CN103618656A - 网络化测井井下仪器主从节点及其数据处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种网络化测井井下仪器主从节点，属于石油勘探领域，包括：主节点，用于接收并下发上位机发送的控制指令，通过向各从节点发送所述控制指令来请求数据；以及建立与维护井下网络连接；从节点，根据所述控制指令完成对测井数据的采集操作；井下交换电路，用于实现所述主节点与从节点的链接以及从节点间的无顺序级联。本发明还公开了一种网络化测井井下仪器主从节点间指令下发方法和一种网络化测井井下仪器主从节点间上传数据的方法。本发明采用基于TCP/IP面向连接的以太网协议，且网络通信速率为10Mbps/100Mbps两种，与传统总线通讯方式相比，在提高通讯的可靠性的基础上，提升了通讯速率。

Description

网络化测井井下仪器主从节点及其数据处理方法

技术领域

本发明涉及石油勘探领域，特别涉及网络化测井井下仪器主从节点及其数据处理方法。

背景技术

以太网技术是一种产生较早、使用相当广泛的局域网技术，最初是由Xerox公司研制而成，并且在1980年由DEC公司和Xerox公司的共同努力下，使之形成规范。后来，以太网被作为802.3标准为电气与电子工程师协会（IEEE）所采纳。

以太网技术从传输速率上来讲，可以分为10Mbps标准以太网、100Mbps快速以太网及1000Mbps高速以太网。作为早期以太网技术，10Mbps以太网所使用的是CSMA/CD（带有冲突检测的载波侦听多路访问）技术。随着网络技术的发展，传统的标准以太网技术已难以满足日益增长的数据流量速度需求，1995年3月IEEE宣布了802.3u100Base-T快速以太网标准。由于快速以太网仍是基于CSMA/CD技术的，所以，当网络负载较重时，会造成通信效率的降低，为了弥补这一缺陷，与网络技术相配套的交换式以太网技术应运而生。

在交换式以太网中，交换机根据收到数据帧中的源MAC地址建立该地址同交换机端口的映射关系，并将其写入MAC地址表中。交换机将数据帧中的目的MAC地址同已建立的MAC地址表进行比较，以决定当前数据帧经由哪个端口进行转发。如果数据帧中的目的MAC地址不在MAC地址表中，则会以广播帧的形式向所有端口进行转发。交换机主要包括三方面功能：1、学习，以太网交换机了解每一端口相连设备的MAC地址，并将地址同相应的端口映射起来存放于交换机缓存中的MAC地址表中；2、转发/过滤，当一个数据帧的目的地址在MAC地址表中有映射时，它将被转发到连接目的节点的端口上而非所有端口；3、消除回路，当交换机包括一个冗余回路时，以太网交换机通过生成树协议避免回路的产生，同时，允许存在后备路径。

此外，以太网可以采用多种连接介质，包括同轴电缆、双绞线及光纤。其中双绞线多用于从主机到交换机的连接；光纤则主要用于交换机间的级联以及交换机到路由器间的点到点链路上；同轴电缆作为早期的主要传输介质，目前已经逐步被淘汰。

目前，以太网技术的使用范围大都局限于商业领域，这是由于在商业领域中，网络设备所处的工作环境良好，在空间上的限制较小，温度压力等外部环境因素对网络性能的影响几乎可以忽略不计；而在工业应用中，特别在石油测井系统中，其工作环境往往十分恶劣，高温、高压等外部环境因素往往会对网络通信造成毁灭性打击，同时，由于石油测井仪器均安装在密闭狭小的桶状金属腔体内部，所以，无法像普通的以太网那样，将所有从节点都通过双绞线与单一一台多端口交换机进行星型连接，以实现局域网平台的搭建与配置。

在石油测井过程中，井下工作的各支仪器会对地层信息进行实时的采集与处理工作，这些数据从不同方面反映了当前地层所具有的特性，是指导石油勘探开发的重要信息。目前，在石油测井仪器内部，遥测短节主节点与各井下仪器从节点间实现通讯的方式仍旧采用传统的总线通信模式，总线上从节点个数有着严格的限制，系统的可扩充性很低，同时，总线技术传输在传输速率及传输距离上能力有限，当节点间距离变大时，会导致传输速率的降低，更严重的，将会导致节点间通信的失败。因此，总线通讯方式无论在传输速度、传输距离及传输可靠性上都逊色于网络通信。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种网络化测井井下仪器主从节点及其数据处理方法，用于将以太网络技术用于测井仪器内部通信领域，以构建高效可靠的测井局域网。

