测井传输中继的研究与实现

李宏芳，双 凯，黄 菲

（中国石油大学 地球物理与信息工程学院，北京 102249）

测井是油气勘探开发中的重要环节。测井传输系统在石油测井中扮演着关键角色。测井传输系统将测井过程中产生的大量数据传输到地面系统以供实时有效地进行地层评价，同时将地面系统的控制指令传送到井下系统来控制井下仪器的工作。所以，测井传输性能是测井质量和效率的保证。随着含油气地质条件复杂程度的增加以及井下高温等恶劣环境的影响，使得测井传输系统存在信号衰减、传输速度慢、信号失真等问题。而在石油测井向超深井的发展过程中，长距离的传输也必然会造成信号的衰减，且其相互间的干扰也将加重。这就意味着长距离传输将成为测井技术的难点。

文中分析了中继传输系统的需求，在FPGA上实现了曼彻斯特编解码算法、中继接收与发送算法，并最终完成了对整个中继模块的设计。

1 中继系统需求分析

测井传输中继模型如图1所示，A，B分别代表测井传输的井下系统和地面系统，即中继系统中的两个源节点，N是一个中继节点[1]。当A与B之间的通信距离超过其各自的接收范围或是因距离过长所引起的传输损耗导致接收端无法恢复原始信号时，就需要加入中继辅助完成通信。中继N处于A、B节点之间且在各自传输范围内。因此，中继、码节点N可协助A和B来完成各自信息的传送与接收。考虑到系统的实际应用需求，假设3个节点均为半双工，即每个节点在同一时间内不能同时发送和接收信息。

图1 中继模型图Fig.1 The relay graph model

A和B是需传递信息的发送端和接收端，但其之间由于距离过长使得直接通信难以实现，故必须在A和B传输中引入中继节点N作为中转来实现传输。中继节点在整个测井系统中的具体传输过程如下：将发送节点A/B所发送的信号先传递至中继节点N，中继节点N将接收到的信号进行处理后再发给接收节点B/A。在实际应用过程中，中继节点可完成不同的功能，如“放大-转发”或“解码-转发”[1]。本文主要设计的是“解码-转发”功能。传输中继在系统中完成的是接收其他设备发送出的编码信号，并经处理后转发出去。中继节点采用半双工通信方式，即每个节点均具有接收与发送功能，却并不同时进行数据的接收及发送。

2 传输中继设计

在测井信息传输过程当中，传输到中继的信号由于受到信道特性的影响，会出现不同程度的畸变，且会参杂一定量的噪声。因此，在测井信号进入传输前，需根据输入信号的特性进行硬件滤波和信号调理操作[2]。整个传输中继的设计如图2所示。

图2 中继硬件框图Fig.2 Relay hardware block diagram

中继前端模块：是由两部分构成的，一个是作用于中继发送，而另一个则作用于中继接收。作用于中继接收部分主要完成对电缆传输信号的放大整形，使其适合通过FPGA进行处理转发[2]；中继接收前端模块由平衡－非平衡模块和电平匹配模块两部分构成。平衡－非平衡模块将在电缆上传输的信号转换成非平衡的方式，同时此模块也具备放大信号和减少干扰的功能。其可将信号转变成非平衡的方式并通过电平匹配电路的整形作用，转化为方波信号，供中继功能模块处理。FPGA处理完毕后所输出的信号为方波，但由于方波的频带范围较大，将其直接在电缆上进行传输会造成高频与低频信号的同时输送，因高低频信号的传输速率不同，造成到达下一个中继不能接收信号的所有分量出现失真。此外，高频信号在传输信道中进行传输还会产生严重的衰减，因此需要在信号进入信道传输前做滤波处理，选择低通滤波器将FPGA输出信号中高频的部分滤掉且缩小信号的频带宽度，使得在电缆中传输的信号频带能被控制在较狭窄的范围内，故需在前端添加滤波和放大电路。滤波采用有源滤波，其是由低通、带通组成的纵向滤波器。滤波器使用的运放为LT1355，这是由凌特推出的一款双路运算放大器，带宽12 MHz，+/－12 V 供电。

