CN113784341B - 一种用于测井仪器与5g网络兼容的数据转接卡及测井数据共享系统 - Google Patents
一种用于测井仪器与5g网络兼容的数据转接卡及测井数据共享系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于测井仪器与5G网络兼容的数据转接卡，包括主控FPGA以及分别与主控FPGA连接的光纤接口、电气接口、PCIe接口和5G无线网络接口，所述主控FPGA包括：接口IP管理模块，数据缓存模块，数据切片模块，切片包装模块，DES加密模块，资源管理和分配模块。该数据转接卡实现仪器接口与5G网络的协议兼容与电气匹配，对仪器数据进行封装、加密、编码然后利用5G移动网络实现远程共享，实现远程数据终端对测井数据的实时分析与处理，降低了人力资源成本以及降低了生产周期。
Description
技术领域
本发明属于石油测井领域，具体涉及一种用于测井仪器与5G网络兼容的数据转接卡及测井数据共享系统。
背景技术
石油测井技术是指利用测井仪器获取地层介质信息，将测井仪器采集的大量传感数据通过电缆或者光纤传输到地面进行分析从而得到钻井的地质剖面，并以此来判断钻井的质量。由于测井的专业性较高，仪器生产、仪器下井、数据采集与数据分析都需要专业人员进行操作，完成一次测井需要的人力与物力资源都比较多，经常会出现因人手资源紧张而导致生产周期加长的问题。因此，如何提高信息共享与远程测试能力就显得尤为关键。
目前测井的数据一般会存储在井下仪器，当结束测井后从井下取出仪器，拿出存储芯片带回基地或者公司进行读取分析，这样测井来回的周期较长，影响了效率。随着高速总线技术的飞速发展，测井仪器可以通过电缆或者光纤传到地面，便于工程师在现场分析数据，由于有时候分析数据的工程师未来到现场，同样需要将数据存储带回。为了进一步提高测井效率，本发明可以将实时采集的数据经过重新封装加密编码转换成5G网络数据，并经过移动网络传给远程终端以便专家进行实时分析，可以大大节省测试周期与人力成本；而且5G移动网络能够兼容2G、3G与4G网络，只要在有移动基站的情况下，都可以适用。此外，由于测井的数据具有较高的行业价值，属于内部资料，因此需要对其采取严格的保密措施，数据加密是解决该问题的一个有效措施。
发明内容
为了解决在石油测井过程中传感数据因共享不便而导致生产周期长的问题，本发明提出了一款可以实现测井仪器接口与5G无线传输网络兼容的数据转接卡，以便满足测井工作人员能够通过5G移动网络远程实时监测井下仪器状态与及时处理仪器数据获取地层介质信息。
本发明技术方案如下：
一种用于测井仪器与5G网络兼容的数据转接卡，包括主控FPGA以及分别与主控FPGA连接的光纤接口、电气接口、PCIe接口和5G无线网络接口，
所述主控FPGA包括：
接口IP管理模块，用于对所述光纤接口、电缆接口、PCIe接口和5G无线网络接口进行管理，保证各个接口之间不发生冲突；
数据缓存模块，用于处理仪器数据，通过仪器的数据标志对仪器进行校验、拆解并缓存到各个带有ID号的缓存区内；
数据切片模块，用于将仪器数据进行拆解，形成数据片；
切片包装模块，用于将所述数据片打包，便于远程终端的拼接；
DES加密模块，用于对数据包进行加密；
资源管理和分配模块，用于将加密的数据包按次序分配到5G无线网络接口不同的载波和时间槽上。
进一步地，所述光纤接口由HFCT-53D3和TLK2711构成，所述HFCT-53D3用于光电信号之间的转换，并将转换后的差分电信号发送给TLK2711芯片进行解码，TLK2711芯片将串行差分电信号转换成16位并行数据，同时支持8B/10B编码。
进一步地，所述电气接口由RJ45和RTL8211构成，所述RJ45将曼彻斯特电平信号发送给RTL8211，进行调制解调，转换成对应的以太网数据帧。
进一步地，将所述PCIe接口与计算机主板的PCIe接口卡槽卡接，现场工作人员有选择性地将数据共享到远程数据终端上或/和修改数据加密算法的参数。
进一步地，所述接口IP管理模块监测各个接口IP的读使能标志，在接口有有效数据进入时改变读使能标志位的信号，将正常工作的接口与所述数据缓存模块进行对接，其他接口处于关闭状态。
