感应测井仪的通信及控制设计

李婷兰 马鹏飞 叶 欣

（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 710065）

1 引言

感应测井仪是一种应用电磁感应原理测量地层电阻率的精密石油测井仪器。由于井下环境因素比较复杂，高温高压下对仪器控制和通信的稳定性要求很高。本文所阐述的感应测井仪通信和控制部分，在FPGA精确的时序控制下主要完成井下仪器与地面系统之间大量数据的高速实时传输，包括接收仪器状态命令、上传测井数据。本部分电路中FPGA控制所有的时序和工作状态，采用同一个10.24Mhz的外部时钟源，以保证发射信号和接收信号的绝对同步，可以达到非常高的精度，是文中所述通信和控制电路的核心。

2 电路设计

作为感应测井仪的井下通信与控制的核心，所有地面发送到井下仪器的命令以及来自仪器的响应都是由该电路进行控制的。同时采集仪器的各种辅助数据，处理和编码后上传地面系统。地面向井下发送的命令是由仪器数据传输协议指定的，都是长度为16位的二进制数，共有19条，包括：数据传送命令、复位命令、

仪器工作状态命令以及恢复状态命令。地面系统和井下仪器的通信使用测井电缆实现，电缆由7根缆芯组成，缆芯7在中央，缆芯1到6排列在外围，并且选择一种合适的排列方式以减少电缆传输信号的缆芯间干扰，避免信号的畸变。根据感应测井系统的要求，电缆遥测通讯系统的设计必须满足以下几个参数：1）此通讯系统的数据传输速率为21.33kb/s；2）电缆数据传输采用半双工方式，分时传送上行数据和下行命令；3）下行命令占用时间为2ms，上行数据占用时间为26ms；4）上行长帧为26×20位，下行长帧为2×20位，在每次传输时，上行和下行帧数及时序不能改变；5）用曼彻斯特码传输；6）采用多项式：G（X）=X16+X15+X2+1对数据进行CRC校验。

此通信和控制系统的核心是FPGA及其外围电路设计。本文中FPGA采用Xilinx公司的XC4010，其外围主要由：采用10.24Mhz外部系统时钟源；EPROM芯片使用Xilinx公司的XC18V512，存储空间为512Kb；Manchester编译码器，采用曼彻斯特码编码解码专用芯片HD-15530，此芯片为告诉CMOS器件，分为两部分，一个是编码，另一个是解码，除了复位功能，两部分独立工作；还与DSP连接进行数据交换。其外围结构框图如图1所示。

图1 FPGA及其外围框图

在感应测井系统中，所有井下仪器都处于被动受控制的地位，即井下仪器的工作状态由地面系统来决定。地面系统按照一定的时序，通过一系列指令来控制井下所有仪器。地面系统将指令发送给井下CPU控制板后，CPU控制板对所接收到的指令进行译码，指令的格式以及含义必须在通信协议中有明确的约定。地面向井下发送的命令包括：数据传输命令、复位命令、仪器工作状态命令以及恢复状态命令。下面对各命令加以说明：

（1）数据传输命令（data communication command）

地面向井下仪器发送数据传输命令，井下仪器接收到此命令，就向地面连续发送一组按顺序排列的数据。

（2）复位命令（reset command）

对井下仪器中的DSP系统清零和数据采集系统初始化。调试过程中，若出现系统工作混乱，和数据传输错误时，可用软件复位。

（3）仪器工作状态命令（state command）

仪器有16个工作状态，它是由8条状态控制线对模拟开关进行切换来实现状态控制的。通常仪器工作是按照一定的状态顺序，在16个状态连续循环运行。为了在调试过程中清楚仪器的某一工作状态的情况，必须使得仪器固定于某一特定的状态，此命令就是来完成此功能的。

（4）恢复状态命令（return command）

此命令是为了中止固定的某一工作状态，恢复到连续循环运行状态。

当井下CPU板接收到以上四种命令时，将对其进行相应的滤波译码处理后执行其要求。图2所示是硬件原理图。

图2 硬件原理框图

其工作原理如下：首先，在上电复位后等待上位机命令，当上位机命令通过电缆到达井下仪器通过通信接口电路后直接由FPGA接收，由于在电缆传输的过程中命令会出现很多的毛刺，所以必须先将其送入FPGA进行尖脉冲滤波。再送到曼码芯片HD-15530中进行解码，再次送回到FPGA判断指令类型并按照约定的协议响应命令。如果是数据传输命令，就给DSP发送中断信号。DSP响应中断，把数据通过并口送到FPGA进行并/串转换，然后将串行数据再送给HD-15530进行编码，编码后的数据通过电缆传到地面系统的接口电路，接口电路先进行解码，然后再传给计算机进行地面数据处理。

