基于CAN总线的单芯遥传采集控制模块研制

许 磊，顾庆水，王 振

(1.中海油田服务股份有限公司 河北 三河 065201；2.电子科技大学电子工程学院 四川 成都 611731)

·开发设计·

基于CAN总线的单芯遥传采集控制模块研制

许 磊1，顾庆水2，王 振1

(1.中海油田服务股份有限公司 河北 三河 065201；2.电子科技大学电子工程学院 四川 成都 611731)

为提高单芯测井系统井下仪器总线传输速率，采用CAN总线作为井下仪器总线，设计了一种井下遥传仪器采集控制模块。该模块以TMS320F28335处理器及其内部集成的CAN控制器为核心，采用主从和竞争两种模式相结合的采集控制机制，完成对各测井仪器节点的控制和数据处理。采集控制模块已经成功应用到实际生产测井系统中，传输速率达1Mb/s，实际应用效果良好，大大提高了生产测井的效率和可靠性。

CAN总线；单芯测井；总线协议

0 引 言

仪器总线实现井下测井仪器和遥传仪器之间的数据通讯，测井过程中，井下测井仪器需要通过仪器总线将数据上传到遥传仪器，遥传仪器再将这些测井数据调制到传输电缆上，继而通过电缆到达地面，由地面设备进行解调处理。根据测井通讯系统的特点，仪器总线传输速率一般要远大于遥传仪器数据传输速率。随着技术进步，单芯测井系统的遥传仪器传输速率已达到200 kb/s以上，而传统的单芯测井系统仪器总线数据传输速率往往在100 kb/s左右，已经不能满足单芯测井仪器对高速数据传输的需求[1]。同时，大数据量仪器和高采样率仪器的组合测井，也对采集控制机制提出更高要求，因此设计一种高速率、高可靠性仪器总线以及采集控制机制成为迫切需要。本文研制的遥传采集控制模块，以CAN总线作为井下仪器总线，可实现1 Mb/s通讯速率，耐温可达20 ℃，同时可灵活实现不同种类测井仪器的组合测井。

1 CAN总线特点

CAN总线由Bosch公司开发，有效支持分布式控制和实时控制，广泛应用于计算机控制系统和嵌入式工业控制局域网，是ISO国际标准化的串行通信总线[2,3]。CAN总线特点如下：

1)通讯速率高，在通讯距离不超过40 m的情况下，最高可达1 Mb/s的通讯速率。

2)挂接节点数多，最多可以达到110个节点。

3)通讯介质为双绞线，结构简单、可靠。

4)多主工作方式，网络上任意节点可以在任意时刻发起通讯，向其它节点发送信息，各个节点可以设置不同的优先级，并且采用非破坏性位仲裁总线结构机制，通信方式灵活，满足实时性要求。

5)每帧信息具备CRC校验以及其它的检错措施，误码率极低，并且在节点出现严重不可恢复错误时，关闭节点，从而不影响整个总线正常功能。

2 单芯测井系统井下总线结构

单芯测井系统井下部分由遥传短节和测井仪器组成，遥传短节负责数据的调制和解调，以及井下仪器的数据采集控制。井下测井仪器通过CAN总线挂接到遥传短节，由遥传短节的采集控制模块进行采集控制和数据处理[4]。

采集控制模块和调制解调模块间通过串行通信接口(SCI)和多通道缓冲串行口(McBSP)接口进行数据交换，其中下行数据由于数据量小，且速率要求低，通过SCI实现数据下发；上传的测井数据量大且传输速率要求高，在模块内部进行数据打包后写入FIFO进行缓冲，然后通过McBSP接口实现数据的上传。

单芯井下测井系统示意图如图1所示。

图1 井下测井系统示意图

调制解调模块完成电缆信号的调制和解调功能，下行采用FSK调制方式，速率为700 b/s，上行采用OFDM调制方式，速率大于200 kb/s[5]。

采集控制模块是单芯遥传短节的重要组成部分，主要负责完成井下测井仪器的采集控制和数据上传等功能。

地面下发的数据分两大类：

1)仪器控制命令：进行FSK调制后，通过电缆下发到遥传的通讯模块，进行解调后，由SCI接口发送到采集控制模块，然后通过CAN总线发送给指定仪器。

2)采集控制命令：又称服务表，包含需要采集的仪器号、采样率、数据长度、超时时间等信息。服务表由采集控制模块解析，根据解析结果控制井下所有挂接的仪器按照约定的采样率进行数据采集。

井下上传数据分两大类：1)仪器的命令或状态返回信息；2)需要上传的仪器采集数据。

3 采集控制模块设计

3.1 采集控制模块硬件电路

采集控制模块采用TI高温芯片TMS320F28335-HT实现，此款芯片是TI在控制领域推出的浮点高性能信号处理芯片，主频最高可达150 MHz；具备32位浮点运算单元，内部采用独立程序总线和数据总线的哈佛架构，具备CAN协议模块，性能优越、接口方便，非常适合复杂井下测井环境[6]。

