井下测井仪器数据总线的研究与设计

2015-12-13顾庆水欧莽平张菊茜陶爱华陈伟伍瑞卿

测井技术 2015年1期

顾庆水，欧莽平，张菊茜，陶爱华，陈伟，伍瑞卿

（1．电子科技大学电子工程学院，四川成都611731；2．中海油田服务有限公司油田技术事业部，河北三河065201）

0 引言

测井过程中井下测井仪器的采集数据需通过数据总线送至遥传仪器并通过遥传仪器传输至地面主控（以下简称上行）；地面主控通过数据总线将各种控制命令传至相应的井下测井仪器（以下简称下行）。井下测井仪器数据总线一般要求双向数据传输。根据测井特点，上行传输速率的要求远高于下行速率。

阿特拉斯公司的ECLIPS 5700成像测井系统采用了1553B总线，其上行有3个数据通道，总速率约230kbit／s，下行只有1个通道，速率为20．83 kbit／s；斯伦贝谢公司的CSU测井系统采用DTB总线，其传输速率是100kbit／s。最新的哈里伯顿公司的Log－IQ、中国长城钻探的LEAP800、中海油服的ELIS－1000采用的都是以太网总线，传输速率达到10Mbit／s［1］。此外也有采用 CAN（Controller Area Network）总线（传输速率为1Mbit／s）和 RS－485总线（传输速率为500kbit／s）实现［2－3］。针对单芯电缆的测井系统，具有代表性的是Sondex仪器其井下仪器数据总线采用Ultrawire的总线，其传输速率为500kbit／s。本文首先分析了当前这些测井仪器数据总线的不足，根据实际测井需求，设计了一套新的井下测井仪器总线并进行了性能测试。

1 井下测井仪器数据总线分析

遥传仪器的上行速率已达到1Mbit／s以上［1，4］，为了充分发挥遥传仪器的高速传输性能，井下测井仪器数据总线的速率至少要求达到2Mbit／s。

新的高速遥传系统中井下测井仪器数据总线一般采用基于10－Base2的以太网总线，其速率达到10Mbit／s，并且该总线具有软硬件技术成熟、完善的通讯协议、开发周期短等优点，可完全满足现有以及未来更高速率的测井遥传仪器的要求。但是，以太网也有缺点，主要是应用在民用产品中，市场上与以太网相关的芯片温度等级都是商业级或工业级，不适合应用在175℃以上高温井，限制了测井仪器的使用范围。测井用的遥传系统是一个典型的非对称传输系统，使用TCP方式传输数据其等待确认信号延迟较长，会降低遥传系统的传输效率。

2 高速井下测井仪器数据总线的设计

2．1 设计要求

（1）通用性。测井电缆分为用于生产测井的单芯电缆和用于裸眼井测井的多芯电缆，单芯电缆的遥传系统传输速率均小于400kbit／s，多芯电缆已达到1Mbit／s以上。所设计总线应能兼顾这2种应用。

（2）易实现性。井下环境恶劣、空间狭小，总线及上层控制协议的实现应简单有效。过于复杂的总线会增加每支测井仪器的设计复杂度，增加仪器开发周期和故障率。总线的实现可用现有器件完成，控制协议的实现应简单、可靠，从而不需要采用高性能的处理器。高性能的处理器在高温下功耗大，器件的耐温性能往往无法满足测井要求。

（3）不同温度级别下工作。大多数测井仪器的工作温度都是150℃或175℃的2种温度级别，但有些陆地井特别是深海井环境温度达到175℃以上，必须考虑井下测井仪器总线利用现有器件是否能在更高的温度如200℃下稳定工作。

（4）可靠性。仪器总线应该稳定、可靠，总线传输误码率应尽量低。

2．2 总体方案

根据设计要求，设计了如图1所示的高速测井仪器数据总线。

图1 高速井下测井仪器数据总线方案

该总线方案采用2条非屏蔽双绞线，其中一条双绞线采用CAN总线，为双向接口总线；另一条采用高速RS－485总线，为单向接口总线。所有测井仪器的下行命令接收均通过CAN总线；对于上行数据，其平均速率小于100kbit／s时数据采用CAN总线发送；大于150kbit／s则采用RS－485总线，两者之间可根据仪器需要自行选择。

CAN总线是一种可支持分布式控制系统的现场总线，具有通信方式灵活、采用非破坏性仲裁技术、可实现点对点、点对多点等多种数据传送方式等特点［2］，是一种常用的井下测井仪器总线标准。