井下通信系统的主要功能是接收地面下行的曼彻斯特码命令，并把20位的曼彻斯特码译码成16位的二进制码。同时把井下16位的二进制数据经曼彻斯特编码由电缆上传至地面。20位曼彻斯特码的前3位是同步位，同步码有两种类型，数据同步和命令同步，分别定义为：前3位中心为上升沿为数据同步，下降沿为命令同步。中间16位数据以及最后1位CRC校验位。

2.1 曼彻斯特码

在石油测井的电缆遥测通讯系统的电缆中采用曼彻斯特码，可以减小干扰增加数据的稳定性。曼彻斯特码又称分相马，是一种用电平跳变来表示1或0的编码。在曼彻斯特编码中，每一位的中间有一跳变，位中间的跳变既作时钟信号，又作数据信号；从低到高跳变表示"0"，从高到低跳变表示"1"，且为双极性不归零脉冲。编码波形如图3所示。这种码型的优点是：因为正负电平出现的概率相等，无直流分量和低频分量，主要能量集中在通频带中段。这个码型的不足之处是传输速率加倍，要求信道传输带宽加倍。在以太本地数据网中采用该码型作为传输码型，最高信息速率可达10Mb/s。

图3 曼彻斯特编码

2.2 数据采集和控制

感应和聚焦接收到的信号的采集都是由FPGA控制实现的。A/D转换器作为数据采集模块的核心单元，由FPGA产生的启动信号控制，即给A/D转换芯片一个启动信号至引脚。而且ADC的引脚在转换过程中输出低电平到FPGA，所以FPGA在其转换过程中不会对它进行其它操作，直至转换完成置高。随后，FPGA将从ADC读取采样信号，并给DSP发送一个中断信号，通知DSP将数据读进并处理。从而完成测井数据采集与通信控制模块的通信。

图4 软件流程图

3 软件设计流程

通信控制模块软件的流程图如图4所示。其具体工作流程如下：通信控制系统上电初始化，等待接收地面系统的下行命令；当接收到地面的命令后进入命令解释的软件设计中，判断指令类型；接收到16个工作状态命令的其中一条时， 仪器固定工作于这一状态；接收到状态复位命令时，仪器中止某一工作状态，恢复到连续循环运行状态；接收到数据传输命令则发送一个中断给DSP，然后FPGA将DSP中处理过的数据通过并口读取并缓存，再将此数据并转串输出到编码芯片；接收到复位命令时，仪器使DSP系统复位并初始化数据采集系统。

4 结论

此设计完成后要与仪器其它模块连接调试，测试内容包括：地面应用程序发送下行数据，通过地面电路板和测井电缆的传输后，在井下信号处理模块读取接收数据，和发送数据对照以验证传输准确性；井下仪器上传数据，在计算机上读取接收结果。

如图5所示，示波器的通道1，2测量的是地面电路板上HD15530的SEND DATA和SERIAL DATA IN管脚的输出信号，通道3，4测量的是井下电路板上HD15530的TAKE DATA和SERIAL DATA OUT管脚的输出信号。由图中可以看出，井下接收到的数据和地面发送的数据完全相符。

感应测井仪是由我国自主研制的一种新型测井仪器，具有广泛的应用前景。本文针对实际测井的环境特点，设计了基于FPGA的控制与通信电路。该电路能对感应测井进行可靠的控制，能够使井下CPU板和上位机进行稳定的通信，性能达到设计指标，满足实际生产作业的需要。

图 5

[1] 冯启宁，郑学新.测井仪器原理—电法测井仪器[M].东营：中国石油大学出版社，1991.

[2] 张庚骥.电法测井[M].东营：中国石油大学出版社，2003.

[3] 张国庆.计算机网络技术与实践[M].北京：清华大学出版社，2009.

[4] 李利品，李淑霞.FPGA在高分辨感应测井仪中的应用[J].西安石油学院学报（自然科学版），2003：Vol 18.

[5] 鞠晓东，李会银.基于CPLD的曼彻斯特码高速传输系统设计 [J].石油大学学报，2003，27（4）：37-40.

[6] 马彦宇，师奕兵.双频感应井下仪器通信设计[J].中国测试，2010，Vol 36.

[7] 汤小松.感应与数字球形聚焦测井系统研究[C].2009.

[8] 刘蔚.高分辨率感应测井仪地面系统研究[C].2008