本发明提供了一种网络化测井井下仪器主从节点，包括：

主节点，用于接收并下发上位机发送的控制指令，通过向各从节点发送所述控制指令来请求数据；以及建立与维护井下网络连接；

从节点，根据所述控制指令完成对测井数据的采集操作；

井下交换电路，用于实现所述主节点与从节点的链接以及从节点间的无顺序级联。

本发明还提供了一种网络化测井井下仪器主从节点间指令下发方法，包括：

上位机向主节点发送网络测井控制命令的命令包；

主节点获取到所述命令包后，对命令包进行拆分解码；

主节点循环读取所述命令包，并根据命令类型执行相应操作。

本发明还提供了一种网络化测井井下仪器主从节点间上传数据的方法，包括：

在从节点内部，将主节点的IP地址及MAC地址作为目的地址，本地从节点的IP地址及MAC地址作为源地址，将采集到的数据封装成标准的以太网络数据包形式并进行调制编码处理；

所述处理后的数据包发送至上端临近的井下网络交换电路中，通过井下网络交换电路的相应端口向目的主节点逐级传输；

所述数据包到达主节点后经过解调与解码操作，还原以太网络数据包，并经过TCP/IP协议的处理，去除附加在原始数据上的相关信息后得到从节点发送而来的数据。

本发明解决了井下仪器内部总线通讯距离的限制，打破了原来总线传输方式下，整串仪器组合测井最大长度40米的限制，将仪器间最大长度扩展为100米，极大地解决了地面调试过程中，距离对测井结果造成的影响；其次，由于采用基于TCP/IP面向连接的以太网协议，且网络通信速率为10Mbps/100Mbps两种，与传统总线通讯方式相比，在提高通讯的可靠性的基础上，提升了通讯速率，使得原来单只仪器大数据上传需要化整为零，分时分次进行传输的问题彻底得到解决。

附图说明

图1为本发明实施例中网络化测井仪器主节点的结构图；

图2为本发明实施例中网络化测井仪器从节点的结构图；

图3为本发明实施例中井下网络交换电路的结构图；

图4为本发明实施例提供的网络化测井井下仪器主从节点间指令下发方法的流程图；

图5为本发明实施例提供的网络化测井井下仪器主从节点间上传数据方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

本发明实施例首先解决了井下仪器内部总线通讯距离的限制，打破了原来总线传输方式下，整串仪器组合测井最大长度40米的限制，将仪器间最大长度扩展为100米，极大地解决了地面调试过程中，距离对测井结果造成的影响；其次，由于采用基于TCP/IP面向连接的以太网协议，且网络通信速率为10Mbps/100Mbps两种，与传统总线通讯方式相比，在提高通讯的可靠性的基础上，提升了通讯速率，使得原来单只仪器大数据上传需要化整为零，分时分次进行传输的问题彻底得到解决。

图1是网络化测井仪器主节点的结构图，主节点就整个测井局域网而言，应该算作一个中间节点，首先，对于测井地面系统计算机来说，它是一个从节点，用于接收测井地面系统计算机下发的命令包；对于井下以太网络而言，一方面，主节点用于轮询调度各以太网从节点，通过向各从节点发送命令来请求数据，从而实现数据的收集与整理工作；另一方面，主节点用于井下网络连接的建立与维护工作，保证主节点与各从节点之间建立稳定可靠的点对点连接。主节点具体包括：

采集接口模块，用于接收上位机发送的控制指令，以及向上位机上传采集到的测井数据及从节点工作状态数据。采集接口模块采用Cypress公司生产的CY7C026A双端口RAM芯片。上位机是测井地面系统计算机，在测井地面系统计算机上，安装有采集软件，可以通过以太网口向下发送控制指令。

以太网控制及主控处理模块，用于根据接收到的上位机控制指令主动链接、断开相应的测井仪器从节点，并在链接状态下完成测井数据采集。采用Actel公司生产的SmartFusion集成电路芯片。

