CN102619501A - 一种石油测井仪中的数据传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种石油测井仪中的数据传输系统，井下采集板通过CAN总线与井下遥测板连接，井下遥测板与地面通讯板通过变压器耦合传输方式连接。本发明设计中，将具有国际标准的现场CAN总线通讯协议，应用于井下采集板间的数据通讯，保证了通讯具有极好的检错效果和极低的出错率。采用多主的工作方式，实现了广播和分布多种通讯方式，通讯速率高。

Description

一种石油测井仪中的数据传输系统

技术领域

本发明涉及石油测井仪，尤其涉及一种石油测井仪中的数据传输系统。

背景技术

在石油测井仪器中，井下电路间的数据交互多采用RS232、RS485、SPI通讯方式实现。上述通讯方式数据传输中缺乏完善的通讯校正机制，传输的准确性不高，且通讯速率普遍降低。

在油田测井电缆数据传输中，很多种仪器都采用曼彻斯特码将所采集的大量信息传送给地面测井系统。曼彻斯特编码是串行数据传输的一种重要的编码方式，具有很好的抗干扰性能，通常情况下通过HD15530曼彻斯特码编译码器来实现。由于国外HD15530生产厂家限产，国内该芯片价格昂贵，致使目前测井仪器制造和维护成本增加，另外，采用专用曼码解码芯片的系统，存在系统功能单一、集成度不高，功耗较大，兼容性较差等缺点。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种石油测井仪中的数据传输系统。

本发明提供了一种石油测井仪中的数据传输系统，井下采集板通过CAN总线与井下遥测板连接，井下遥测板与地面通讯板通过变压器耦合传输方式连接。

在一个示例中，井下采集板与井下遥测板设置有CAN隔离与驱动模块。

在一个示例中，CAN隔离与驱动模块包括顺次连接的TMS320F2812芯片、ADuM1201芯片以及PCA82C250芯片，PCA82C250芯片接入CAN总线。

在一个示例中，井下遥测板包括数据处理模块，编码处理模块，解码处理模块，调制解调电路模块和通讯总线变压器，数据处理模块、编码处理模块和解码处理模块由DSP芯片实现，调制解调电路模块分别与DSP芯片和通讯总线变压器连接，通讯总线变压器接入MIL-STD-1553B数据总线。

在一个示例中，地面通讯板还通过USB接口与个人电脑连接。

在一个示例中，地面通讯板包括EZ-USBFX2芯片，EZ-USBFX2芯片与Acex1K30芯片连接。

在一个示例中，ADuM1201芯片使用的两组电源通过DC-DC电路隔离。

在一个示例中，MIL-STD-1553B数据总线协议采用曼彻斯特码。

在一个示例中，编码处理模块和解码处理模块用于完成数据的发送和接收、数据的串并和并串转换、同步头的产生与检测、地址识别以及错误检测。

在一个示例中，如果帧同步头的前1.5位和后1.5位极性相反，则判定紧跟的两个半位曼切斯特码的极性是否相同，如果不同则这两个半位曼切斯特码后面的跟的是数据码，否则丢弃同步头的前1.5位，并重新检测同步头。

本发明设计中，将具有国际标准的现场CAN总线通讯协议，应用于井下采集板间的数据通讯，保证了通讯具有极好的检错效果和极低的出错率。采用多主的工作方式，实现了广播和分布多种通讯方式，通讯速率高。

本发明介绍一种基于TMS320F2812 DSP芯片，通过软件编程实现对MIL-STD-1553B数据总线协议的Manchester编码格式编码和解码的方法。可以取代专用的曼彻斯特码编解码芯片HD15530，降低了仪器制造和维护成本，提高了系统可靠性。在硬件不变的条件下，通过软件设置，可与各种曼码遥测短节实现通讯接口，具有较好的兼容性。地面遥测与计算机间用USB接口实现，便于设备与计算机的接口，提高数据传输速度。设计方案满足油田井下数据通讯实际。