进一步地，所述主控FPGA还包括双端口RAM，用于对所述光纤接口和所述电气接口的数据进行调节，具体包括以下步骤：
(1)提取数据，所述数据包含帧前导、帧起始符、MAC地址、数据类型/长度、数据字段和校验字段，其中数据字段是独立的数据包，包括有标识符、传感器信息、数据序列号、传感数据长度、传感数据与校验字；
(2)数据写入，所述数据字段的数据按照8位并行的方式从标识符开始到校验字结束的顺序依次写入RAM中，写入时钟为40MHz，写入协议采用SPI协议；
(3)数据读出，所述数据在写入的同时被读出到数据缓存模块中重新分装成数据片，以满足及时加密与快速传输，读出接口速率设置48.125MHz，读出协议采用SPI协议。
进一步地，所述对数据包进行加密，具体为：将所述数据包的明文数据按照64位进行分组并编号，形成明文组存于缓存内，并按照数据流传输的顺序依次加密：
(1)输入一组64位明文数据，进行初始置换IP，根据约定交换各位数据的位置；
(2)完成初始置换IP后，明文数据被分为左右两个部分，每个部分32位，以L0、R0表示；
(3)在密钥的控制下，明文数据和密钥相互进行16轮完全相同的运算，每一轮运算后，结果和左半部分进行一次异或形成新的右半部分数据，原来的右半部分会成为新的左半部分；
(4)左右部分交换之后，重新连接在一起，并进行逆置换；
(5)输出64位密文；
(6)重新输入新的一组明文数据，重复以上操作。
进一步地，所述将加密的数据包按次序分配到5G无线网络接口不同的载波和时间槽上，具体为：
(1)完成5G无线网络接口的初始化配置，采用串口工具对接口的基本参数进行设置；
(2)根据确定需要发送数据的大小，计算需要5G网络的资源，对5G无线网络接口对应的基带控制器以及射频电路进行配置；
(3)将数据按次序写入NAND Flash中，通过使能引脚唤醒芯片的发送功能，相关的数据自动分配到不同的资源块中并发送到基站。
一种测井数据共享系统，包括仪器地面终端、仪器井下终端、远程数据终端、仪器数据总线、5G无线网络，所述仪器地面终端采集地层信息，将所述地层信息通过仪器数据总线发送到仪器地面终端；所述仪器地面终端安装有上述用于测井仪器与5G网络兼容的数据转接卡，实现数据的现场处理或转换成5G数据包后转发至所述5G无线网络，在所述远程数据终端进行存储和处理。
相对于现有技术，本发明的有益效果：
(1)本发明实现仪器接口与5G网络的协议兼容与电气匹配，对仪器数据进行封装、加密、编码然后利用5G移动网络实现远程共享，实现远程数据终端对测井数据的实时分析与处理，降低了人力资源成本以及降低了生产周期。
(2)本发明的数据转接卡支持多种测井仪器的接口，能够完成多个仪器的同时在线，能够极大提高工作效率，节约生产周期。
(3)本发明的数据转接卡设置有DES加密模块，配合数据切片、包装模块以及资源管理和分配模块，实现了数据的加密传输，提高了数据的安全性。
附图说明
图1是石油测井数据共享工作示意图。
图2是数据转接卡布局。
图3是数据卡主要芯片连接关系图。
图4是数据转接卡内部逻辑。
图5是数据转接卡内部数据格式转换与资源分配示意。
具体实施例
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
图1所示是石油测井数据远程共享的工作示意图。测井数据共享系统包括仪器地面终端、仪器井下终端、远程数据终端、仪器数据总线与无线网络等。仪器地面终端是仪器数据总线的地面端，也是测井数据共享系统无线网络的现场端，是将井下数据在地面进行初级处理，封装加密编码，然后通过5G无线网络传给远程数据终端。仪器井下终端是测井仪器工作端，负责采集地层信息，并将数据打包发送到地面。远程数据终端是该系统的目的端，用于接收各个生产井的现场实时数据，并经过分析处理，给出结论以用于现场的生产指导。仪器数据总线与无线网络分别是仪器井下终端和仪器地面终端、仪器地面终端和远程数据终端之间的数据通道。
测井仪器被安装在生产井下面时会由工程车进行控制与供电。仪器井下终端在接到测试开始的指令后会通过电缆或光线向地面终端传输数据。在地面终端，数据既可以现场进行处理，还可以通过转接卡转换成5G数据包后由工程车的5G发送端转发到5G无线网络中，最后在远程数据终端进行存储和处理。在这个数据共享的网络系统中，仪器与5G网络的数据转接卡是实现两个不同网络之间数据无缝衔接的桥梁。
