网络化井下仪器数据总线研究

陈文轩，岳宏图，陈文，戴光明，汪新国，裴彬彬

（中国石油集团长城钻探工程有限公司测井技术研究院，北京100176）

网络化井下仪器数据总线研究

陈文轩，岳宏图，陈文，戴光明，汪新国，裴彬彬

（中国石油集团长城钻探工程有限公司测井技术研究院，北京100176）

随着LEAP800测井系统应用，井下仪器的总线速率必须达到兆级以上才能满足新一代的测井仪器大数据量的传输需求。利用以太网技术设计了一种新型的网络化井下仪器总线，该总线具有宽传输带宽、模块化程度高、扩展性强、可远程操控等优点。介绍了井下仪器总线的工作原理，详细描述了总线的硬件及软件设计。试验表明，该设计提高了井下仪器的传输带宽，实现了LEAP800测井系统中大数据量的可靠传输。

测井仪器；数据总线；以太网技术；传输带宽；硬件；软件

0 引 言

随着阵列测井和成像测井技术的发展，测井仪器在测井过程中需要把大量的数据传输到地面，需要使用网络化技术提高井下仪器总线的通讯速率。此外，井下仪器总线是和电缆传输系统配合的，通讯总线速率要大于电缆传输速率，这样才能充分发挥电缆数据传输系统的性能。已经研制成功的LEAP800电缆传输系统的传输速率在1 Mbit／s以上，这样井下仪器的总线速率必须高于电缆传输速率才能满足新一代测井仪器大数据量的传输需求。本文介绍的井下仪器总线是基于以太网技术，以50Ω同轴线为总线通讯介质，总线的接口为10BASE－2，井下仪器总线接口板中使用了实时操作系统，简化了软件的开发，增加了软件的灵活性和可靠性；总线的通讯速率达到了10 Mbit／s，可在175℃环境下连续工作2 h以上。

1 网络化井下仪器总线的总体设计

1.1 井下仪器总线的研究现状

斯伦贝谢公司的CSU测井系统采用的是DTB总线，通讯速率是100 kbit／s；阿特拉斯公司的ECLIPS－5700测井系统使用的是1553B总线，最高通讯速率可以达到1 Mbit／s；而最新的哈里伯顿公司的IQ快速测井平台采用的是以太网总线，最高通讯速率可以达到10 Mbit／s。国内测井仪器主要使用的是1553B和DTB总线。此外，也有使用RS485总线和CAN总线的，通讯速率最高约为500 kbit／s和1 Mbit／s［1－4］。新型成像类和阵列类测井仪器的测井数据量很大，而且，随着高速测井电缆传输系统的发展，电缆的数据传输速率已突破1 Mbit／s。要充分利用电缆传输带宽，井下仪器总线的速率必须高于电缆的数据传输速率，传统的低速井下仪器总线已不能够满足其传输需求，制约了其高性能的充分发挥。

1.2 网络化井下仪器总线的工作原理

网络化井下仪器总线是利用现代网络技术发展的一种高速井下仪器总线系统，其采用目前正在工业现场大量应用的以太网技术［5］替代传统的低速井下仪器总线。这项技术的优势在于硬件技术成熟，有完善的配套通讯协议。同时，标准化的接口为以后仪器的调试带来很大方便。

整个系统的数据传输逻辑框图见图1。测井系统通过井下总线系统并配合电缆传输系统，实现地面控制台与井下各仪器之间的信息交互，完成对油井的测试功能。井下仪器总线的主要功能是负责井下仪器数据的收集和转发，并通过电缆传输系统传送到地面控制台，同时还需要协调多只仪器和电缆数据传输系统的数据交换节奏。其核心功能通过仪器通讯接口板的电路实现。在地面控制台与井下仪器通信中，仪器通讯接口板起到非常重要的作用：接收地面控制台下发的控制命令，并把其中的仪器类操作控制命令向仪器转发；接收仪器采集的测试数据并打包上送到地面控制台进行处理。其中，仪器通讯接口板又分为普通仪器通讯接口板和网关仪器通讯接口板2种类型。这2种通讯接口板在硬件上采取完全相同的设计，但在功能上有着较大的区别。普通仪器通讯接口板实现了单支仪器数据的收发功能，而网关仪器通讯接口板还实现了多支仪器的网关路由功能。具体实现中，每支仪器均安装有1块通讯接口板，多支仪器通过各自的通讯接口板构成一个以太局域网络。这个网络中，既有实现单支仪器数据收发的普通网元，也有实现多支仪器数据转发的网关网元。这样，配合电缆传输系统便可以实现井下仪器与地面控制台之间的数据交换。整个以太网络采用同轴电缆作为传输介质，在实现10 Mbit／s总线通讯速率的同时，也减少了对仪器贯通线占用，只需2根贯通线即可，提高了通讯可靠性。

