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摘要

為了快速診斷國產(chǎn)聲波測井儀或其短節(jié)的工作狀態(tài)是否正常，設(shè)計了可與儀器或短節(jié)相匹配的總線測試接口電路。針對國產(chǎn)聲波類測井儀器的所用總線，設(shè)計了Toolcontrolbus(TCB)、Highlocalbus(HLB)、Toolmodelbus(TMB)、Controllerareanetwork(CAN)等總線測試接口。其中TCB、HLB、TMB總線接口在FPGA芯片EP2C20Q240C8控制下實現(xiàn)，軟件采用模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計；CAN總線接口由單片機C8051F500控制實現(xiàn)。利用了設(shè)計的接口電路板，仿真實現(xiàn)了TMB總線的從節(jié)點功能，可測試儀器主控短節(jié)的工作狀態(tài)。

關(guān)鍵詞

測井儀器，測試接口，總線

1引言

聲波測井在計算地層孔隙度、估算地層的滲透率以及識別孔隙流體中有著獨到之處，在油氣勘探的過程中，它是進行儲層評價和產(chǎn)能評估的重要參考手段之一[1]。我國的聲波測井技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)從開始的引進模仿，逐漸走向了全面自主創(chuàng)新的新階段[2]。電路電子技術(shù)的飛速發(fā)展，大大促進了國產(chǎn)聲波測井儀的升級換代進程。成像類聲波測井儀的出現(xiàn)，造成井下儀器數(shù)據(jù)通訊量呈幾何倍數(shù)的增加，受井下條件的限制，儀器內(nèi)部模塊間的通訊與控制采用了可大量節(jié)省空間資源的串行傳輸方式，串行總線在聲波測井儀中發(fā)揮了不可忽視的作用[3−5]。總線技術(shù)的應(yīng)用帶來的新問題是在儀器的生產(chǎn)和使用的過程中無法通過人工的方式來診斷其工作狀態(tài)，必須要設(shè)計專門的總線接口電路來輔助實現(xiàn)儀器及其子模塊的自動化診斷測量。測井儀器的總線測試接口電路與測井儀器有較大的技術(shù)關(guān)聯(lián)性，國外為了更好的進行技術(shù)封鎖，他們所設(shè)計總線測試接口多作為儀器研發(fā)公司內(nèi)部檢測使用，而不會公開發(fā)表，所以國外聲波類測井儀器測試接口電路未見相關(guān)報道。國內(nèi)的成像類聲波測井儀器內(nèi)部模塊的通訊與控制均采用了多節(jié)點的高速串行總線，儀器與遙傳短節(jié)的掛接采用的是CAN總線。如多極子陣列聲波測井儀[6−7]、方位聲波測井儀[8]內(nèi)部模塊通訊使用的是TCB和HLB總線；動電測井儀、遠(yuǎn)探測方位反射聲波測井儀是近兩年研發(fā)的新儀器，內(nèi)部模塊通訊采用性能更好的TMB總線。本文的目的就是設(shè)計一種與這些儀器總線相匹配的接口電路以實現(xiàn)對這些儀器的子短節(jié)或整體的自動化測試。

2聲波測井儀器總線簡介

早期聲波測井儀器與遙傳短節(jié)之間的通訊是通過DTB總線實現(xiàn)的，現(xiàn)在則升級為性能更優(yōu)的CAN總線進行通訊。聲波測井儀器內(nèi)部總線主要有三種：TCB總線，HLB總線，TMB總線，這三種總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖1所示。TCB總線是多極子陣列聲波測井儀中的貫穿整只儀器的單向命令總線，它由兩根單向差分時鐘線和一根數(shù)據(jù)線構(gòu)成，TCB總線的傳輸速率200kbps，傳輸距離為10m；HLB總線是多極子陣列聲波測井儀接收電子短節(jié)中的單向高速局部數(shù)據(jù)總線，它由一根時鐘線、兩根板選線、兩根數(shù)據(jù)線構(gòu)成，HLB總線的傳輸速率為5Mbps，傳輸距離為5m；TMB總線是新一代的半雙工雙向高速總線，它由兩根差分?jǐn)?shù)據(jù)線、兩根差分?jǐn)?shù)據(jù)線構(gòu)成，TMB總線的傳輸速率10Mbps，傳輸距離為20m。利用常用的電子測試設(shè)備，如示波器或者萬用表等，只能對總線信號的有無以及其電壓、電流特征進行測量分析，無法判斷總線數(shù)據(jù)的幀類型以及幀內(nèi)容的正確與否，更無法對總線錯誤進行定位。因此，本文設(shè)計了與這些總線相匹配的接口電路。