图2和图3所示分别是该数据转接卡的布局以及主要芯片的连接关系。数据转接卡包括一块进行逻辑控制与数据管理的FPGA、由HFCT-53D3和TLK2711构成的与仪器连接的光纤接口、由RJ45和RTL8211构成的电气接口、与计算机连接的PCIe接口以及用于与5G网络连接的无线网络接口。
由于井下仪器与地面终端之间传输数据的可能是光纤，也有可能是电缆，二者采用的数据传输协议和连接器件的物理特性都存在差别，因此为了提高数据转接卡的通用性，同时设置了光纤接口和电气接口。考虑到目前国内大部分测井仪器都可以兼容以太网协议，因此该数据转接卡分别采用了光纤以太网接口和电气以太网接口。由于光纤以太网和电气以太网的编码方式不一致，其中光纤以太网采用8B/10B编码，而电气以太网采用曼彻斯特编码，这就意味两种接口需要采用不同的PHY(物理层芯片)对光、电信号进行调制解调。HFCT-53D3用于光电信号之间的转换，并将转换后的差分电信号发送给TLK2711芯片进行解码，TLK2711芯片支持将串行差分电信号转换成16位并行数据，同时支持8B/10B编码。考虑到TLK2711不支持以太网的MAC协议，因此相关的协议与指令均通过FPGA的逻辑语言实现。RJ45是标准的以太网电气接口，将曼彻斯特电平信号发送给RTL8211，由其进行调制解调，转换成对应的以太网数据帧。
在数据转接卡正常供电的情况下，与测井仪器的地面终端连接的电缆或者光纤接头可以直接与数据转接卡连接并工作，此时仪器的控制指令是由远程终端下达，所有的数据都由数据转接卡进行转发，可以实现远程终端与仪器的直接对话。如果现场工作人员需要对仪器进行控制与处理数据，此时可以将数据转接卡直接插在计算机主板上PCIe接口卡槽内，仪器与数据转接卡需要再经过计算机进行转发，现场的工作人员可以有选择性地将数据共享到远程数据终端上。另外，PCIe接口的另外一个作用是可以便于工作人员修改数据加密算法的参数，便于对数据进行加密。5G无线接口采用华为5G Balong 5000芯片(或以该芯片集成的MH5000-31模块)，通过FPGA对接口芯片Balong 5000(或MH5000-31模块)的控制与数据读写，实现数据的5G网络传输。
图4是数据转接卡中FPGA的内部逻辑，是转接卡实现协议兼容与数据转发的关键。本发明在FPGA中集成了多个接口IP、管理模块、加密模块、数据缓存模块、数据切片模块、切片包装模块、资源管理和分配模块。对于光纤接口IP、电气接口IP与PCIe接口IP，由于在数据转接卡工作时只有其中一个接口正常运行，其他两个都处于空闲状态，因此本发明采用了一个接口IP管理模块对各个接口进行管理，保证各个接口之间不发生冲突。接口IP管理模块会监测各个接口IP的读使能标志，在接口有有效数据进入的时候会改变读使能标志位的信号，这时接口管理芯片就会使正常工作的接口与数据缓存模块进行对接，其他接口则处于关闭状态。考虑到仪器中各个接口的数据传输速率存在差异，即各个接口的管理时钟与数据读写速率不一致，为了避免缓存内数据出现堆积或者接口阻塞，本发明在各个接口之间分别采用了一个双端口RAM来对数据进行调节。具体操作步骤如下：1)提取数据。在写入RAM之前，需要剔除无关信息只保留仪器的数据字段。无论是光纤接口还是电气接口，井下上传的数据都是一个个标准的以太网帧，包含帧前导、帧起始符、MAC地址、数据类型/长度、数据字段和校验字段等，其中数据字段是一个独立的数据包，包括有标识符(1字节)、传感器信息(4字节)、数据序列号(1字节)、传感数据长度(1字节)、传感数据(2048字节)与校验字(1字节)。2)数据写入。数据字段的数据会按照8位并行的方式从标识符开始到校验字结束的顺序依次写入RAM中，其中写入时钟为40MHz，写入协议采用SPI协议。3)数据读出。RAM的数据在写入的同时会被读出到缓存模块中重新分装成数据片，以满足及时加密与快速传输的目的。其中读出接口速率设置48.125MHz，读出协议也是采用SPI协议。