物理链路层接口驱动模块，用于与从节点间的数据传输。采用Micrel公司生产的KSZ8041NLJ军事温度以太网物理层芯片。

隔离保护模块，用于实现网络节点间的隔离保护作用。任何CMOS工艺的集成电路芯片在工作的时候产生的信号电平总是大于0V的(取决于芯片的制程和设计需求)，将PHY输出信号送到100米甚至更长的地方会有很大的直流分量的损失。而且如果外部网线直接和芯片相连的话，电磁感应(打雷)和静电，很容易造成芯片的损坏。同时，设备接地方法不同，电网环境不同也会导致双方的0V电平不一致，这样信号从A传到B，由于A设备的0V电平和B点的0V电平不一样，可能会导致很大的电流从电势高的设备流向电势低的设备。网络变压器把PHY送出来的差分信号用差模耦合的线圈耦合滤波以增强信号，并且通过电磁场的转换耦合到连接网线的另外一端。这样不但使网线和PHY之间在没有物理连接的情况下能够传递信号，隔断了信号中的直流分量，还可以在不同0V电平的设备中传送数据。网络变压器本身就是设计为耐2KV～3KV的电压的，也起到了防雷保护作用。这就是网络变压器的隔离保护作用。该模块主要采用Pulse公司生产的10/100Base-T扩展温度网络变压器100B-1001X。

图2是网络化测井仪器从节点的结构图，具体包括：

隔离保护模块，用于实现网络节点间的隔离保护作用。主要采用Pulse公司生产的10/100Base-T扩展温度网络变压器100B-1001X。

物理链路层接口驱动模块，用于实现网络通信所必须的编码译码及同步工作。主要采用Micrel公司生产的KSZ8041NLJ军事温度以太网物理层芯片。

以太网控制及采集处理模块，用于实现对主节点的操作做出正确的响应。主要采用Actel公司生产的军事级SmartFusion集成电路芯片。

当主节点下发一个采集命令，从节点通过网络接收后，上传通过片外AD已经采集好的片外模拟信息量，从而实现数据采集功能。片外AD使用ADI公司的AD7606，该AD芯片是一款8通道AD，与下面的SmartFusion芯片的EMC（external memory controller）接口相连，从而实现对八道模拟信号进行同时采集，当Smartfusion芯片完成模拟信号采集后，可通过EMC接口将采集到的模拟信号数字量读出，并通过SmartFusion芯片的网口上传至主节点。

基于TCP/IP协议的单线程10/100BASE-T以太网测井从节点在网络化井下仪器中的作用有两个：1，作为各测井仪器内部采集模块，实现对测井数据的采集操作；2、在由一个主节点，若干从节点构成的测井局域网中，充当Server角色，作为网络中的服务单元，根据主节点下发的控制命令执行相应的操作。

图3是井下网络交换电路结构图，具体包括：

井下网络交换电路是实现网络化井下仪器主从节点进行沟通的桥梁。井下网络交换电路是实现主节点与从节点仪器链接、从节点仪器间无顺序级联的重要设备。

井下交换电路核心模块，用于完成封装转发数据包功能。该模块工作在以太网的数据链路层，在同一时刻可进行多个端口对之间的数据传输，基于MAC地址识别，能完成封装转发数据包功能。交换芯片可以“学习”MAC地址，并把其存放在内部地址表中，通过在数据帧的始发者和目标接收者之间建立临时的交换路径，使数据帧直接由源地址到达目的地址的一种核心通讯设备。该模块采用Micrel公司生产的军事温度以太网络交换芯片，该芯片可以再-40°～+125°的温度环境中稳定可靠地提供网络通信所需的交换保障，此外，该芯片功耗很低，能够满足在密闭仪器腔体内长时间工作所带来的热耗散等问题。

隔离保护模块，用于提供隔离保障。主要采用Pulse公司生产的扩展温度以太网络变压器100B-1001X。

物理链路层接口驱动模块，将要发送的数据封装为帧，并将数据发送到网络上去；接收帧并将帧重新组合成数据，传递到本地网络设备上。物理链路层接口驱动模块能接收所有在网络上传输的信号，但正常情况下只接受发送到本地网络设备的帧和广播帧，将其余的帧丢弃；然后，传送到本地CPU做进一步处理。当本地网络设备发送数据时，物理链路层接口驱动模块等待合适的时间将分组插入到数据流中；在接收端，接收系统会通知本地节点消息是否完整地到达，如果出现问题，将要求对方重新发送。该模块采用Micrel公司生产的KSZ8041NLJ军事温度以太网物理层芯片。