3硬件設(shè)計

要實現(xiàn)對聲波測井儀通訊總線的測試，必須要提供與儀器相匹配的總線接口，如CAN總線接口，TCB總線接口，HLB總線接口，TMB總線接口等。總線測試接口電路板硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，采用Altera公司的FPGA芯片EP2C20Q240C8作為總線接口控制的核心器件，擴展了16位的地址總線和16位的數(shù)據(jù)總線與其他電路板互聯(lián)，采用SN74LVT162245器件作為總線緩沖和驅(qū)動。由于FPGA器件不帶CAN總線控制器，本文利用sil-iconlabs公司的單片機C8051F500內(nèi)置的CAN總線控制器，采用芯片PCA82C250T驅(qū)動實現(xiàn)CAN總線接口。為了兼容早期的TCB總線接口，利用DS90LV019器件對時鐘信號實現(xiàn)差分和單端信號的相互轉(zhuǎn)換。為減小儀器模塊與測試系統(tǒng)的互相干擾，所有的總線接口均需要采用高速隔離器件與數(shù)字電路系統(tǒng)隔離。其中，TCB、HLB、TMB總線接口采用四通道高速磁隔離芯片ADUM1401隔離；CAN總線接口采用光耦器件HCPL0600隔離。電路板供電部分采用NR5S5將數(shù)字電源與模擬電源隔離，模擬地和數(shù)字地分開布線并采用一點的方式連接。這樣可大大減少電源抖動對電路系統(tǒng)的影響并防止模擬電路和數(shù)字電路的互相干擾。

4軟件設(shè)計

總線測試接口電路板軟件設(shè)計分為兩個部分，F(xiàn)PGA程序設(shè)計和單片機程序設(shè)計。FPGA控制了TCB、HLB、TMB等總線測試接口。本設(shè)計中FPGA程序基于硬件描述語言VHDL，采用自頂向下的模塊化設(shè)計思想，按照功能將系統(tǒng)劃分為若干個子模塊，頂層采用框圖的方式將各個子模塊連接起來，具有簡單直觀、易于擴展等優(yōu)點。圖3所示是總線接口板FPGA的軟件結(jié)構(gòu)框圖，主要包括：擴展總線控制，共享雙口RAM，頂層控制邏輯，測試任務(wù)控制，發(fā)送/接收FIFO，收發(fā)狀態(tài)控制，串行發(fā)送/串行接收器等。擴展總線模塊實現(xiàn)與外部系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換；共享雙口RAM接收來自于單片機的數(shù)據(jù)并暫存；頂層控制邏輯主要實現(xiàn)發(fā)送數(shù)據(jù)的寫入，接收數(shù)據(jù)的讀取；測試任務(wù)控制模塊判斷任務(wù)類型并對收發(fā)狀態(tài)進行控制；發(fā)送、接收存儲FIFO由FPGA內(nèi)部配置實現(xiàn)，主要完成發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)的緩存；收發(fā)狀態(tài)控制器主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收的狀態(tài)交互控制；串行發(fā)送、串行接收器由計數(shù)器和移位寄存器組成，在收發(fā)狀態(tài)控制模塊的協(xié)調(diào)下發(fā)送和接收串行數(shù)據(jù)。單片機程序主要實現(xiàn)對CAN總線接口的控制和讀寫數(shù)據(jù)的緩存。在本文中，設(shè)計的CAN總線接口需要仿真遙傳短節(jié)對測井儀進行控制，用來檢測井下儀器的整機或者主控短節(jié)的工作狀態(tài)是否正常。他的主要功能是下發(fā)控制命令到被測儀器或短節(jié)，并且接收儀器或短節(jié)返回的數(shù)據(jù)。由于C8051F500集成了CAN控制器，所以CAN物理層及數(shù)據(jù)鏈路層的大部分功能包括數(shù)據(jù)的編解碼和校驗無需用戶編程。用戶只需在應(yīng)用層編程，本文基于標(biāo)準(zhǔn)CAN2.0規(guī)范定義了通訊協(xié)議對CAN控制器進行配置。單片機程序運行主流程如圖4所示，系統(tǒng)初始化后啟動CAN測試任務(wù)，任務(wù)啟動后進入中斷查詢狀態(tài)，當(dāng)有CAN中斷產(chǎn)生時，進行讀寫緩存操作，若有數(shù)據(jù)需要保存，將其存入FPGA的共享雙口RAM中，任務(wù)完成后清中斷標(biāo)志并退出。