图1 数据传输逻辑框图

2 网络化井下仪器总线的硬件设计

在网络化井下仪器总线中，仪器通讯接口板的设计是核心。仪器通讯接口板的目的是为了建立井下仪器和地面软件的沟通渠道，因此，其需要完成的功能：实现以太网通讯；提供仪器的通讯接口；测量和监控多路模拟信号，包括电压信号、温度信号等。由此，仪器通讯接口板在硬件设计上也主要包括了3个模块：以太网通讯模块、仪器接口模块及模拟信号采集模块。仪器通讯接口板的逻辑框图见图2。普通仪器通讯接口板和网关仪器通讯接口板在硬件结构上并没有区别。

2.1 以太网通讯模块设计

采用“ARM＋RAM＋FLASH”的模式搭建最小系统，在此基础上扩展一个以太网控制芯片，实现了完整的以太网通讯功能（见图3）。整个井下总线系统采用同轴电缆的连接方式，接口为10BASE－2，传输速度是10 Mbit／s。因此，在通讯接口板上外扩了一个同轴收发接口芯片，用于驱动同轴电缆和接收从同轴电缆来的以太网信号，主要包括发射器、接收器、冲突检测器和数据帧超长检测等功能模块。发射器在传输时直接驱动50Ω同轴电缆。冲突检测电路监控同轴电缆上的信号以判断是否有数据包冲突出现，并在冲突发生时向以太网控制芯片发送提示信号。在传输数据时，如果所传数据帧超过限定长度，发射器的输出将被关闭，当错误排除后，在500 ms内发射器的输出将被重新使能。如果要使用RJ45接口，只需外接相应的网络隔离变压器即可以使用。

图2 仪器通讯接口板的逻辑框图

图3 仪器通讯接口板以太网通讯模块

2.2 仪器接口模块设计

仪器接口模块是为了提供中央处理器和井下仪器之间通讯的渠道。考虑到ARM处理器的处理能力以及系统对实时性的要求，仪器通讯接口板使用一个数字信号处理器DSP把ARM处理器的并行数据转换成仪器能够正常连接的串行数据。实现方法是利用DSP处理器的IDMA接口，把ARM处理器需要发送到仪器中的数据采集到DSP处理器内部，然后再通过DSP处理器的串行接口把数据发送到仪器（见图4）。

图4 仪器通讯接口板仪器接口模块

2.3 模拟信号采集模块设计

这部分需要完成的功能是实现外接模拟信号的采集，监控仪器的电压信号（＋5、＋3.3、＋12、－12 V）和温度信息等。仪器通讯接口板扩展一个16 bit模／数转换芯片，并使用模拟开关对多个采样通道数进行切换（见图5）。

图5 仪器通讯接口板模拟信号采集模块

由此可以看出，在硬件设计中将仪器通讯接口板开发标准化、模板化，建立标准的硬件和标准的通讯接口，保证在大多数没有特殊要求的仪器中通信板可以直接互换。所有新仪器的开发，只要遵循标准，就可以直接连入总线系统，极大地简化和加快了仪器的开发，减轻了后续维护的负担。

3 井下仪器总线的软件设计

在软件设计上，基于嵌入式实时操作系统进行架构，使用这种技术可以很方便地完成以太网相对应的TCP、UDP、PPPOE等通讯协议。设备软件实现标准的TCP／IP协议，每个设备都有独立的IP地址，所有设备在一起组成一个网络。可以在网络上的节点包括互联网上，通过网络看到设备的控制信息和仪器数据。所有的设备仪器可以自由组合，没有任何限制条件。设备软件开发独立，完全实现了模块化开发，开发任务可以控制，耦合性极大降低。