主从节点的设计使得整个系统可以实现底层协议的透传功能，对于测井地面系统计算机而言，需要下发各支仪器的指令以实现控制，而井下以太网络则是面向连接的点对点架构。为了保证协议的透传机制，测井地面系统计算机可以按照需求采用任何方式将控制信息传到井下网络主节点；主节点作为井下与地面的中继，对地面下发的控制指令进行二次译码，并下发至各支仪器，同时，主节点也承担着井下局域网主控节点的作用，它将井下各从节点通过TCP/IP协议及交换电路组织成一个井下局域网，保证了各指令与数据的可靠到达与回传，并在传输速率及传输可靠性上进一步得到提升。此外，主从节点结构便于进行仪器的地面调试工作，此时，由于主从节点间使用的是标准的TCP/IP协议，所以，在进行地面调试时，直接可以用测井地面计算机代替网络化井下主节点，连接至井下局域网中，采用TCP/IP协议直接进行数据的采集与读取，高效快捷，便于系统调试与平台验证。

整个井下以太网络通讯过程，按照数据流动方向，可以分为指令下发及数据上传两个过程，将分别就两个方向的数据流动进行阐述。需要说明的是，只有在某个节点接收到相应的数据请求指令后，才会触发该节点数据上传流程，即，当主节点向某一个从节点发送数据请求指令时，当从节点收到相应指令后，会将准备好的数据向主节点进行传输。

图4为本发明实施例提供的网络化测井井下仪器主从节点间指令下发方法的流程图，包括以下步骤：

步骤401、测井地面系统向井下仪器主节点发送网络测井命令包，网络测井命令包被写入采集接口模块后，向以太网控制及主控处理模块发送一个写命令完成中断，当以太网控制及主控处理模块接收到这一中断后，立即将存在采集接口模块中的网络测井命令包读到芯片内部缓存中。

步骤402、当主节点获取到相应的测井命令包后，对命令包进行拆分解码，并获得网络主节点的配置信息及从节点个数信息（从节点个数信息十分关键，因为它对应了命令包中所含子命令的个数）。

步骤403、当获取这一信息后，以太网控制及主控处理模块即进入一个循环调度的例程中，在例程中，读取第i条子命令，根据三种命令类型，分别执行相应操作。

当第i条子命令是从节点入网操作命令时，以太网控制及主控处理模块会创建一个Socket用于与第i条指令所对应的从节点进行通讯，当完成Socket创建后，发送网络连接命令，使得与第i条指令所对应的从节点建立网络连接；当第i条子命令是从节点在线操作命令时，以太网控制及主控处理模块将直接向第i条指令所对应的从节点发送数据请求指令，请求数据；当第i条子命令是从节点下线操作命令时，以太网控制及主控处理模块将直接向第i条指令所对应的从节点发送断开网络连接命令，实现该从节点的下线出网操作，如果再想与其进行网络通讯，需要重新发送入网操作命令，待网络连接建立后，方可进行数据通讯。

上行传输过程是在下行指令到达网络化井下从节点后，根据指令的内容，在从节点完成数据采集后，将采集好的数据上传至网络化井下主节点的过程，该过程的数据流走向与下行指令传输过程类似。

图5为本发明实施例提供的网络化测井井下仪器主从节点间上传数据方法的流程图，由于下行指令经过各个网络交换电路过程中，已经维护了一条主节点与从节点间的路由通路，当从节点向主节点发送数据时，

501、在从节点内部，将主节点的IP地址及MAC地址作为目的地址，本地从节点的IP地址及MAC地址作为源地址，将采集到的数据经过TCP/IP协议栈处理，封装成标准的以太网络数据包形式，通过RMII接口发送至物理链路层接口驱动模块内进行调制、编码处理。

502、完成编码的网络数据包经过隔离保护模块发送至上端临近的井下网络交换电路中，由于在各交换电路内部已经维护了一条主节点与从节点间的路由通路，所以，网络数据包会很快通过以太网交换电路的某个端口向目的节点（即主节点）逐级传输而去。

503、网络数据包经过主节点的隔离保护模块到达主节点的物理链路层接口驱动模块，在该模块内部经过解调与解码操作，还原以太网络数据包，并通过RMII接口发送至主节点的采集控制处理模块，在主节点采集处理模块内部，经过TCP/IP协议的处理，褪去附加在原始数据上的相关信息后，即在主节点应用层得到从节点发送而来的数据。