5設(shè)計結(jié)果及仿真

圖5所示是設(shè)計的總線測試電路板的實物圖，各總線接口和編程接口均采用接插件的形式與外部連接。井下聲波儀器內(nèi)部總線的數(shù)據(jù)傳輸以幀為單位，根據(jù)幀功能的不同，將幀分為四類：下傳命令幀、下傳數(shù)據(jù)請求幀、上傳數(shù)據(jù)幀和廣播幀。每幀由起始段，控制段，數(shù)據(jù)段和校驗段組成。起始段標(biāo)識有效幀的幀頭，控制段中含有幀類型、來源地址、目的地址、數(shù)據(jù)段長度等信息。校驗段為控制段和數(shù)據(jù)段的校驗和。測試電路板收到有效的幀起始段后，將控制段，數(shù)據(jù)段和校驗段分別緩存，并將控制段和數(shù)據(jù)段進行校驗運算，最終將計算結(jié)果和校驗段進行對比分析，從而判斷總線的是否發(fā)生錯誤并且對錯誤進行定位。若是總線幀無誤，進而對總線幀的數(shù)據(jù)段進行解析。以TMB總線為例，本文在電路板上仿真TMB總線測試從節(jié)點功能，仿真接收來自于主控電子短節(jié)的串行發(fā)射命令，并對該命令進行解析。如圖6所示，總線接收到有效數(shù)據(jù)幀后，獲取相關(guān)參數(shù)并更新delay和wide值。當(dāng)接收到有效發(fā)射命令幀后，輸出了發(fā)射啟動標(biāo)志sx以及相應(yīng)的脈沖信號wave_first和wave_delay。

6結(jié)論

早期國內(nèi)的聲波測井儀由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)和總線架構(gòu)具有較大差異性，所以測試設(shè)備都是針對相應(yīng)儀器一對一設(shè)計和研發(fā)的，不同的測井儀器則需要設(shè)計專用的測試電路，通用性較弱。本文針對國產(chǎn)聲波成像類測井儀器的總線特征，整合了所有的總線接口，設(shè)計了TCB、HLB、TMB、CAN等總線測試接口，可以對多種聲波類測井儀器進行總線的測試。利用設(shè)計的接口電路，仿真實現(xiàn)了TMB總線的從節(jié)點功能。總線測試接口電路板的設(shè)計，使得今后生產(chǎn)聲波測井儀器時的整機檢測和分節(jié)調(diào)試變得便捷簡單，即使是非專業(yè)人員也能快速判斷整個儀器及各子短節(jié)的工作狀態(tài)，為今后儀器的現(xiàn)場快速診斷奠定基礎(chǔ)，可加速推進國產(chǎn)聲波測井儀的產(chǎn)業(yè)化進程。

參考文獻

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作者：劉先平 鞠曉東 喬文孝 盧俊強 門百永 單位：中國石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室