数据缓存模块用来处理双端口RAM读出的仪器数据，通过仪器的数据标志对仪器进行校验、拆解并缓存到各个带有ID号的缓存区内。数据切片模块用于将仪器数据进行拆解，形成数据片，拆解完的各个数据片通过切片包装模块进一步打包，以便于在远程终端能够拼接成功。这些数据片包具有固定的长度，是64位的整数倍，这是因为数据加密对数据大小有严格的规定。由于数据共享会使得数据公开，既不安全还会造成经济损失，因此在进行数据共享时还需要对数据进行加密。本发明采用DES(Data Encryption Standard)加密模块进行数据包加密，使用同一个密钥加密和解密数据，因此只要在仪器的地面终端与远程终端协调好采用一致的密钥就可以实现数据的安全传输。DES还是一种分组加密算法，该算法每次处理固定长度的数据段，称之为分组。DES分组的大小是64位，如果加密的数据长度不是64位的倍数，可以按照某种具体的规则来填充位。采用DES加密算法的原因有两个：一是DES算法的计算大部分是位操作和加法操作，通过FPGA实现更为方便；二是经DES算法加密的数据都是固定长度，这样有利于与5G网络切片资源的一一映射，而不需要在5G网络中再一次对数据分割打包成具有固定长度的数据片。由于DES算法是在FPGA内部实现的，需要通过外部接口配置密钥，为此该数据转接卡提供了PCIe接口。DES加密算法的密钥是一个64位的二进制序列，包含一个56位的密钥和一个8位的奇偶校验位(每组的第8位作为奇偶校验位)，由于PCIe接口还会有仪器的数据读入，为了区分密钥和数据，密钥和数据前都另加有一个16位的标识字符(本发明中采用“55AA”作为数据字符标识，“33DD”作为密钥字符标识)。PCIe接口上读使能信号用来唤起FPGA读写的功能，并在拉高后发送数据，因此FPGA会在读使能信号拉高后开始判断标识字符，然后才对后面的数据进行操作。如果是传感数据，就会写入到数据缓存内，如果是密钥数据，就会写入DES加密模块的密钥缓存内。
DES工作模式包括加密(针对发送方)与解密(针对接收方)两部分，发送方和接收方共同协商同一组密钥，用于双方对数据进行加密与解密。该数据转接卡对数据进行加密并上传给远程终端，并解密远程终端发送过来的控制指令。当模式为加密模式时，所有的明文数据按照64位进行分组并编号，形成明文组存于缓存内，并按照数据流传输的顺序依次加密：
1)输入一组明文组(64位明文数据)，并进行初始置换IP，即根据约定交换各位数据的位置，比如第1位数据与第40位数据进行交换，第2位数据与第61位数据交换位置；
2)完成初始置换IP后，明文数据会被分为左右两个部分，每个部分32位，以L0、R0表示；
3)在密钥的控制下，明文数据和密钥会相互进行16轮完全相同的运算(包括异或、移位、代换、置换四种基本运算)。每一轮运算后，其结果和左半部分进行一次异或形成新的右半部分数据，原来的右半部分会成为新的左半部分；
4)左右部分交换之后，会重新连接在一起，并进行逆置换；
5)输出64位密文；
6)重新输入新的一组明文组，重复以上操作。
当模式是解密时，只需对每64位密文进行相应的逆操作即可。
为了提高加密的效率，本发明提出的加密模块能同时支持多个数据片的加密，即同一组DES密钥可以被多个数据片同时使用。因为每个数据片都有特定的ID号，即使当数据片加密后顺序被打乱也能够根据ID号重新排序。加完密的数据片会被资源管理模块分配到5G接口不同的载波和时间槽上。5G移动网络支持频分复用和时分复用，对应网络资源的单位为一个资源块。一个资源块由十二个子载波构成，每个子载波由无数个帧组成，每个帧的时间长度为10ms，且分为10个子帧，每个子帧又根据子载波间隔分为1、2、4、8、16个时间槽。由于5G的吞吐量在每秒几百兆甚至几个吉比特，对于测井数据而言，其资源远远足够。因此数据转接卡中的资源管理模块只是静态地将各个数据片按次序分配到可以利用的载波和时间槽上，并不需要动态的网络资源管理。具体的数据转换与资源分配见图5，在此过程中，首先需要完成5G无线网络接口的初始化配置，即采用串口工具对接口的基本参数进行设置，包括通道数、带宽分配、编解码方式、ID分配等；然后，根据确定需要发送数据的大小，计算需要5G网络的资源，包括上行带宽、天线数量、载波频率等；接着对5G无线网络接口对应的基带控制器以及射频电路进行配置；最后将数据按次序写入NAND Flash中，并通过使能引脚唤醒芯片的发送功能，相关的数据便能够自动分配到不同的资源块中并发送到基站。
