机给井下仪器发送命令或参数。

Mode5上行通道传输速率是93.75Kb/s，数据格式都定义如下：8个数据0+3个同步起始位（前1.5位为高电平，后1.5位为低电平）+数据块（N个16位数据字），在空闲状态数据线保持为高电平。在双频测井仪中，Mode5主要用来给上位机发送幅相数据。

2.2 串行数据发送与接收

单向的同步串行通信接口在数据传输的过程中就需要数据线、帧同步和数据时钟3条线路。由于同步串行通信在数据传输过程中使用了帧同步和数据时钟，它的通信效率较高，数据块也可以比较长，在一个帧同步内可以都是有效的数据位，而不需要起始位、停止位以及奇偶校验位。

在DIFT井下仪器CPU控制板中，其1Mb/s同步串口数据发送模块和数据接收模块是相互独立的模块。与DDS数据处理板通信的1Mb/s同步串行通信接口的数据发送模块主要由同步数据发送状态机、数据暂存寄存器、数据帧长度寄存器和数据发送控制寄存器组成。这些寄存器的地址是定义在数据存储器的空间中。1Mb/s同步串口发送模块在空闲状态下帧同步线路保持高电平，数据线路保持低电平或高电平，数据时钟线路上一直有数据时钟存在，主要作用是配合DDS数据处理板的DSP芯片中同步串口的时钟同步功能。1 Mb/s同步串口发送模块FPGA时序仿真波形如图2所示。

图2 串行数据发送仿真波形图

图2中，DT为串行数据，TSCLK为串行数据发送时钟，TFS为串行数据发送的门控信号，在门控信号为低电平时传送数据有效。

1Mb/s同步串口接收模块与发送模块是相反的两个工作过程。这里需要注意的是，在外围电路使用了74HC14带施密特触发电路的反相器，其作用是对输入波形进行整形，因此输入波形是反相的，在FPGA内部使用反相器将时钟信号、数据和帧同步还原。所以，看到在数据接收寄存器中的内容和数据波形是反相的关系。

CPU主控板与DSP通信数据量不大，只有6个16位数。所以，在设计中将进行过数据处理的幅度比和相位差数据整体打包传送，数据长度为96位。这样既节省了数据通信的时间，也可以有效降低误码率。图3为串行数据接收模块仿真波形图。

图3 串行数据接收仿真波形图

96位串行数据在FPGA中经过串并转换后，以96位并行数据的形式暂存在FPGA的寄存器中，同时产生数据有效信号dsp_data_valid。当两块数据处理板数据都完成串并转换后，产生一个中断信号给CPU，通知CPU将处理好的数据读走，完成数据处理板和通信控制板的通信。

2.3 曼切斯特编解码

在石油测井这样的高温、高压和高震动环境中，井下测井仪和上位机之间的数据通信一般采用曼彻斯特码，一方面可以减小干扰增加数据通信的稳定性，另一方面由于使用跳变沿来识别信号，可以减少电荷的累积。图4为曼彻斯特码和非归零码之间的对应关系。

图4 曼彻斯特码和非归零码对照图

上位机发送到主控板的命令和参数都是以曼彻斯特码形式发送的，在FPGA中先要把它转换成非归零码，然后再由DSP读取，而主控板发送给上位机的成像数据或辅助数据也是以曼彻斯特码发送的。

2.4 温度电压数据采集和控制

辅助数据的采集和控制都是由FPGA来实现的，这些辅助数据都是用来监测仪器的工作电压和环境温度变化的。FPGA启动辅助数据采集后，首先初始化ADC，初始化完毕给ADC一个转换开始信号（CNVSTART），然后ADC状态信号BUSY为高，表示ADC正在模数转换，等转换完成，BUSY自动变为低电平，最后FPGA中的ADC模块给出读取串行数据的8个时钟，ADC模块把串行数据变成8位的并行数据，这就实现了一个辅助数据字的采集。图5为温度电压数据采集和控制的仿真波形图。

图5 温度电压数据采集和控制仿真波形图

其中，有3块温度电压采集板同时工作，当3块采集板的数据采集完毕后，会产生一个中断信号给CPU，通知CPU将数据读进，从而完成温度电压采集板和通信控制板的通信。

3 软件总体设计流程

图6 通信控制板软件流程图

通信控制板软件的流程图如图6所示。其具体工作流程如下：通信控制板上电初始化，等待接收地面系统指令；当接收地面系统命令中断，进入命令解释程序；接收到采集指令后启动该周期的采集，由CPU将命令字发送到FPGA做并串转换，并通过FPGA的1Mb/s同步串口传给DDS，DDS接到命令字后产生相应控制信号控制数据采集板工作，数据处理板完成数据采集处理后向CPU发送数据接收中断信号，CPU接收到中断信号后将数据读进RAM，并按通信协议规定的格式储存；一旦收到地面系统上传数据指令立刻启动上传，把上周期的波形数据通过M5方式送到地面系统。

4 测试结果

双频感应测井仪器需要工作在井下高温高压恶劣环境下，因此在电路设计、PCB板材选用、芯片选型时都有耐温、散热等考虑。当仪器功能验证通过后，还需要在井场实际作业环境下进一步验证仪器的稳定性和可靠性。在燕郊中海油服实验井中进行实际下井实验，表1为实际下井的部分数据。

表1 实验井测井数据

试验表明，双频感应测井仪器在高温高压的环境下通信正常，工作稳定，完全达到了设计要求。实验后对测井完整数据进行处理，绘出实际波形图，如图7所示。

图7 实验井实测波形图

从实时测得波形图中可以看出主控板和地面系统通信稳定，时差提取精度、仪器重复性均达到仪器设计指标，与国外仪器在该试验井中测量数据具有很好的一致性。

5 结束语

针对实际测井高温高震动的环境特点，设计了基于“CPU+FPGA”的控制与通信电路。试验结果表明，该电路能够对成像测井仪进行可靠的控制，能够实现井下主控板和上位机之间稳定通信，时差提取精度、仪器重复性均达到仪器设计指标，与国外仪器在该试验井中测量数据具有很好的一致性，完全能够满足实际作业生产的需要。

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