应用于随钻测井仪器数据总线的研究

王海波

（大庆油田钻探工程公司钻井工程技术研究院，黑龙江大庆163413）

随钻测井仪器（以下简称随钻仪器）是油田进行定向井/水平井开发的必备工具，主要可以分为机械部分、电子电路部分和数据总线部分。若要进行现场服务，还需要配置地面设备。地面设备主要由工控机（内置测井软件）、通讯板卡、安全箱以及若干附属配件组成。数据总线部分主要实现的功能是随钻仪器与工控机的数据传输、命令/数据的下载/上传、随钻仪器各传感器短节与中央控制器的数据传输。

随钻仪器采用1553B总线作为数据传输总线，该总线最初由美国军方为飞机上设备定制的一种信息传输总线，由于其具有可靠性高、传输效率高、技术成熟、易于扩展[1]等优点被广泛地应用在石油领域。

1 数据总线格式

1553B总线具有双向传输特性，传输速度为1Mb⁃ps，传输方式为半双工方式，总线上的信息是以消息的形式调制成曼彻斯特II型码进行传输的[2]。

1.1 数据编码方式

由于曼彻斯特码是高/低电平跳变来表示要传输的二进制信息的，因此随钻仪器在数据传输过程中要将信息转换成一系列由“0”和“1”组成的二进制数字信号，编码方式为：逻辑1为高电平到低电平的跳变，逻辑0为低电平到高电平的跳变。数据编码方式如图1所示。所谓双向传输，即具有双极性，本身包含了自定时信息，可以直接从数据中分离出定时时钟，由于直接耦合不利于故障的终端隔离，因此采用变压器耦合方式[3]。总线电压范围是从14Vdc到25Vdc，而一般都会选择20Vdc到24Vdc范围内供电。

图1 数据编码方式

1.2 曼彻斯特字的定义

每个曼彻斯特字的字长是20位。有效信息位是16位，每个字的前3位表示同步信号，最后1位表示奇偶校验位。在随钻仪器通讯中，采用奇校验，通过计算16位有效信息中“1”的个数，然后加上一个“1”或一个“0”，使其变成奇数[4]。如图2所示。

图2 曼彻斯特字的定义

在数据总线上有2种同步信号：命令同步信号和数据同步信号。命令同步信号包含一个从高到低的跳变，数据同步信号包含一个从低到高的跳变。由于同步信号占3位，因此同步信号在1.5位长时发生跳变。在随钻仪器中，必须只能有一个主控设备，可以有若干个从属设备，主控设备可以产生命令同步和数据同步，从属设备只能产生数据同步。

16位有效信息和1位校验位在总线上以曼彻斯特码的形式进行传输，暂不考虑校验位，剩下的16位则表示命令/数据字。随钻仪器中命令/数据字的组成如图3所示。

图3 随钻仪器中命令/数据字的组成

0～3位为主要地址，用来识别随钻仪器上、下通讯总线上的16位主要地址。4～6位次要地址，可以对主要地址中7个不同的传感器工具进行寻址。7位是工具冗余指示位，每串随钻仪器允许挂接2个相同的传感器工具，当是“0”时寻址主要传感器工具，当是“1”时寻址冗余工具地址。8～15位表示实际要传输的命令/数据[5]。

2 硬件实现

随钻仪器采用自定义的1553B总线结构，由上总线、下总线和中央控制器组成。随钻仪器在下井前，要通过工控机对其进行工作参数设置，此时，工控机作为主控设备，中央控制器和若干传感器短节作为从属设备，这个过程称为地面通讯模式；随钻仪器下井后，中央控制器通过上/下总线与传感器短节进行数据传输，此时，中央控制器作为主控设备，传感器短节作为从属设备，这个过程为井下通讯模式。由此可见，随钻仪器在不同的工作状态下，主控设备是不同的。随钻仪器的数据传输框图，如图4所示。