以上所述仅为本发明的具体实施方式，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种用于测井仪器与5G网络兼容的数据转接卡，其特征在于，包括主控FPGA以及分别与主控FPGA连接的光纤接口、电气接口、PCIe接口和5G无线网络接口，
所述主控FPGA包括：
接口IP管理模块，用于对所述光纤接口、电气接口、PCIe接口和5G无线网络接口进行管理，保证各个接口之间不发生冲突；
数据缓存模块，用于处理仪器数据，通过仪器的数据标志对仪器进行校验，并对所述仪器数据拆解并缓存到各个带有ID号的缓存区内；
数据切片模块，用于将所述缓存区的仪器数据进行拆解，形成数据片；
切片包装模块，用于将所述数据片打包，便于远程终端的拼接；
DES加密模块，用于对数据包进行加密；
资源管理和分配模块，用于将加密的数据包按次序分配到5G无线网络接口不同的载波和时间槽上；
所述光纤接口由HFCT-53D3和TLK2711构成，所述HFCT-53D3用于光电信号之间的转换，并将转换后的差分电信号发送给TLK2711芯片进行解码，TLK2711芯片将串行差分电信号转换成16位并行数据，同时支持8B/10B编码；
所述电气接口由RJ45和RTL8211构成，所述RJ45将曼彻斯特电平信号发送给RTL8211，进行调制解调，转换成对应的以太网数据帧；
将所述PCIe接口与计算机主板的PCIe接口卡槽卡接，现场工作人员有选择性地将数据共享到远程终端上或/和修改数据加密算法的参数；
所述接口IP管理模块监测各个接口IP的读使能标志，在接口有有效数据进入时改变读使能标志位的信号，将正常工作的接口与所述数据缓存模块进行对接，其他接口处于关闭状态；
所述主控FPGA还包括双端口RAM，用于对各个接口的数据进行调节，具体包括以下步骤：
（1）提取数据，所述数据包含帧前导、帧起始符、MAC地址、数据类型、数据长度、数据字段和校验字段，其中数据字段是独立的数据包，包括有标识符、传感器信息、数据序列号、传感数据长度、传感数据与校验字；
（2）数据写入，所述数据字段的数据按照8位并行的方式从标识符开始到校验字结束的顺序依次写入RAM中，写入时钟为40MHz，写入协议采用SPI协议；
（3）数据读出，所述数据在写入的同时被读出到数据缓存模块中重新分装成数据片，以满足及时加密与快速传输，读出接口速率设置48.125MHz，读出协议采用SPI协议；
所述将加密的数据包按次序分配到5G无线网络接口不同的载波和时间槽上，具体为：
（1）完成5G无线网络接口的初始化配置，采用串口工具对接口的基本参数进行设置；
（2）根据确定需要发送数据包的大小，计算需要5G网络的资源，对5G无线网络接口对应的基带控制器以及射频电路进行配置；
（3）将数据包按次序写入NAND Flash中，通过使能引脚唤醒5G无线网络接口的发送功能，相关的数据包自动分配到不同的资源块中并发送到基站。
2.根据权利要求1所述的数据转接卡，其特征在于，所述对数据包进行加密，具体为：将所述数据包的明文数据按照64位进行分组并编号，形成明文组存于缓存区内，并按照数据流传输的顺序依次加密：
（1）输入一组64位明文数据，进行初始置换IP，根据约定交换各位数据的位置；
（2）完成初始置换IP后，明文数据被分为左右两个部分，每个部分32位，以L0、R0表示；
（3）在密钥的控制下，明文数据和密钥相互进行16轮完全相同的运算，每一轮运算后，结果和左半部分进行一次异或形成新的右半部分数据，原来的右半部分成为新的左半部分；
（4）左右部分交换之后，重新连接在一起，并进行逆置换；
（5）输出64位密文；
（6）重新输入新的一组明文数据，重复以上操作。
3.一种测井数据共享系统，其特征在于，包括仪器地面终端、仪器井下终端、远程终端、仪器数据总线、5G无线网络，所述仪器地面终端采集地层信息，将所述地层信息通过仪器数据总线发送到仪器地面终端；所述仪器地面终端安装有如权利要求1或2所述的用于测井仪器与5G网络兼容的数据转接卡，实现数据的现场处理或转换成5G数据包后转发至所述5G无线网络，在所述远程终端进行存储和处理。
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