附图说明

下面结合附图来对本发明作进一步详细说明，其中：

图1是石油测井仪中的数据传输系统结构示意图；

图2是井下通信中的隔离示意图；

图3是井下遥测板结构示意图；

图4a和图4b是曼彻斯特编码波形图；

图5a-图5f是曼切斯特编码信息帧同步头波形图；

图6是信息帧同步头分解图；

图7a-图7d是总线数据译码波形图；

图8是FX2与FPGA的硬件连接示意图。

具体实施方式

石油测井仪电路结构分为井上和井下两大部分，井上部分主要包括地面通讯系统，供电系统以及上位机操作软件，井下部分主要包括数据采集模块，井下遥测通讯模块以及电源转换模块。

测井仪的数据传输包括井下数据采集模块间的数据通讯、井下通讯模块与地面遥测系统间通讯及地面系统与PC机通讯三部分组成。本发明提出的通讯解决方案是：井下遥测板与数据采集板之间通过CAN总线结构，采用主从分布式测控系统。井下遥测板与地面通讯部分采用变压器耦合传输方式，将井下数据传输到地面接收系统。地面系统与PC机间选择USB接口通讯实现。如图1所示。

CAN总线是到目前为止唯一有国际标准的现场总线，具有突出的灵活性、可靠性和实时性。其特点：直接传输距离最远可达到10km；通讯最高速率可达到1Mbps；采用多主的工作方式，通过对报文的标志符滤波可实现点对点、一点对多点及全局广播等多种数据通讯方式；采用非破坏的总线仲裁技术；报文采用短帧结构，受干扰率极低；每帧信息都有CRC校验，具有极好的检错效果和极低的出错率。

常规井下数据采集及通信一般选择RS485、RS232协议实现，在本发明中，为保证数据的可靠传输和高速的传输效率，选择现场通讯总线CAN协议模式完成井下采集板间的数据通信。其中，井下通讯板为CAN网络主控设备，各个采集点作为CAN节点，采用广播式下传上位机命令，各个节点可以选择相同ID号，同步接收由地面系统下传的命令。采用分布式接收采集接收机采集数据，通过配置不同的ID号，可以实现分时不同CAN节点与主机间的数据传输。主从分布构建测控系统的网络拓扑结构。各个站点采用有线连接，平衡传输方式。

在CAN总线智能节点电路的设计中，采用TMS320F2812作为微处理器，该芯片是32位定点型DSP芯片，片上集成ECAN解码电路模块。ECAN模块是增强型CAN控制器，是TI公司新一代32位高级CAN控制器，性能相当于TI公司TMS470系列微控制器使用的高端CAN控制器(HECC，High-end CANController)。它完全兼容CAN2.0B协议，可以在有干扰的环境里使用上述协议与其他控制器串行通信。采用TMS320F2812中集成了CAN总线控制器TMS470。

电路设计中的PCA82C250是CAN控制器与总线之间的物理接口，它可以提供对总线的差动发送能力和对CAN控制器的差动接收能力，抗干扰能力强。内设限流电路可防止发送输出级对电源、地或负载的短路。另外，使用PCA82C250可以增长通信距离，提高系统的瞬间抗干扰能力，如图2所示。

应用ADuM1201实现了CAN总线节点与控制机DSP之间的电气隔离。ADuM1201是ADI公司推出的新产品，它在电气隔离上所采用技术是变压器隔离，通过使用晶片级制造工艺直接在芯片上制造iCouple变压器，取代常规光电耦合器。采用双转化通道，两通道方向相反的特殊结构，非常适合于CAN总线信号的传输，大大简化了系统的硬件结构；同时，由1个隔离芯片代替以往的2个，大大增加了通道间的匹配程度，使系统获得更好的隔离性能。

电路设计中需要注意：ADuM1201的左侧电源端口VDD1、GND1与DSP芯片的DSP_3.3V和数字地VSS(DSP_GND)相连，另一组电源端VDD2、GND2与CAN总线电源的CAN_VCC和CAN_GND相连，两组电源通过DC-DC隔离，从而使得CAN总线控制器与CAN总线之间完全隔离。TMS320F2812的接收端CANRXA与ADuM1201的VOA端连接，TMS320F2812的发送端CANTXA与ADuM1201的VIB端连接，ADuM1201的VIA端与PCA82C250接收端RXD连接，ADuM1201的VOB端与PCA82C250发送端TXD连接，ADuM1201的CAN_H端和CAN_L端接入CAN总线。