TMS320F28335集成了增强型CAN控制器，与CAN2.0B标准协议完全兼容。DSP内嵌的CAN模块是一个完全功能的CAN控制器，包含传送信息的处理、接收管理和帧存储功能，支持标准帧和扩展帧两种格式。带有32个完全可配置邮箱和定时邮递功能，能够实现灵活稳定的串行通信接口。

采集控制模块功能示意框图如图2所示。

图2 采集控制模块功能示意框图

CAN总线是个开放的系统，其标准遵循ISO的OSI七层模型，而CAN的基本协议只有物理层和数据链路层协议。DSP集成的CAN控制器模块提供完整的数据链路层协议，要使用CAN总线组网，必须额外提供物理层驱动芯片，单芯测井系统仪器总线选用TI公司的SN65HVD233作为总线收发器，其外围电路设计图如图3所示。

遥传仪器端设计一个总线终端匹配电阻，120 Ω。而仪器端不设计这个终端电阻，在整个测井仪器组合串的最下端安装一个120 Ω终端电阻的堵头，实现CAN总线的阻抗匹配。

图3 CAN总线外围电路设计图

CAN总线外围电路设计注意芯片SN65HVD233的RS管脚，此管脚功能为设置芯片功能模式(高速、斜率控制及低功耗待机模式)选择，将此管脚接地，选用高速模式。

3.2 采集控制模块软件实现

3.2.1 采集控制机制

采集控制模块主要实现采集控制机制，针对当前的实际测井需要，一般有三种采集控制机制：

1)完全主从模式：也就是地面下发服务表后，采集控制模块按照服务表计算各个仪器的采样率，然后顺序控制仪器进行数据采集和上传。此种模式控制简单，对地面软件下发服务表的设计要求较高，很难解决高采样率仪器和大数据量仪器的组合问题。

2)完全竞争模式：就是仪器按照自己的采样率通过竞争得到总线后，上传数据。此种模式对仪器和遥传控制模块要求较高，井下仪器需要具备不同优先级，数据处理机制较为复杂，而且需要额外数据存储芯片，不利于降低功耗以及减小仪器尺寸。

3)混合模式：结合主从模式和竞争模式优点，由采集控制模块控制各支仪器的数据采集和发送，同时，井下仪器具备不同的优先级，在组合测井需要时，采集控制模块可以同时发送多个数据采集和发送的命令，井下仪器根据各自的优先级竞争仪器总线，优先级高的仪器数据先传，优先级低的仪器数据后传。

本应用采用混合模式，混合模式最大优势是解决大数据量测井仪器和高采样率测井仪器组合问题，而且结合了完全主从和完全竞争两种模式的优点，兼顾设计复杂度和仪器组合需要。

3.2.2 采集控制机制软件实现

采集控制机制软件实现主要包括两大部分：

1)主函数循环处理部分，此部分代码主要实现下行数据的接收和解析、服务表解析、井下仪器的采集控制、CAN总线命令的发送、上行数据打包以及FIFO数据上传等。

2)CAN中断数据处理部分，此部分代码实现CAN总线数据的接收、接收缓冲区内存管理、接收数据打包和校验、测井数据写入FIFO等。

采集控制软件程序流程图如图4所示。

图4 采集控制软件程序流程图

几个关键部分的说明：

1)服务表的解析：根据地面下发的服务表中的各支仪器采样率，计算出本次仪器采集时间间隔的最小公倍数，设置定时器中断。

2)上行数据发送：当检测到FIFO有数据后，进行上行数据发送，通过McBSP接口发送给调制解调模块。由于电缆速率小于CAN总线速率，此部分注意流量控制，只有调制解调模块空闲时才能发送数据帧。

3)CAN接收中断处理：在CAN中断中主要根据接收到的仪器数据长度和地址，动态分配各个缓冲内存，同时将仪器数据按照上行协议格式进行打包。同时当某支仪器数据传输完毕时，产生写入FIFO标志和参数，便于在程序主循环中将仪器数据写入FIFO，然后释放本支仪器的数据缓存。

3.2.3 应用层协议

为保证数据传输的可靠准确，设计一套应用层协议是必要的。由于单芯遥传采集控制模块有两个接口，一个跟调制解调模块通讯，简称上接口，一个跟井下仪器总线通讯，简称下接口，根据两个接口的不同特点，设计了两种应用层协议格式。

