Excell-2000成像测井仪数字通信系统的接口设计

梁喜梅李 震郗富昭

(1.西安石油大学光电油气测井与检测教育部重点实验室 陕西西安)(2.中国石油集团测井有限公司长庆事业部 陕西西安) (3.东方地球物理公司海上勘探事业部 天津)

Excell-2000成像测井仪数字通信系统的接口设计

梁喜梅1李 震2郗富昭3

(1.西安石油大学光电油气测井与检测教育部重点实验室 陕西西安)(2.中国石油集团测井有限公司长庆事业部 陕西西安) (3.东方地球物理公司海上勘探事业部 天津)

文章阐述了Excell-2000测井系统通信模块的构成、工作原理,介绍了井下调制解调器的设计和数据之间的转换实现。井下调制解调器的成功研制,可以实现地面设备与井下通信模块的通信连接,对成像测井仪通信系统的成功研制具有重要的意义。

成像测井系统;调制解调器;编码

0 引 言

Excell-2000成像测井系统是目前世界上较为先进的测井设备,它对探井的勘探、油井的监测、检测和制定油田开发方案都提供了更加先进、准确地手段。仪器在工作时,数字通信模块D4TG将井下仪器的测量数据和状态上传到地面仪器,并将地面仪器发出的控制命令参数下传至各个下井仪,可以说,D4TG是数据传输的咽喉要道和仪器工作的指挥官。

1 数字通信系统的接口设计

Excell-2000通信系统接口电路如图1所示,主要由三部分组成:地面调制解调器(D2MP)、数字井下通信模块(D4TG)和远程通信设备(RTU)。

其工作过程是地面系统将相关指令和数据通过地面调制解调器下传至D4TG中的调制解调器,总线控制单元(BCU)将数据及指令通过1553B总线发送至相应的RTU,由RTU控制对应的仪器进行工作,并将数据回传到BCU,BCU进行译码并通过地下的调制解调器上传到地面。要进行数字通信系统的系统设计,关键电路原理框图如图1中的虚线部分(D4TG)所示[1]。

1.1 地面调制解调器

图1 数字通信系统的接口框图

D2MP的主要功能有两个:首先,它对通过D4TG上传的DITS信号进行解码,将其转换成串行数据为主机进行进一步的处理;其次,D2MP也执行对下传命令的编码,驱动命令码的下传,并放大主机到D4TG的信号,使信号能与测井电缆相匹配,以便能使下传命令得以正常实现。它的主要作用是转换合适的数字信号给地面计算机接口,同时也转换合适的模拟信号到测井电缆,以便控制井下仪器的操作,为了实现此目的,处理过程中必须校正测井电缆的变形,而且对于不同电缆长度、电缆类型和井下温度,信息会有许多不同的变化。对于低速9.06kHz的下传数据是较容易处理,但对于高速上传数据,变形的信号是很难恢复的。因此,D2MP接收部分必须能处理三种不同类型的信号,包括噪声、衰减及连续数据间的干扰,才能有效地获得有用的测井数据[3]。

1.2 D4TG井下通信单元

D4TG由井下调制解调器(SSM)和总线控制单元(BCU)组成。SSM在D4TG与地面系统之间提供下传命令或数据,BCU控制上传信息,地面系统利用下传命令设置上传信息的速率,并且下载总线命令表到BCU,然后BCU再根据命令表定义来上传一定顺序的数据。另外,命令表在仪器刻度、测井和射孔时也可控制BCU和RTU的操作模式。BCU根据总线命令表从仪器串中采集数据,且编译成上传数据格式,然后D4TG以每50ms上传一次数据到地面系统。

1.2.1 井下调制解调器的设计

Excell-2000通信系统主要部分包括地面调制解调器、井下调制解调器、总线控制单元(BCU)、以及各个仪器的遥测单元(RTU)。其工作过程是地面系统将相关指令和数据通过地面调制解调器下传至D4TG中的调制解调器,总线控制单元(BCU)将数据及指令通过1553B总线发送至相应的RTU,由RTU控制对应的仪器进行工作,并将数据回传到BCU,BCU进行译码并通过井下的调制解调器上传到地面。由此可见,井下调制解调器的主要功能就是完成数据的传输,即通过接收下行数据并对其进行解调和对上行数据进行调制并将其发射至地面设备来实现数据的传输功能,其功能框图如图2所示[2]。

图2 井下调制解调器原理框图

井下调制解调器接收电路接收来自地面设备下传的数据和命令,经1553B解码器进行解码下传至BCU中的处理器中;井下调制解调器上传井下仪器的数据字和状态字,经发射电路对其进行调制,传输至地面设备。

1.2.2 总线控制单元

BCU有两个基本功能:首先,BCU从地面设备接收下传命令和数据,并将下传数据转换成RTU可以识别的形式,然后发送指令到RTU;其次,BCU通过1553总线采集RTU的数据,并编译成一定的数据格式:字、块、帧,最后以一定的顺序上传至SSM。