经滤波后的波形，需经过比较电路，整形变成规则的矩形波形，由于比较器输出的波形幅度为 0～5 V，而FPGA输入的电平幅度为0～3.3 V，超出输入范围，会造成FPGA芯片烧坏。因此，需进行电平匹配。经FPGA芯片后，将+5 V转变成+3.3 V的电平。并将FPGA_IO信号接在FPGA的引脚上。

FPGA中继功能模块：其为整个中继的核心模块，本文利用硬件描述语言（Verilog HDL）和Quartus II软件在FPGA器件上实现中继模块的各项功能，同时考虑到其在实际应用中的稳定、毛刺、同步和干扰等问题，详细的设计思想将在下文介绍。

附件模块：附件模块由3部分构成：时钟、存储和电源。从中继的稳定运行角度来看，以上3部分均有着重要作用。时钟模块为FPGA提供工作时钟保证各模块工作的同步；存储模块是FPGA的代码存放地；电源则为其提供动力。因通常在开发板上均会集成以上附件模块，故在此不做阐述。

3 中继器的设计与实现

整个中继功能是通过各个子模块综合实现的，需注意的是传输链路采用半双工方式。因此要求传输中继为双通道，其中包括两套功能完全相同的模块，分别用于各自方向上数据的转发。如图3所示，主要的功能模块有控制模块、同步检测模块、译码模块、同步再生模块和发送模块。各部分的作用说明如下：

1）控制模块是整个中继的中央处理器，控制着时钟、发送、检测等功能实现，确保中继能准确高效地运行。

2）同步检测模块完成对进入中继的数据帧（或控制帧）的同步位检测与识别，并将同步信息后面的数据信息发送至译码模块进行处理。

3）译码模块完成中继的接收数据译码工作，同时按照协议规定的译码算法还原编码信号。

4）同步再生模块完成在中继发送前添加新的同步信息，为发送编码做准备。

5）发送模块负责发送数据帧。

图3 中继内部模块框图Fig.3 Relay internal block diagram

中继编码选择曼彻斯特编码，由同步头、数据位和校验位3部分构成，每帧数据20位。前3位是同步头，其可分为命令同步头和数据同步头，以1.5位处为间隔，先正后负表示命令字头，先负后正表示数据字头。同步头可区分帧的类型和标识帧传输的开始；4～19位是数据位，16位编码数据是由高到底，通常数据传输均会有起始位和停止位。因曼彻斯特码的数据位全部有效，因此提高了传输的效率；20位是奇偶校验位，对4～19位数据奇偶校验，本文采用奇校验。

中继的接收是完成对传输线上数据的接收，有效地识别同步位，并将识别后的同步位丢弃，再降有效数据位缓存[3]。为了论述方便，以状态机的方式描述中继接收的实现。实现过程如图4（a）所示，当中继的输入端无任何信号时，接收模块将始终处于空闲状态（IDLE）；当检测到跳变沿时，接收模块进入检测同步位状态（SYNC），在该状态当中会启动两个计数器cout0_SYNC和cout1_SYNC，每个计数器将不间断的计数3次采集其认为是正确的同步信号，中继接收将进入译码进程 （DEC），否则认为接收到的是噪声信号，计数器cout0_SYNC和cout1_SYNC清零，进入丢弃状态（DROP），将接收到的噪声数据丢弃后返回IDLE状态；译码的进程即为在译码时钟（DECODER_CLOCK）的控制下对接收到的信号进行译码操作，译码结束后进入缓存状态（DATAS），将译码后的数据存储后，接收模块恢复到IDLE。中继接收过程中，需考虑传输时的干扰问题，在实际传输应用中，传输线上的电平可能会出现位宽不稳定的情况，因此对解码器的采样处理功能有着较高要求。本文通过检测和判定方法来解决位宽不稳定引起的干扰问题。解码器以12倍频于码速率的时钟进行采样，解码模块根据时钟生成判定逻辑，该逻辑包括判定计数器用来记录12次采样的前6次中高电平的次数，理论上前6次均采到“1”，判定原始数据为“1”。而在实际的应用中，将判定逻辑计数器的门限设为4，即当计数器记录4次以上（包括4次）的高电平则判定原始数据为“1”，否则为“0”。由此便提高了解码模块的抗干扰能力。