2.1 地面通讯模式

图4 随钻仪器数据传输框图

工控机作为主控设备时，需内置通讯板卡。板卡通过PCI总线与工控机连接，同时通过屏蔽双绞线与仪器读取口相连接，进而与中央控制器相连接。此时，工控机可以直接与挂接到上/下总线的传感器短节进行数据传输，通过工控机内置测井软件，可以直接对随钻仪器的上/下总线进行打开、关闭控制，并可以发送相应指令，对指令的返回值判断上/下总线的状态及监测传感器版本号等信息。

图5 地面板卡系统框图

地面板卡的系统框图如图5所示。可分为PCI接口模块、数据处理模块、总线收/发模块。PCI是一种独立于处理器的32位总线，传输速率可达133MB/S[6]。采用PLX Technology公司的PCI接口芯片作为PCI总线控制器，实现通讯板卡与PCI总线的连接。

在PCI控制芯片与FPGA之间有一个总线转换控制芯片，控制16位命令/数据在芯片之间的交换。FP⁃GA是数据处理模块的核心器件，采用XILINX公司的XCS系列芯片，该芯片有1862个逻辑单元，4万个系统门，可配置逻辑块达到28×28个，片内有2016个触发器，最大可使用I/O口224个，系统时钟最大可到80MHz，在通讯板卡中时钟采用40MHz。在FPGA中实现曼彻斯特码的编码与解码，并完成数据信息的分析等工作。曼彻斯特数据经FPGA进入到总线收/发模块时，该模块对数据进行变换、整形后，通过屏蔽双绞线进入到随钻仪器，最终实现工控机与随钻仪器的数据传输。

2.2 井下通讯模式

在井下通讯模式中，中央控制器作为主控设备，系统框图如图6所示。中央控制器主要由电源模块、数据处理模块、时钟模块和数据存储模块组成。电源模块的功能是为中央控制器上的芯片提供不同等级的电压。由于中央控制器与上/下总线挂接的传感器短节以曼彻斯特码形式进行数据传输，因此在数据处理模块内的FPGA中完成数据的编/解码。数据处理模块能够控制上/下总线的开关，并对上/下总线传输过来的数据进行监视、转换、压缩等处理工作，然后将数据存储在数据存储模块中。数据处理模块主要由FPGA和单片机构成，FPGA内部固化计算模型，是中央控制器的主处理器。单片机为协同处理器，通过内部运行的程序，可以对随钻仪器的温度、电压、电流等进行监控。时钟模块的主要功能是为整个中央控制器提供时钟信号。数据存储模块采用非易失性存储器，存储井下数据外，还可存储固件版本信息及传感器短节编号等信息。

随钻仪器处于井下工作状态时，各传感器短节进行信号采集，并传输给中央控制器进行集中计算。可见，中央控制器对传感器工作序列进行管理外，还对计算模型进行管理，因此，可以说中央控制器是随钻测井仪器的核心部分。

图6 中央控制器系统框图

3 结语

随钻测井仪器在工作时可分为2种通讯模式和4个工作过程，2种通讯模式即地面通讯模式和井下通讯模式，4个过程即可信度测试过程、工具参数下装过程、实时工作过程和数据读取过程。无论是工控机作为主控设备或是中央控制器作为主控设备，对从属设备的控制都是通过1553B总线实现的。因此，开发数据总线是研制随钻测井仪器较关键的一部分，对于打破垄断，提升竞争力具有十分重要的现实意义。

[1] 徐贵贤.1553B总线简介及其实现[J].通信技术，2011,44（5）：166-168.

[2] 黄家平,王明皓，等.1553B总线通信系统可靠性分析[J].飞机设计，2010,30(2)：57-61.

[3] 徐丽清.1553B总线接口技术研究及FPGA实现[D].西北工业大学，2006.

[4]MIL-STD-1553B数字式时分制指令/响应型多路传输数据总线简介[S].恩菲特科技有限公司.

[5]HCIM Operations Manual-Positive Pulse.Sperry-Sun.2003.

[6] 瞿朝冰,陈涛，等.基于PCI总线的1553B总线接口卡设计[J].仪器仪表用户，2007,14(4)：87-89.