曼彻斯特(Manchester)码又称数字双相码，由于其存在很强的定时分量，不存在直流分量，具有自同步能力和良好的抗干扰性能，被广泛应用于石油测井仪器中，实现井下采集系统和地面接收系统之间的数据通讯。本文介绍一种基于TMS320F2812 DSP芯片，实现对MIL-STD-1553B数据总线协议的Manchester编码格式编码和解码的方法，很好地解决了测井仪高速数据传输系统的可靠性。

如图所示，通信系统选用TMS320F2812芯片，它时TI公司最新推出的DSP芯片，是目前国际市场上最先进、功能最强大的32位定点DSP芯片，时钟频率能达到150MHz。它既具有数字信号处理能力，又具有强大的事件管理能力和嵌入式控制功能。

在系统中，DSP用于执行通讯协议，接收总线上的曼彻斯特编码的数据，按照规定的格式发送曼彻斯特II型编码的数据、状态或命令字，实现总线和终端的连接通道的接口功能，以及控制测井仪器通讯系统的地面部分。其中，曼彻斯特码编解码器采用DSP片上定时模块实现，用于完成数据的发送和接收、曼彻斯特码的调制与解调、数据的串并和并串转换、同步头的产生与检测、地址识别以及错误检测等功能。

基于MIL-STD-1553B编码格式的Manchester码其信息帧格式，每位占用时间1us，由20位组成。其1～3位为同步字头，用于表示帧类型，标识帧的开始。如果前1.5位为高电平，后1.5位为低电平时表示此帧为命令/状态字，前1.5位为低电平，后1.5位为高电平时表示为数据字，解码器也可利用同步字头提取位同步信息。其中4～19位为待编码数据，第20位为校验位，对4～19位进行奇偶校验。

整个曼彻斯特编码与解码的过程中，根据总线协议设计了以下几个模块：时钟模块Clk，数据移位寄存器Data，位计数寄存器Count，分频计数器Feq，奇偶检验位P。由于本地系统时钟Clk为数据传输率的150倍，所以在DSP中设置定时器来实现编解码所需的准确时钟，其时钟周期为数据位编解码周期的1/20。应用分频计数器Feq对时钟周期进行分频，计数到20则清零重新开始计数。前10个计数表示数据位的前0.5bit，后10个计数表示数据位的后0.5bit。

曼彻斯特码编码的过程是指DSP编码模块从DSP程序模块接收16位的数据、指令和状态字，并以1Mb曼彻斯特II型编码串行数据发送到总线。编码模块完成包括发送控制、同步数据编码、奇偶产生等功能，经过74ALVC164245完成电平变换后被送到通讯变压器模块。

根据总线协议，同步位的宽度应为三个数据位，如果信息帧为命令字，则前一个半位的波形为正，后一个半波形为负，如果信息帧为数据字，则与命令字波形相反，所以帧的同步头占用三位数据位，共60个时钟周期。前15个时钟周期为1(或0)，后15个时钟周期为0(或1)。位计数器的1～3表示同步位。

接着同步头之后就是数据字的编码，每个数据码元(一个bit)间隔的中点以下降沿代表数据“1”，上升沿代表数据“0”。移位寄存器的最低位表示当前待编码数据位，只能每20个时钟周期移位一次。位计数值为4～19且分频计数器Feq值为零的时候读入移位寄存器的最低位，输出相应的波形，分频计数器Feq值为10的时候对输出波形进行跳变，以产生相对应的跳变沿。当位计数器值累加到19时表明十八位数据完成编码。