至此，便完成了井下以太网络的指令下发与数据上传全过程。

本发明实施例主要用于实现各石油测井仪器内部网络从节点与遥测短节内部网络主节点间的高速、高可靠性网络化通信功能。遥测短节内部网络主节点与各石油测井仪器内部网络从节点间，通过以太网建立高速、可靠的通讯链路，主从节点间通过井下交换电路进行连接，从而形成了一个紧凑的井下测井局域网。本发明适用于遥测短节与各井下仪器之间测井通讯，由于是将最新的网络通讯技术应用于石油测井行业，所以应用前景广泛。

总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种网络化测井井下仪器主从节点，其特征在于，包括：

主节点，用于接收并下发上位机发送的控制指令，通过向各从节点发送所述控制指令来请求数据；以及建立与维护井下网络连接；

从节点，根据所述控制指令完成对测井数据的采集操作；

井下交换电路，用于实现所述主节点与从节点的链接以及从节点间的无顺序级联。

2.根据权利要求1所述的网络化测井井下仪器主从节点，其特征在于，所述主节点具体包括：

采集接口模块，用于接收上位机发送的控制指令，以及向上位机上传采集到的测井数据及测井仪器从节点工作状态数据；

以太网控制及主控处理模块，用于根据所述控制指令主动链接、断开相应的测井仪器从节点，并在链接状态下完成测井数据采集；

物理链路层接口驱动模块，用于与测井仪器从节点间的数据传输。

3.根据权利要求2所述的网络化测井井下仪器主从节点，其特征在于，所述主节点进一步包括：

隔离保护模块，用于实现网络节点间的隔离保护作用。

4.根据权利要求1、2或3所述的网络化测井井下仪器主从节点，其特征在于，所述从节点具体包括：

物理链路层接口驱动模块，用于实现网络通信所必须的编码译码及同步；

以太网控制及采集处理模块，用于实现对主节点的操作做出正确的响应。

5.根据权利要求4所述的网络化测井井下仪器主从节点，其特征在于，所述从节点进一步包括：

隔离保护模块，用于实现网络节点间的隔离保护作用。

6.根据权利要求5所述的网络化测井井下仪器主从节点，其特征在于，所述井下网络交换电路具体包括：

井下交换电路核心模块，用于完成封装转发数据包；

物理链路层接口驱动模块，用于将要发送的数据封装为帧并发送到网络上去；接收帧并将帧重新组合成数据，传递到本地井下网络设备上。

7.根据权利要求6所述的网络化测井井下仪器主从节点，其特征在于，所述井下网络交换电路进一步包括：

隔离保护模块，用于实现网络节点间的隔离保护作用。

8.一种网络化测井井下仪器主从节点间指令下发方法，其特征在于，包括：

上位机向主节点发送网络测井控制命令的命令包；

主节点获取到所述命令包后，对命令包进行拆分解码；

主节点循环读取所述命令包，并根据命令类型执行相应操作。

9.根据权利要求8所述的网络化测井井下仪器主从节点间指令下发方法，其特征在于，所述根据命令类型执行相应操作的步骤具体包括：

当所述命令类型是从节点入网操作命令时，以太网控制及主控处理模块创建一个Socket用于与第i条指令所对应的从节点进行通讯，当完成Socket创建后，发送网络连接命令，使得与第i条指令所对应的从节点建立网络连接；

当所述命令类型是从节点在线操作命令时，以太网控制及主控处理模块直接向所述命令对应的从节点发送数据请求指令，请求数据；

当所述命令类型是从节点下线操作命令时，以太网控制及主控处理模块直接向所述命令对应的从节点发送断开网络连接命令，实现该从节点的下线出网操作。

10.一种网络化测井井下仪器主从节点间上传数据的方法，其特征在于，包括：

在从节点内部，将主节点的IP地址及MAC地址作为目的地址，本地从节点的IP地址及MAC地址作为源地址，将采集到的数据封装成标准的以太网络数据包形式并进行调制编码处理；

所述处理后的数据包发送至上端临近的井下网络交换电路中，通过井下网络交换电路的相应端口向目的主节点逐级传输；

所述数据包到达主节点后经过解调与解码操作，还原以太网络数据包，并经过TCP/IP协议的处理，去除附加在原始数据上的相关信息后得到从节点发送而来的数据。

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