上接口通讯协议为遥传仪器的调制解调模块和采集控制模块间的通讯协议，分下行命令和上行数据，采用统一的协议格式，协议格式如图5所示。

图5 上接口协议格式

协议字段说明：

同步头：作为一帧数据的开始，固定为0x47474747；

数据类型：用来表示本次上传数据的类型，如辅助信息、状态信息、错误检测、测井数据等；

数据长度：表示整个上传数据帧的字节数；

仪器地址：井下每支仪器都有不同的地址，便于采集控制以及总线竞争；

子属性：具体指示本帧数据代表的意义；

时间戳：地面时间和井下时间保持同步，井下仪器数据返回到遥传采集控制模块的时候，采集控制模块要将时间戳填充到仪器数据帧对应的字段，地面根据这个时间戳，进行时间-深度映射，将测井数据对应到相应深度的地层；

数据体：下行命令参数或上行数据；

状态：这个用以表示本次仪器数据的状态，比如是否超时，是否接收错误或者不完整等；

和校验：对本次仪器采集数据的整体校验，地面软件接收到数据后对数据帧进行校验，判断数据是否正确接收。

下接口通讯协议为采集控制模块和井下各仪器间的通讯协议，分下行命令和上行数据，采用统一的协议格式，协议格式如图6所示。

图6 下接口协议格式

协议字段说明：

同步头：作为一帧数据的开始，固定为0x55AA55AA；

数据长度：本次数据帧的字节数；

子属性：具体指示本帧数据代表的意义；

数据体：下行命令参数或上行数据；

和校验：对本次仪器采集数据的整体校验，地面软件接收到数据后对数据帧进行校验，判断数据是否正确接收。

4 测试结果

实验室搭建仪器总线测试平台进行模块测试，总线采用普通双绞线，长度38m，总线上共挂接4个采集控制模块，其中一个作为主节点，模拟遥传仪器，其它3个作为从节点，模拟测井仪器。主节点控制3个从节点进行数据发送，主节点对接收到的数据进行解析判断，统计误码率。同时，为模拟大数据量和高采样率仪器组合情况，主节点对其中两个从节点的控制命令是同时发送的，由从节点根据自己的优先级进行总线竞争。

几次测试结果见表1。

表1 总线测试结果

通过实验，仪器总线在长度38 m通讯距离内，通讯速率达1 Mb/s，而且仪器节点间的总线竞争比较可靠，整个采集控制模块功能正常。

5 结束语

根据单芯测井系统需求，采用CAN总线作为仪器总线，研制的遥传采集控制模块，可实现通讯速率1Mb/s。主从控制和竞争相结合的混合采集控制模式，灵活高效地解决了大数据量和高采样率测井仪器组合问题。实验证明，单芯遥传采集控制模块在传输速率和耐温等方面稳定可靠，完全满足单芯高速测井系统的要求。同时，单芯遥传采集模块已经完成超声成像、多臂、GR、CCL、磁测厚等生产测井仪器的挂接，并在渤海进行了多次超声成像仪和多臂测井仪组合测井，取得了合格的测井资料，应用前景广阔。

[1] 孙钦涛，陈 鹏，陈 宝. 基于CAN总线的测井数据采集系统的研制[J]. 测井技术，2007，31(4)：367-368.

[2] 韩成浩，高晓红. CAN总线技术及其应用[J].制造业自动化，2010，32(2)：146-147.

[3] 唐丽丽，黄向东，何 刚. CAN总线在成像测井系统中的应用[J]. 测井技术，2004，28(2)：164-166.

[4] 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)：86-87.

[5] 顾庆水，陈 伟，伍瑞卿，等. 基于单芯测井电缆的高速遥传系统设计[J]. 测井技术，2013，37(4)：417-419.

[6] 苏奎峰，吕 强，常天庆，等. TMS320X281x DSP原理及C程序开发[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2008：222-230.

Development of Acquisition and Control Module for Single-core Cable Logging Remote Telemetry Instruments Based on CAN

XU Lei1， GU Qingshui2， WANG Zhen1

(1.ChinaOilfieldServicesLimited，Sanhe，Hebei065201，China； 2.SchoolofElectronicEngineering，UniversityofElectronicScienceandTechnology，Chengdu，Sichuan611731，China)

In order to improve the data transmission speed of down-hole instrument bus used in the single-core cable logging system, a new kind of acquisition-control module for the remote telemetry is designed with the CAN bus as the down-hole instrument bus. The TMS320F28335 and CAN are adopted as the core parts in this module, the control and data processing of all the logging instruments are realized by combining the master-slave and competitive mode as the acquisition-control mechanism. The module is used in the production logging system with a 1Mb/s transmission speed, which greatly improves the logging efficiency and stability, and achieves the required results.

CAN Bus; single-core cable logging; bus protocol

许 磊，男，1982年生，工程师， 2008年毕业于中国石油大学(华东)信号与信息处理专业，硕士学位，现从事测井仪器通讯、数据采集、嵌入式系统设计与开发等工作。Email：xulei13@cosl.com.cn

P631.83

A

2096-0077(2017)01-0033-04

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.01.008

2016-03-25 编辑：高红霞)