奇偶校验位位于信息帧的第20位。在十八位数据编码结束之后，奇偶校验位已经根据移位寄存器的十八次移位数据计算出校验结果，根据校验结果输出相应的跳变波形。

图4a和图4b显示了曼彻斯特码波形。

曼彻斯特码解码的过程是DSP解码模块接收数据时，接收曼彻斯特编码的串行数据，实现同步头检出、数据检出、奇偶检测，将处理后的数据送入DSP程序模块进行分析。接收数据是采用采样判定的方法来实现的。即用计数器进行计数，在同一极性的情况下，计数到一个设定的值时确定半位曼彻斯特码的极性。不同极性的曼彻斯特码组合形成完整的信息帧。

同步头包括三位数据位，前1.5位与后1.5位极性相反。在实际的波形监测中得到以下六种信息帧的同步头，如图5a-图5f所示。

图5a-图5c表示命令帧的三种同步头，图5d-图5f表示数据帧的三种同步头。在波形监测中，如果只判断图5c和图5f波形不是帧的同步头，那就会丢失信息，也有可能造成对信息帧类型判断失误。

根据曼彻斯特码的码型特征可知，侦测同步头的关键是如何识别曼彻斯特码的前1.5位和后1.5反极性位。以上图5c为例，介绍问题的解决方法。

在图6中，Clk表示计数器溢出所产生的编码时钟，时钟周期是其十倍，曼彻斯特码至少包含三个1.5位的相邻极性相反的同步码。在编码时钟上对曼彻斯特码每半位进行标示。

第一步，当监测到图中的1、2、3半位相同极性的曼彻斯特码以及4、5、6半位反极性马氏时，初步判定它们为帧同步头的前1.5位和后1.5位，如果紧跟的两个半位曼彻斯特码极性不同，则说明其后面紧随的是数据码，符合曼彻斯特码编码协议，可以进行数据码的接收。但如果紧跟的两个半位曼彻斯特码极性相同，那么就不符合曼彻斯特码编码的规则了，如图中的7、8半位，一些编码芯片对其检测产生错误，造成数据丢失或数据错乱。在本设计中，遇到7、8半位相同的情况时，丢弃初始判断的前1.5位，把4、5、6半位重新设置位前1.5位

第二步，继续对第9半位进行检测。如果9与7、8极性不同的话，则退出此次同步头的假设，重新开始帧同步头前1.5位的检测。如果7、8、9半位极性相同，则4、5、6、7、8、9又组成了一个帧同步头，回到了第一步遇到的情况。再次检测10、11两个半位的极性，如果相反的话进入数据码接收，相同的话重新开始第二步。

第三步，在运行完以上两步之后，得到了信息帧的一个同步头，其后紧跟的数据码。根据同步头中前1.5位与后1.5位的极性，可以确定信息帧的类型。

在同步头检测到之后，之后紧接的就是数据码，任何两位数据的组合结果只有四种：00，01，10，11；从波形上看，它会出四种情况，如图7a-图7d所示。

由图7a-图7d可以看出，此时只可能有两种的波形宽度一个位和半个位宽度，所以由于计数的时钟是数据位编码的20倍，所以相应计数器的计数值的范围是8～12和18～22之间。所以，只要得到的数据位计数值满足以上两个宽度范围，则认为数据格式正确，接收的数据有效，完成了数据同步接收。

对每一帧数据，在接收完十六位数据之后，最后一位为奇偶校验值，如果数据接收过程没有出现差错，则数据的奇偶校验值与接收到的值相对应。

在批量数据传输的过程中，为了确保数据传输的可靠性，加入循环冗余校验算法，对串行数据进行差错检验。它是利用除法及余数的原理来作错误侦测(Error Detecting)的，校验检错能力强，容易实现，是目前应用最广的检错码编码方式之一。

循环冗余码校验法有两种校验方法，按位计算法和查表法。按位计算CRC虽然代码简单，所占用的内存比较少，但其最大的缺点就是位计算会占用处理器资源。而使用查表法，可生成16位CRC校验码表，数据运算量小，速度快。在本设计中，在DSP芯片具有足够的内存空间情况下，采用查表法来实现循环冗余码校验，以优化微处理芯片资源配置。以下数据就是数据校验完的结果：