仪器通讯接口板的软件结构见图6。软件设计实现了一个重要的逻辑功能，即通讯接口板（包括网关通讯板与仪器通讯板）各物理芯片间信息交流，仪器通讯接口板与各仪器之间的信息交流以及仪器通讯接口板与地面控制台之间的信息交流。因此，仪器通讯接口板主要完成以下功能。

（1）支持路由服务。作为仪器总线的数据通讯中转站。

（2）支持DHCP。仪器通讯板从网关通讯板自动获取IP地址。

（3）地面控制系统和仪器通讯板的控制命令、数据通道。对仪器通讯接口板本身的操作命令进行相应的处理；传输仪器的数据到地面控制系统。

（4）仪器通讯板和仪器的命令、数据通道。对仪器的控制命令进行转发；接收处理仪器的数据。

通过这样的设计，能够实现井下各仪器与地面控制系统之间的信息交互，顺利完成油井测试。

图6 仪器通讯接口板软件结构

4 功能实现

（1）使用TCP／IP标准协议，可以使仪器和任何网络设备对接，整个总线系统可以直接挂接到互联网上，通过TCP／IP协议直接操作和控制。

（2）仪器组网简单方便，只要配置好IP地址就可以通信。

（3）对任意仪器可实现一对一的单支调试，而无需附加任何配套系统，就能获得该支仪器的全面信息。

（4）井下总线带宽为10 Mbit／s，远远超过目前需求，而且可以随时开发到100 Mbit／s。

（5）可远程维护和控制仪器。

（6）可进行远程固件升级，不需要拆装仪器，也可在井下直接升级设备，方便快捷。

5 结束语

目前，网络化井下仪器总线已成功应用于中国石油长城钻探工程有限公司的LEAP800测井系统中，挂接了常规大满贯测井仪器、阵列声波测井仪器、阵列感应测井仪器和声电成像测井仪器，完成了大量的现场测试，已先后多次在河北任丘91号井、山东孤岛古古八井和辽宁盘锦马古二井等试验井进行了下井测试；同时也分别在辽河油田、内蒙古油田及吉林油田等商业井进行了下井试验，所有测试结果都达到了设计要求，取得了完整的测井曲线，完全满足先进的大数据量测井仪器的要求。

［1］ 杨建军，林兴春，郝秀全，等.测井电缆通信系统综述［J］.石油仪器，2007，21（3）：1－5.

［2］ 赵平，张美玲，刘甲辰，等.2004～2005年国内外测井技术现状及发展趋势［J］.测井技术，2006，30（5）：385－389.

［3］ 杨明，郭海龙.CAN总线在测井仪器中的应用［J］.石油仪器，2009，23（4）：86－88.

［4］ 梁建军，宿德平.RS485总线接口在测井仪中的应用［J］.石油仪器，2008，22（3）：83－85.

［5］ 王荣莉，雷斌.工业以太网技术的现状与发展［J］.自动化博览，2004，21（4）：63－65.

Research on the Data Bus for Networked Downhole Tool

CHEN Wenxuan，YUE Hongtu，CHEN Wen，DAI Guangming，WANG Xinguo，PEI Binbin
（Well Logging Technology Center，CNPC Greatwall Drilling and Exploration Engineering Company，Beijing 100176，China）

With the application of the megabit telemetry system of LEAP800 well logging system，the data transmission rate of the downhole tool’s data bus must be higher than one megabit per second to meet the requirements of massive acquisition data of downhole tools.Based on ethernet technology，proposed is a design of networked downhole tool’s data bus which has the advantages of wide bandwidth，modular structure，excellent expansibility，and etc.Introduced is the principle of downhole tool’s data bus，and detailed are bus designs of hardware and software.The experiments show that this design can greatly increase the bandwidth of downhole tool’s data bus and realize the reliable transmission of large amount of data in LEAP800 well logging system.

logging tool，data bus，ethernet technology，transmission bandwidth，hardware，software

1004－1338（2011）06－0572－04

P631.84

A

陈文轩，男，1963年生，高级技术专家，从事测井系统技术总体设计、电缆测井数据传输和井下仪器总线研究工作。

2011－04－13 本文编辑 余迎）