基于FPGA的测井系统模拟仪器设计

李 敏

（中海油田服务股份有限公司 北京）

0 引言

在成像测井系统的研制过程中，地面系统的检测通常需要挂接井下仪器才能进行，一旦检测出现问题，往往不能很快判断出是地面系统还是井下仪器出现的问题，通常需要更换地面系统或是井下仪器来进一步检测。地面系统软件的调试，同样需要挂接相应的井下仪器才能进行，软件开发人员只能在测井或试验现场才能进行调试。因此，设计了一套能够模拟各种井下仪器的装置，用于地面系统的检测及科研调试。

1 原理

模拟仪器可以接收地面系统发送的采集命令，经过放大和整形，恢复出命令的曼彻斯特码波形，然后进入fpga进行解码，解析出命令，MCU收到命令后，根据命令包含的仪器地址和subset编号，从Flash存储器中读取仪器的数据，通过FPGA产生曼彻斯特编码，驱动后送回到地面系统[1]。

地面系统的采集命令由两个字节组成。高8位表示仪器地址，低8位表示采集命令。因此模拟不同的仪器，实际上就是要能响应不同仪器地址的采集命令，并返回相应的数据。对采集命令的分析和处理都是在MCU内部完成的，各种仪器的数据预先存放在MCU的Flash存储器中。

2 系统硬件组成

模拟仪器系统的硬件由以下部分组成：隔离变压器板、命令和数据整形驱动电路、FPGA、MCU以及Flash，分成了两块电路板：信号调理和驱动板、CPU板，如图1所示。

图1 模拟仪器系统的硬件

系统的电源采用一个成熟的开关电源，输入范围80-240VAC，既可以适应测井托撬使用的110VAC，又可以适应实验室的220VAC；电源输出＋5 V，通过CPU板的电源电路，产生＋3.3 V和＋1.5 V，分别供给MCU和FPGA。电源输出的＋12 V和－12 V，用于信号调理板的模拟电路部分。

隔离变压器板主要由3个用于电缆通讯的隔离变压器组成，完成信号的隔离和电缆复用。整形驱动电路，主要完成对采集命令和数据波形的调理，包括程控增益放大、均衡滤波、以及电流驱动等。

CPU板主要包括FPGA和MCU以及外扩的Flash存储器。FPGA完成曼彻斯特编解码功能，作为MCU的外设挂在MCU的外部总线上[2]。FPGA选用Alter公司Cyclone系列的EP1C6T144[3]。MCU选择Silabs的C8051F340单片机[4]。

cyclone EP1C6是Altera推出的一款高性价比FPGA，工作电压3.3 V，内核电压1.5 V。采用0.13m工艺技术，全铜SRAM工艺，其密度为5980个逻辑单元，包含20个128×36位的RAM块（M4K模块），总的RAM空间达到92160位。

C8051F340是Silabs推出的一款增强型51内核的单片机，其指令集与MCS-51完全兼容，具有标准8051的组织架构，可以使用标准的51汇编或者C编译器进行软件开发。其指令执行速度是标准8051指令执行速度的12倍；其峰值执行速度可达100MIPS（C8051F120等），是目前世界上速度最快的8位单片机。而且集成了JTAG接口，便于开发和调试。

F340单片机具有外部数据存储器接口，8位数据总线宽度，16位地址总线。所以FPGA可以作为MCU的外设，挂在外部执行接口上。

由于F340单片机带有64KB的Flash，以及4KB的片上RAM，再利用FPGA的内部RAM模块，就可以实现系统功能，而不需要扩展外部存储。

MCU的外部数据存储地址范围从0x0000-0xffff。其中0x0000-0x0fff为片上RAM，FPGA映射到MCU的外部地址范围从0x8000开始，实现5个寄存器，分别是命令寄存器、M2/M5/M7数据寄存器、状态寄存器。

3 软件设计

系统的软件设计包括两个部分，MCU和FPGA的软件设计。FPGA使用QuartusII作为编程环境，采Verilog语言编程[5]。MCU的编程采用Silabs提供的SiliconLaboratoriesIDE开发环境，结合KeilC编译器。下面分别介绍软件设计流程。

3.1 FPGA的软件编程

FPGA编程在QuartusII开发环境下，同样采用自顶向下的设计。顶层文件采用原理图实现，进行功能模块的划分和结构设计，各功能模块内部采用Verilog语言实现。FPGA实现的功能模块主要有MCU接口模块、命令解码模块、数据编码模块和中断控制模块。

（1）MCU的接口模块，通过MCU的地址译码得出不同的寄存器，进行功能控制。

（2）命令解码模块，接收整形后的曼码，进行解码，解码后的命令，送给MCU进行处理。

（3）数据编码模块，接收MCU的数据，进行曼码编码。经过驱动后，数据传到地面系统。

（4）中断控制模块，对多个中断源进行仲裁控制，实现中断复用。

3.2 单片机软件设计

单片机的程序采用C语言开发，主要功能分为几部分：响应FPGA产生的采集命令中断；向FPGA写发送数据。FPGA每发送完成一个数据后，产生中断给MCU，MCU判断发送的数据个数是否小于期望值，如果小于，继续向FPGA写入数据，否则，关闭停止发送。

4 结论

本系统基于FPGA和MCU结构，设计了成像测井系统的模拟仪器，通过电缆与测井地面系统连接，可以检测通讯状态。目前模拟的仪器功能有，能谱仪器、密度仪器、侧向仪器等常规仪器，还有声波等高端仪器。通过工程实践证明，本系统为地面系统的测试和检修提供了有效而可靠的手段。而且通过检测软件界面的波形，为地面软件的调试提供支持。

[1]马 虹，法 林.测井电缆遥测系统信号模拟器的设计[J].石油仪器，1998，12（6）

[2]赵红梅，米启超.基于DSP与FPGA的多通道数据采集系统的设计[J].微计算信息（嵌入式与SOC），2007，23（9-2）

[3]Cyclone Device Handbook，Altera，2005（资料）

[4]C8051F340 datasheet Sillicon Laboratories，2009（资料）

[5]夏宇闻.Verilog数字系统设计教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008