基于LPC1788的AMI码解码电路的设计与实现

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(1.中国电子科技集团公司第二十二研究所 河南 新乡 453003；2.中国石油集团渤海钻探工程有限公司测井分公司 天津 300280)

0 引 言

为提升地面系统的配接能力，增强设备兼容性，满足油田对多种类多厂家生产井仪器的挂接，本文设计一款基于LPC1788的AMI码型解码电路，既可以配接AMI码型生产测井组合仪，也可以配接微分曼码[1]生产测井组合仪。在此，着重对新配接的某公司AMI码型生产测井组合仪加以介绍。

1 上传信号码型分析

生产测井组合仪上传数据采用的编码方式为AMI码，全称为信号交替反转码。其编码规则为：二进制的0为信号中的零电平，二进制的1为信号中交替反转的正负脉冲，如图1所示。

井下仪器上传数据帧与帧之间的时隙约1～1.7 ms,数据帧格式为：4位帧头+8位帧地址+8位字节道数+数据道1+…+数据道[n-3]+1或2位补码。

图1 AMI码型

其中帧头是以负脉冲起始的4×90 μs的低高低高4个脉冲，脉冲宽度为10 μs。

帧地址与数据道的编码规则相同，均是遇0不发脉冲，遇1发脉冲，且脉冲正负极性交替出现。第一个脉冲为负脉冲，每位60 μs，数据位低位在前，高位在后，脉冲宽度10 μs。

补码以正脉冲结束，若最后一个1为正脉冲，则补发一负一正两个脉冲，若最后一个1为负脉冲，则补发一位正脉冲，如图2所示。

图2 上传信号格式

电缆总线上传输的一帧完整信号波形如图3所示：

图3 电缆总线信号波形

2 硬件电路分析

2.1 信号流程框图

井下仪器上传的AMI编码信号隔离后经两阶高通滤波去除电缆上的低频干扰和噪声，进行放大、信道均衡后，补偿和恢复出干净的AMI码型。然后通过自动增益调整电路，并经门槛滤波和二级放大将波形调整至合适幅度后进入比较器。比较输出的信号进入ARM单片机的捕捉口进行解码处理,CPLD实现双口RAM读写时序及继电器的逻辑控制，信号流程如图4所示。

图4 信号流程图

2.2 均衡电路设计

测井电缆可以视作由电阻、电容、电感等组成的具有低通特性的网络，对高频信号具有一定的衰减作用[2]，且电缆越长，对高频信号衰减越厉害。此时就要进行电路均衡，对需要的高频信号进行放大，对不需要的低频干扰信号进行衰减，以实现上传信号的高频补偿和过冲抑制，并经后续电路处理，恢复出理想的数据波形，如图5所示。

图5 均衡电路

2.3 自动增益电路设计

针对地面系统现有板卡进行生产测井仪配接时，解码增益调整不够灵活，使用体验欠佳等现状，电路设计时增加了自动增益功能，根据解码情况寻找合适的信号幅度，对硬件电路的增益进行调整并锁定，以简化仪器配接，优化用户使用体验，如图6所示。

图6 自动增益电路

信号幅度自适应调整的具体过程为：上传波形经滤波和信道均衡后，进入到增益调整硬件电路。解码单片机具备自适应学习功能，初始化时首先设置数字电位器初值，并以合适的步长从0开始寻找直至100，找到能够正确解码的增益范围G1至G2，采取相应算法选取解码的最优增益值G。这样做一方面可以解决增益手动调整时，参数不容易确定、调整过程缓慢等问题，简化仪器配接；另一方面，可以根据波形包络变化及解码状态，实时对信号幅度进行自适应调整，有益于降低误码率，提升系统可靠性。

3 程序设计实现

3.1 数据同步头寻找

接收AMI码的关键是同步头的识别，根据上传信号的数据格式[3]，可以通过检测同步头的高、低电平的码元宽度来实现。利用单片机的CAP捕获功能检测AMI码同步头的高电平宽度T1和其后的低电平宽度T2，当识别到四个连续的90 μs码元，且满足低高低高规则，即判断为数据帧同步头。

3.2 数据解码流程

找到同步头后，立即开始帧数据解码。同时开启两个中断，分别用于边沿捕获和码元定时。根据中断类型的不同，定时器选取60 μs和90 μs两种不同的宽度：若进入捕捉中断，则判定本比特为1，开启90 μs定时；若进入定时中断，则判定本比特为0，开启60 μs定时，如图7所示。

图7 程序流程图

4 AMI码连零解码出错原因分析

AMI码型由于本身不携带任何时钟信息[4]，所有存在一个重要缺陷，即当数据中出现长的连0码元时，接收端无法从该信号中获取有效的位同步信息，定时时间偏差得不到及时校正。经过多次的累积后，就会造成数据位的缺失或增加，出现解码异常。以码元00 00 00 00 55 8E错误解码为00 00 00 80 2A C7为例进行分析, 黄色通道表示帧数据解码完成后立即翻转。

图8所示，数据帧00 00 00 00 55 8E应该有两位补码，而黄线直到第一位补码后才发生翻转，说明错误地将其中一位补码认作了数据位。这是因为，当数据位连零过多时，由于位定时信息的累积偏差，解码过程中丢失了一个码元0，之后的数据位均向前移动一位，造成后面的数据全部错位，出现解码异常，如图9所示。

图8 码元00 00 00 00 55 8E波形图

图9 出错后移位情况分析

5 结 论

本文设计了一款AMI码解码电路，并成功地应用到已投产的地面数控测井仪，所实现的系统具有以下优点：硬件电路简单，稳定可靠，预处理后的信号脉冲幅度一致性好，且充分避开了反冲干扰；主控芯片采用ARM芯片，响应速度快，解决了长零串时时钟累积偏差出现误码的情况；灵活性高，自动增益降低了小队仪器配接的难度，优化了用户体验。多次上井试验表明，板卡性能稳定，通讯可靠，实现了与不同井下仪器的配接，很好地满足了系统需求。