数字基带编码测井信号双向传输硬件设计

杨贺

(大庆油田责任有限公司测试技术服务分公司,黑龙江大庆163000)

0 引 言

中国测井领域常用的数字基带编码测井信号传输码型[1]有双极性归偏曼彻斯特码型(一种为传输速率为5.7292 kbit/s,一帧10个曼彻斯特码字参数信息,传输周期为40 ms,符合DDLIII传输标准;一种为传输速率为11.45 kbit/s,一帧16到60个曼彻斯特码字参数信息,传输周期不定,高4～6 bit为参数地址);3508双极性曼彻斯特码型(传输速率为20.83 kbit/s);PCM码(传输速率最高72 kbit/s左右,数据位有15 bit或23 bit,一位负脉冲同步位);3506PCM是一种双极性归零制编码(3506PCM每一数据帧有17个数据字,每个数据字有16个数据位,上传PCM传输波特率8 kbit/s,帧周期238 ms)。

对于不同编码方式及不同传输速率的数字基带编码测井信号,需要专用的地面测井模块进行信号处理,前端处理电路有阻容耦合方式和变压器耦合方式。本文介绍了在基于PXI总线的地面系统研发项目中,采用多种方式进行编码测井信号耦合及前端预处理,利用灵活方便的现场可编程门阵列FPGA[2]进行数字基带信号编、解码的生产测井地面硬件设计。

图1 阻容耦合和信号滤波电路图(解释如何电缆匹配)

1 数字基带测井信号电缆匹配硬件设计

地面测井设备解调测井电缆基带传输编码信号并下发测井命令,其根本前提是地面设备与测井电缆匹配滤波网络的配置及测井命令下传驱动电路的设计。

测井电缆的传输性能与所传输信号的频率密切相关[3],对于低频段信号,测井电缆呈现阻性特征;对于中频段信号,测井电缆呈现容性特征;对于高频段信号,测井电缆呈现感性特征。在直流信号或低频段信号,测井电缆的阻性特征使脉冲幅度降低,地面电缆匹配网络对测井信号的恢复比较容易。测井电缆容性特征使编码脉冲相位滞后,脉冲宽度增大,增大到一定程度就会产生脉冲信号混叠现象。同时,测井电缆呈现容性特征,会使基带数字编码测井信号的上升或下降变慢,从而导致波形的畸变,产生信道间干扰和符号间干扰。测井电缆感性特征使高频信号衰减严重、相位超前。对于编码信号而言,测井电缆的容性特征和感性特征都会使基带传输编码信号波形失真,地面解调非常困难。对于20.83 kbit/s以下频率的双极性曼彻斯特码信号,可以认为测井电缆同时具有阻性特征和容性特征并忽略测井电缆感性特征。由于PCM码信号本身电缆平衡性差,有信号混叠现象和码间干扰,目前只有超声电视和磁记忆仪器所采用,所以本文主要以曼彻斯特码信号为例加以叙述。

1.1 数字基带双极性曼彻斯特码信号输入电缆匹配

对于双极性归偏曼彻斯特码型,传输速率为5.729 2 kbit/s的基带编码信号,地面电缆匹配网络根据生产测井常用4 000 m电缆,每千米33 Ω电阻、0.1 μF电容参数,计算通频带选择电容及电阻,设计为阻容耦合及信号滤波网络(见图1)。阻容耦合对于接收频率较低的基带传输数字编码信号方便实用。缺点是对编码脉冲的上升沿或下降沿来说有拖尾现象,并且不容易消除干扰脉冲。

图2 信号变压器和信号滤波电路图

对于双极性曼彻斯特码型,传输速率20.83 kbit/s的基带编码信号,地面电缆匹配网络可以设计为信号变压器+信号滤波网络(见图2)。应用脉冲信号变压器进行信号耦合,可以去除直流分量,符合1553B信号传输标准[4]。同时,信号干扰通常以同样的方式影响脉冲变压器的2路输出。如果2路输出上的电压都改变,则由于相减的结果干扰可被消除,信号信息依然清晰。满足信号传输特征频率的信号变压器可以对编、解码信号进行边缘触发信号进行双向传输。

图3 差动运算放大器和HA-5002驱动芯片电路

1.2 数字基带双极性曼彻斯特码信号输出电缆匹配

测井经常使用的传输驱动电路:一种是以集成驱动芯片或厚膜驱动芯片为核心的驱动电路(见图3),另一种是以驱动信号变压器为核心和MOS驱动管组成的组合驱动电路,2种电路功能类似。由于MOS管组合驱动电路信号频率范围比较大,不用双极性电源,所以基于PXI总线的数控测井地面系统采用驱动信号变压器方式。