0xAA 0xFE 0x03 0x55 0x40 0x00 0xE9 0x01 0x00 0x33 0x5A 0xA0 0x150x25；

0xAA 0xFE 0x03 0x56 0x80 0x00 0x0F 0x02 0x00 0x39 0x0A 0x50 0x6A0x CD；

以上两组数据中，前12个字节是数据，后面紧跟的2个字节为校验码，接收端在接收校验时，采用双方预先约定的生成多项式G(x)去除接收到的数据，进行计算，然后把计算结果和实际接收到的余数多项式数据进行比较，相同的话表示传输正确。

该基于DSP的曼切斯特编码设计已经成功应用于测井仪器地面系统，实现了地面系统和井下总线终端的通讯功能。

地面通讯板与PC机的通信采用USB接口实现。具体技术细节：

如图8所示，选择Cypress公司的EZ-USB FX2系列芯片是智能化的USB2.0接口芯片，它集成的USB收发器与USB总线的D+和D-引脚相连，可以接收来自主机(Host)的数据，也可以向主机发送数据。

设计中EZ-USB FX2芯片工作在从模式下，在这种模式下，对于外部逻辑(本设计的外部逻辑通过FPGA实现)来说，可以把FX2看成是一个FIFO，读写FIFO的时序由外部逻辑提供。

EZ-USB FX2芯片内8051单片机内核的数据总线、地址总线以及控制总线均连接到FPGA(Acex1K30)，可以通过对指定地址的读写实现与A/D有关的寄存器(这些寄存器在FPGA中实现)设置。EZ-USB FX2的接口部分的FLAG被分别设置为EP2和EP6端点FIFO的满标志和空标志，FPGA将通过查询这些标志来获得FX2片内的两个输出端点的Slave FIFO的存储状态，从而进行相关操作。RDY的时序由FPGA提供，来完成对自动输入模式下的EP6进行写操作。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，但本发明保护范围并不局限于此。任何本领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，均可对其进行适当的改变或变化，而这种改变或变化都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种石油测井仪中的数据传输系统，其特征在于，井下采集板通过CAN总线与井下遥测板连接，井下遥测板与地面通讯板通过变压器耦合传输方式连接。

2.如权利要求1所述的数据传输系统，其特征在于，井下采集板与井下遥测板设置有CAN隔离与驱动模块。

3.如权利要求2所述的数据传输系统，其特征在于，CAN隔离与驱动模块包括顺次连接的TMS320F2812芯片、ADuM1201芯片以及PCA82C250芯片，PCA82C250芯片接入CAN总线。

4.如权利要求2所述的数据传输系统，其特征在于，井下遥测板包括数据处理模块，编码处理模块，解码处理模块，调制解调电路模块和通讯总线变压器，数据处理模块、编码处理模块和解码处理模块由DSP芯片实现，调制解调电路模块分别与DSP芯片和通讯总线变压器连接，通讯总线变压器接入MIL-STD-1553B数据总线。

5.如权利要求2所述的数据传输系统，其特征在于，地面通讯板还通过USB接口与个人电脑连接。

6.如权利要求5所述的数据传输系统，其特征在于，地面通讯板包括EZ-USBFX2芯片，EZ-USBFX2芯片与Acex1K30芯片连接。

7.如权利要求5所述的数据传输系统，其特征在于，ADuM1201芯片使用的两组电源通过DC-DC电路隔离。

8.如权利要求5所述的数据传输系统，其特征在于，MIL-STD-1553B数据总线协议采用曼彻斯特码。

9.如权利要求8所述的数据传输系统，其特征在于，编码处理模块和解码处理模块用于完成数据的发送和接收、数据的串并和并串转换、同步头的产生与检测、地址识别以及错误检测。

10.如权利要求9所述的数据传输系统，其特征在于，如果帧同步头的前1.5位和后1.5位极性相反，则判定紧跟的两个半位曼切斯特码的极性是否相同，如果不同则这两个半位曼切斯特码后面的跟的是数据码，否则丢弃同步头的前1.5位，并重新检测帧同步头。

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