CAN总线最高传输速率可达到1Mbit／s，但其理论最大有效数据传输速率小于600kbit／s（采用CAN总线的标准数据帧格式）。因此，仅使用1路CAN总线无法满足设计要求。若采用2路CAN总线其速率也仅仅与高速遥传仪器的传输速率相当，也会影响遥传系统的传输效率。方案单独采用1路高速RS－485总线作为另一路井下仪器总线。该路总线仅连接井周声波成像测井仪等大数据量的测井仪器。

对于生产测井采用单芯电缆的测井系统，其遥传仪器的传输速率有限（小于400kbit／s），井下仪器总线仅使用CAN总线。井下仪器总线也可采用1路高速RS－485总线，该总线要求是半双工的双向数据总线。此时需要设计完备的上层传输协议，以实现总线的仲裁、冲突检测等一系列功能，增加了井下测井仪器在总线控制端的复杂度，对处理器性能要求较高，不利于高温环境下的功能实现，整体上会增加每支井下测井仪器的设计复杂度。

采用双总线方案的优点：①可兼容当前已有的CAN总线的井下测井仪器；②所采用的RS－485总线是单向总线，对该总线的上层协议控制较简单，对处理器性能要求较低，在200℃高温环境下易于实现，对于小数据量的常规测井仪器则不用考虑该总线的实现；③CAN总线作为双向总线，需要考虑复杂的传输协议，但一般带有CAN总线接口的处理器内部已集成完整的CAN总线控制功能，因此，该总线控制总体容易实现。

2．3 高速RS－485总线设计方案

RS－485总线硬件电路实现简单，易控制，抗干扰能力强，广泛应用于各种环境恶劣的场合。RS－485总线是一种异步串行总线，一对双绞线用于传输一对差分信号，并且以字为基本单元进行信号传输，一般不太适合长距离的高速数据传输［5］。

如图2所示，方案以RS－485总线作为物理层，链路层上采用8B／10B线路编码，实现在100m的非屏蔽双绞线上传输速率达到10Mbit／s的高速数据传输，误码率小于1．0×10－11。

图2 RS－485高速总线设计方案

8B／10B码是将8个位元经过映射转化为10个位元的字码，它分5B／6B与3B／4B等2个部位分别进行映射。8B／10B码可使得发送的“0”和“1”数量保持一致，连续的“0”或“1”不超过5位［6］。通过编码后的数据流使直流电平不发生漂移，同时接收端可利用信号的高低变化进行位同步恢复，以保证接收端能够选择接收信号的最佳采样点进行采样。

2．4 井下测井仪器数据总线数据传输帧格式

CAN总线数据帧格式采用CAN总线的标准数据帧格式，每帧分别由1位帧起始、11位标识符、1位远程传输请求位、6位控制字段、15位CRC（循环冗余校验）、1位CRC界定符、1位应答间隙位、1位应答界定符、7位帧结束字段以及3位帧间空间组成。其中每种测井仪器分配唯一的标识符，标识符用于标识测井仪器。

RS－485总线数据帧格式由11位标识符、5位控制位、8位数据长度、2040位数据段和16位CRC组成。按上述帧格式组帧后进行8B／10B编码。被编码后的每帧数据再分别添加10位帧头和帧尾。帧头采用8B／10B编码中的K28．5字符“0101111100”，帧尾则采用K28．1字符“100111100”，这2个字符在8B／10B编码中具有唯一性，可有效避免假帧同步。标识符与CAN总线的标识符一致，用于标识测井仪器。控制位共5位，用于指示当前数据传输状态。在进行8B／10B编码时，该5位与标识符的低3位一起编码。数据长度指示数据段有效数据长度，单位为字节，每帧数据段最长为255字节，不足补0。16位CRC为校验位，可提高RS－485数据传输可靠性。CRC－16的16位多项式为x16＋x15＋x2＋1。

2．5 高速井下测井仪器数据总线的具体实现

井下测井仪器总线的具体实现见图3。

图3 高速井下测井仪器数据总线硬件实现框图

井下测井仪器端使用德州仪器（TI）公司的DSP芯片TMS320F28335－HT完成CAN总线的协议控制、仪器命令的接收及小数据量的测井仪器的数据发送。

图3中SN65HVD233－HT为CAN总线的总线驱动器。大数据量成像测井仪器的数据通过多通道缓冲串行接口（McBSP）发送至Actel公司的可编程逻辑器件（PLD）A3P060VQ100T内进行数据组帧、8B／10B 编码，最后通过 RS－485 收发器SN65HVD11－HT送至RS－485总线。CAN总线协议本身自带总线仲裁机制，CAN总线的冲突检测很容易实现。