图4为地面测井模块向测井仪器下发双极性曼彻斯特码信号采用驱动变压器电路。利用信号变压器可以方便调节驱动电缆匹配电阻,抵消同相脉冲干扰,降低电缆反射效应。

图4 MOS驱动管和信号输出变压器电路图

2 曼彻斯特码解码方式[5]的选择

2.1 利用HD15530和HD-6408专用曼彻斯特码芯片进行硬件双向编、解码

专用曼彻斯特编码解码器的优点是内部结构紧凑,无冗余电路,功耗低,HD-15530、HD-6409都只有50 mW的功耗,具有编码、解码、数据中继多种工作方式,工作稳定可靠。缺点是数据的输入输出均为串行方式,在实际应用中,需要增加并入串出和串入并出移位寄存器实现并/串、串/并转换,而且在传输过程中实现数据的输入输出对操作时序有较严格的要求,这对于单片机等并行接口系统来说过于繁琐。

2.2 利用MCU和DSP进行软件编、解码

在这种方式下需要MCU和DSP有很高的工作频率,由于地面MCU和DSP还有很多数据采集及处理工作,编、解码占用非常多的时间,资源占用大、功耗高,所以地面测井模块很少采用此方案。

2.3 利用FPGA现场可编程门阵列进行数字基带信号编、解码

这种工作方式的开发手段是采用VHDL和Verilog语言,用编、解码时序状态机模型进行软件编程,硬件实现。FPGA时序稳定,定时精确。采用N倍信号传输速率的编、解码时钟,采用边沿触发模式,冗余度高,工作可靠[6]。因此,基于PXI总线的新型数控测井地面系统研发项目,采用了FPGA进行数字基带信号编码、解码。

3 FPGA双向数据传输的硬件设计原理

图5是基于PXI总线的FPGA采集测井编码信号的硬件设计原理框图。测井信号是双向的,一方面信号经过电缆输入到测井模块信号调理端口;另一方面地面主机的实时命令通过测井模块功率驱动口经电缆下传到井下仪器中。

图6 FPGA内部设计框图

图5 基于PXI总线的测井信号FPGA数据采集原理框图

在图5中,常规测井数字基带信号类型包括正、负脉冲复合类型(含PCM编码);单极型脉冲型;归偏曼彻斯特码型;3508双极性曼彻斯特码型等测井信号经过多频段滤波电路,消除电缆畸变和工频噪声影响。数字基带编码测井信号,通过前端处理电路使测井信号经过整形处理、放大满足TTL电平。在经过电平转换芯片达到满足FPGA电平需要进入FPGA[7]。

FPGA功能单元按功能划分主要分为2个部分:对脉冲信号和深度信号的计数与频率测试;完成和井下设备的通信功能。FPGA内部设计规划如图6所示,其中EBC Interface的作用主要是根据从PPC的EBC接口时序完成PPC与FPGA之间的读写操作;Regs包括了对通信和计数子模块进行控制的配置寄存器,进行数据收发和计数器数值的数据寄存器,以及控制AD9850的控制寄存器等。数据发送时,首先把需要发送的数据保存在发送寄存器里面,在软件的控制下把数据输入到相应的通信子模块,经过编码后发送出去。接收数据时,由于物理通道有3个,根据软件设置由FPGA内的多路选择器进行切换。相应的通信子模块将收到的串行数据解码后放入各自模块的接收FIFO[8]中。FPGA内部的DEPTH_MEAS和TIMER实现对深度信号以及时间的测量;TRIG_MODULE模块主要提供触发选择控制,根据软件设置可选择帧触发、等深度触发、等时间触发、PXI触发以及软件触发,当触发信号产生时,FPGA向PPC发出中断,各个处于工作状态的解码模块,脉冲测量模块,深度测量模块,时间计数模块保存当前数据。PPC在查询各模块数据准备完毕后,读取接收FIFO中的数据。FIFO存储器的特点:不需要地址寻址,可简化控制信号;数据写入和读出不依赖于数据速率,可以慢写快读、也可快写满读;进行数据宽度和存储深度的扩展不会增加额外的时间延迟,因此满足了实际测井要求。FPGA内部可配置数据FIFO和命令FIFO,地面主机通过POWER PC(CPU)完成PXI总线映射,并向命令FIFO发送井下仪器控制命令,FPGA内部由编码时序状态机完成分步实时编码,并实时通过电平转换和功率驱动组合电路完成向井下仪器的命令传送。通过以上处理过程,完成了数字基带编码测井信号的双向数据传输。

4 结束语

(1)常规数字基带编码测井信号,通过外围电路进行电缆匹配和多频段滤波电路及相应电平转换,由FPGA完成解码并通过映射PXI总线完成数据采集。同样,下井命令也是通过映射PXI总线送入FPGA内部命令FIFO,通过电平转换和驱动组合电路完成向井下测井仪器的命令传送。所以FPGA是PXI总线数字基带信号测井模块重要的地面硬件核心设计。

(2)FPGA和CPU相互连接,灵活控制测井信号的数据采集方式,硬件设计冗余度好。由于FPGA编、解码设计灵活,内部逻辑可以根据实际测井需要,由地面主机控制进行FPGA配置寄存器控制,可以优化FPGA设计,完成数字基带编码测井信号双向数据传输的地面硬件多种测井功能。