图4 中继接收和发送流程图Fig.4 Relay receiving and transmitting flow chart

中继发送的实现:中继器作为一个数据转发装置是先接收数据后发送的[4]。发送模块是完成将中继所接收的数据去掉同步位缓存部分并加上新的同步位与校验位再转发到下一个中继的过程，如图4（b）所示。中继发送中的曼彻斯特编码在传统意义上是通过NRZ码与位率时钟异或得到的，该种方法将会在位率时钟和NRZ码同时跳变时产生毛刺，而若想消除毛刺将极为困难，且还将增加设计成本。本文在编码模块（encoder）是通过选择器完成编码的，采用二倍频于数据传输速率的时钟，通过记录时钟的个数选择输出的曼彻斯特码，当时钟个数为奇数时，曼彻斯特码为对应的NRZ码，否则，编码输出与NRZ相反。这样做是从时钟的角度考虑了编码的可行性，符合硬件描述语言的设计思路，解决了传统曼彻斯特编码的毛刺问题。

4 中继实现仿真和硬件测试

为了确保设计的正确性，将系统模块在QUARTUSII中进行功能及时序仿真[5]。中继编码器仿真结果如图5（a）所示，输入的并行数据 din16为 “0x7654”，同步字选择信号SYNC_SLECT为“1”。当编码开始后，编码有效信号DE置1，编码输出的ONE_OUT输出同步信号“111000”在DE置1后的第5个时钟过后SEND_DATA置1，SERIAL端开始发送串行数据，数据编码开始，在发送完16位数据后SEND_DATA返回低电平，DE返回低电平。

曼彻斯特编码输出ONE_OUT=“11100010010101100101 101001100110011010”，表明仿真结果与理论分析相吻合。

图5 编解码算法解码仿真图Fig.5 The simulation waveform figure of encoding and decoding

中继解码的仿真波形如图5（b）所示。解码模块的数据输入（UNIPOLAR_DATA_IN）来自于曼彻斯特编码模块的输出（ONE_OUT）。图中 UNIPOLAR_DATA_IN 的值为：“11100010 010101100101101001100110011010”， 完 成 同 步 头 检 测（“111000”）解码开始后，同步信号指示输出COMMAND_SYNC=1，使能信号TAKE_DATA置1，输出端连续输出串行数据SERIAL_DATA_OUT，在使能信号置1后的16个解码位移时钟后返回0值[6]，串行数据输出完毕后校验验证正确，有效字VALID_WORD置1，经串并转换完全恢复出进入编码模块的16位并行数据“0x7654”，验证其仿真结果与期望一致。

5 中继传输验证

5.1 构建实验的思路

由3块FPGA电路板实现，额外加2台PC，PC作为数据的始发端配有USB口，通过USB和COM转换线发送和接收数据，一个作为发送数据，另一个作为接收数据。在PC上打开两个串口工具，一个使用COM1作为发送端，一个使用COM3作为接收端，波特率均为128 kbps。板1接收到PC1数据后编码数据输出至中继，通过中继输出至板3，板3经滤波和解码成功后通过UART再将数据传至PC2，由此可通过在PC上观测串口工具发送和接收内容是否一致判断中继传输的正确性。

5.2 实验结果

实验结果如图 7 所示，COM1 发送 AA、BB、CC、DD、EE，结果中继传输后，接收端的显示与COM1发送相一致，这说明中继功能基本正确。经实际测试中继传输的误码率＜10-6。

6 结束语

图6 中继传输测试结果图Fig.6 Relay transmission test result chart

将文中所设计的传输中继应用到测井传输领域中可解决长距离传输等问题，中继在硬件设计上采用了模块化和状态机的设计思想，解决了传统设计中的缺陷等问题。同时，令设计更具灵活性和可操作性。此外，通过软件仿真与硬件功能测试结果表明，该设计达到了预期的目的，且具有良好地可靠性及稳定性。

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