1.3 远程通信设备RTU

RTU是仪器电子测量部分和DITS井下通讯系统D4TG的仪器通信接口。每一种仪器都有各自的RTU地址,通过1553仪器总线与D4TG连接,并且是双向通讯。即D4TG可从RTU请求数据或传输命令,如改变仪器的操作状态,包括张收井径、刻度、测井等。另外,RTU也可通过1553总线传输数据到D4TG。由于仪器串中每一个仪器都有自己的RTU地址,如补偿中子仪器(DSN)地址是51H,高分辨率感应仪器(HRI)地址是02H,这种传输特性允许D4TG能分别和仪器总线中的每一个仪器通信,且仪器串中所有RTU都与唯一的仪器总线相连,这样,D4TG可仅命令仪器串特定仪器传送数据,且仅响应请求地址的仪器的命令[3]。

2 算法设计思想

井下调制解调器的算法设计主要有两种:一种是下行曼彻斯特解码算法的设计实现,另一种是对BCU传至SSM的上行NRZ码数据调制算法的设计实现,因此井下调制解调器的通信模块的划分如图3所示。

图3 通信系统模块划分

2.1 下行解调算法的设计

曼彻斯特码是一种自时钟码,即曼切斯特编码中已经包含了时钟信息,它是利用信号的上下跳变来表示要传递的信息的。由于这种特性,因此在解码的时候需要使用锁相环来分离时钟从而得到时钟信息以确定跳变发生在什么时候,再对上下跳变进行判断。

对于码元的检测,这里采用一种简单的方法来实现锁相环技术,如图4所示,将采样速率提高到码元速率的8倍,同时由于编码时钟为码元速率的2倍,因此,在一个码元对应的时间段内中可以有8个采样值,同时在跳变沿的前后各有4个采样值。为了提高检测概率,对于4个采样值,抛弃第一和第四位,以第二和第三位作为检测的有效值,然后将跳变沿前后的值进行对比,得到最终的码元检测结果。对于同步头,占用了3个比特位,则对应的检测采样值为24个,区别在于采样值数量的多少,方法是一样的。

图4 1553B的解码方法

曼彻斯特解码的过程也可分为三部分:(1)同步字的检测,并辨别其同步字类型;(2)对曼码形式的数据进行解码;(3)将串行数据转化为并行数据,并进行奇偶校验。利用硬件描述语言Verilog实现1553B解码技术,通过仿真软件Active-HDL、集成开发环境Libero对其进行编译、综合。

2.2 调制算法的设计

根据数据传输速率的不同,上传的数据格式也不同。当数据传输速率为 13.6kb/s、27.2kb/s、54.4 kb/s、108.8kb/s时,上传的数据格式为调制的双二进制码,而数据传输速率为217.6kb/s时,上传的数据格式为不调制变形双二进制码。在设计中,采用三级编码实现双二进制调制编码,即NRZ码通过三级编码成为调制的双二进制码。可编程逻辑器件输出的数据为调制的双二进制码,被发送到D/A转换电路中。其编码逻辑框图如图5所示。

图5 双二进制编码逻辑框图

可编程逻辑器件主要根据输入NRZ数据、数据时钟、载波时钟调制输出MMSB、M2SB和MLSB到D/A转换电路中。编码器的组成包括一个逻辑门、两个D触发器、一个数据编码器和一个调制器。

NRZ数据经过一个反相缓冲器输入到一个两输入的异或门,异或门的输出DFLOP1作为第一个D触发器的输入,当数据时钟启用后,NRZ数据通过D触发器输出,第一个触发器的输出QFLOP1作为异或门的另一个输入端。QFLOP1和QFLOP2通过异或门形成LSB信号,通过与门形成MSB信号。信号LSB和MSB进入一个数据编码器产生双二进制码 EMSB、E2SB和ELSM,后经调制器调制为调制的双二进制码MMBS、M2BS和MLBSS。

利用三级编码原理图法实现上行信号调制的功能,即将NRZ码转换为调制的双二进制码,同样通过仿真软件、集成环境对其进行编译、下载,验证调制技术设计的合理性。

3 结束语

本文通过对Excell-2000测井系统的通信模块的理解、分析,掌握了其工作原理,了解了D4TG是整个测井系统的关键,并重点介绍了D4TG中井下调制解调器的设计原理和算法设计,实现了数据之间的转换、传输,对于研制一种可以代替 Excell-2000的D4TG工作的成像测井仪的数字通信系统非常重要。

[1] Halliburton.DITS4TELEMETRYGAMMA(D4TG)Field OperationsManual,2001(资料)

[2] Halliburton.DITS4TELEMETRYGAMMA(D4TG)Field OperationsManual,2001(资料)

[3] 林兴春,胡 涛,何志平.浅析 EXCELL-2000成像测井系统的通信环节[J].石油仪器,2002,16(3)

P631.8+1

B

1004-9134(2010)03-0005-03

2009-08-31 编辑:高红霞)

梁喜梅,女,1984年生,硕士研究生,2006年毕业于西安石油大学测控技术与仪器专业获工学学士学位,现在西安石油大学电子工程学院光电油气测井与检测教育部重点实验室攻读硕士研究生。邮编:710065