对于RS－485总线，仪器准备发送数据时首先检测总线是否空闲（10MHz时钟的上升沿连续7次检测到接收到的信号均为高电平即为空闲，否则总线被占用）；当数据发送时，同时接收RS－485总线的数据并检测所发送的第1个10位数据（帧头）是否出错，若有错则说明RS－485总线发生冲突或出现故障，停止发送；然后延迟100ns＋cnt×10ns后继续开始检测总线是否空闲，其中cnt为检测帧头错误的次数；发送完1帧后cnt清0；当cnt大于7，通过CAN总线向井下总线控制器发送总线异常报告。

图4 测井仪器模拟板功能框图

在井下遥传仪器的井下总线控制器端，DSP通过CAN总线下发命令给井下测井仪器，同时，接收CAN总线和RS－485总线上传的数据并打包，最终通过遥传仪器送至地面。其中，通过RS－485总线接收的数据首先经过RS－485收发器后送至PLD器件内，然后完成位同步恢复、8B／10B解码、解数据帧，最后通过McBSP接口将数据送至DSP内进行处理。

3 实验测试方法及测试结果

为了对所设计的井下测井仪器总线进行性能测试，开发了如图4所示的测井仪器模拟板。

通过在测井仪器模拟板上的DSP和PLD器件内下载不同程序实现测井仪器的数据发送和接收功能。在DSP和PLD器件之间连接2路McBSP接口和1路SCI（串行通信接口）完成两者之间不同数据的交互。DSP芯片内集成了标准的CAN总线控制器，方案中CAN总线的控制容易实现。

3．1 高速RS－485总线的传输性能测试

根据测井要求，使用100m的非屏蔽双绞线进行测试，传输波特率为10Mbit／s。整个RS－485总线上挂接3个发送节点和1个接收节点，每个节点使用1块测井仪器模拟板。中间2个发送节点分别用1．6m和2m的双绞线连接到总线。

通过对所用的双绞线的阻抗测试，两端的1个发送节点和1个接收节点用120Ω终端匹配电阻。为了测试不同节点传输性能，3个发送节点的数据通过使用周期为255的m序列优选对生成的Gold序列产生。

3个节点每次发送数据量分别为100、10、200 kbit／s，发送间隔由接收节点通过CAN总线控制，分别为200、51、500ms。发送的总数据量约1．1 Mbit／s。在接收节点上，恢复出的数据与发送的数据比较（按发送节点同样规则产生），最终将接收到的数据总数和比较后出错的个数按确定的格式通过RS－232串口定时送至PC机上显示。通过6h的连续测试，整个总线均能正常工作并且在整个测试过程中未出现错误。

3．2 高速RS－485总线的误码率测试

为测试所设计的RS－485总线误码率，仅使用总线两端的1个发送节点和1个接收节点。发送节点以7Mbit／s的速率连续发送由Gold序列产生的数据，并在接收端接收、比较，最终将数据总数和比较后出错的个数定时送至PC机上显示。

图5为接收节点的接收端所接收到的信号眼图。从图5上看，发送的每位数据时间是100ns，即10Mbit／s的波特率，眼图的“眼睛”张开得很大，眼线也很清晰，说明100m非屏蔽的双绞线上按10MHz的传输速率在RS－485总线上传送码间串扰和噪声的影响较小。通过20h的连续测试，没有出现错误。整个测试数据总量达到5．0×1011以上，误码率小于1．0×10－11，满足设计要求。

3．3 总线方案的高温性能

将发送节点放置于烘箱内进行高温试验。为检测在高温环境下所设计的模拟仪器板的功耗，将其中1个发送节点所要求的电源使用可显示电流的稳压电源（安捷伦公司的稳压电源E3631A）单独供电。按照测误码率的方法，在PC机上查看接收节点通过串口送出的信息确定测试系统工作是否正常。

图5 节点4接收端接收信号眼图

图6为烘箱内发送节点上＋3．3V／＋1．8V／＋1．5V的3种电源的输出电流随温度变化曲线。其中＋1．8V为DSP内核电压，＋1．5V为PLD器件的内核电压，＋3．3V为DSP和PLD芯片的I／O电压以及其它芯片的工作电压，DSP和PLD内部最高工作频率均为100MHz，外部输入频率为40MHz。通过高温测试，当温度保持不变时，所有电源输出的电流基本不变，整个系统可在210℃的环境温度下连续工作至少4h以上，在整个测试过程中，无误码出现。通过高温测试表明所设计的总线方案不仅可长时间稳定地工作在210℃高温环境下，功耗也较低，为各个井下测井仪器的整体电源设计提供了较大的余量。