CN106250150A - 一种便携的三维声波测井仪现场维护装置 - Google Patents

一种便携的三维声波测井仪现场维护装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种便携的三维声波测井仪现场维护装置，在装置上电后，ARM通过SPI0接口将采集命令传给FPGA，FPGA接收到采集命令后，启动DDS信号源模块，给三维声波测井仪提供三维声波信号，同时FPGA通过Mcbsp接口转发采集命令至三维声波测井仪，三维声波测井仪接收到采集命令开始采集声波信号；完成采集后，三维声波测井仪将采集数据通过Mcbsp接口高速上传至FPGA，FPGA接收到采集数据后将采集数据通过SPI1接口转发给ARM；ARM通过将采集数据与历史测井数据进行比对，如果比对出现不同，则通过SPI0接口下发仪器初始化命令，初始化三维声波测井仪，实现现场维护。

Description

一种便携的三维声波测井仪现场维护装置
技术领域
本发明属于测井设备维护技术领域，更为具体地讲，涉及一种便携的三维声波测井仪现场维护装置。
背景技术
近十几年里，由于电子信息技术的发展和石油需求的刺激，测井技术取得了巨大的进步。其中声波测井技术是以岩石弹力学和井孔声学为基础，通过得到地层中的纵波和横波的幅度、频率和时差等信息为地层中的孔隙度、岩性等分析提供重要依据。三维声波测井技术是在正交偶极声波测井技术基础上逐渐发展起来的新一代测井技术，三维声波测井技术利用目前所有的声波测量模式(单级、偶极以及斯通利波)，对各种频带的波形进行统一全方面的测量，并获得地层的三维声波特性。三维声波测井技术主要通过获得纵波时差，横波、斯通利波在径向和纵向上的变化，对地层信息进行完整、全方位的描述，并对均质地层和非均质地层的各向异性和各向异性形成的机理进行分析。
三维声波测井仪在研发、调试和维护阶段，会面临一些难题。由于三维声波测井仪测井环境复杂且井下仪器封装复杂，因此现场测井前需要检测井下仪器是否工作正常及初始化井下仪器。因此，为解决这个问题，设计了一种便携的三维声波测井仪现场维护装置。
三维声波测井仪现场维护装置主要采用“ARM+FPGA”为核心的电路架构，ARM是控制核心，实现命令的下传和上传数据的接收，FPGA则完成和井下仪器、ARM之间的通信。由于采用嵌入式操作系统成本较低，操作方便，并且Linux具有强大的网络功能支持和极强的移植性，所以本发明中采用“ARM9+Linux”嵌入式平台的方式，搭建一个以S3C2440A微处理器为核心的嵌入式硬件电路，由于其本身存储容量的限制，还需要外扩SDRAM实现程序的运行和数据的缓存，并且使用外扩的Nor Flash和Nand Flash存储嵌入式系统文件。同时在FPGA内主要实现：DDS信号源，为井下仪器提供声波信号；SPI接口，完成和S3C2440芯片间的通信；Mcbsp接口，完成和井下仪器通信。
三维声波测井仪测井环境复杂，现场测试时需要维护装置自身给井下仪器提供信号源，因此在FPGA内部设计实现DDS信号源，向井下仪器提供声波信号；实际测井时三维声波测井仪是挂接在EDIB总线与地面系统进行通信，但三维声波测井数据量大，占用EDIB总线传输时间较长，因此为了满足传输速率的要求，需要实现数据的高速传输，包括井下仪器与检测装置之间的Mcbsp高速传输，及检测装置中FPGA与ARM处理器之间的SPI高速传输。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种便携的三维声波测井仪现场维护装置，可以快速检测三维声波测井仪并初始化，具有简单易行、检测精准，以及低成本的性能。
为实现上述发明目的，本发明一种便携的三维声波测井仪现场维护装置，其特征在于，包括：
一FPGA，包DDS信号源模块、fifo模块、Mcbsp接口和SPI接口；
当装置上电后，ARM通过SPI0接口下发采集命令，FPGA接收到采集命令后，启动DDS信号源模块按照设定频率，以相应频率控制字k为步进，对相位进行累加，以累加相位值作为地址码，在数据存储地址范围内寻址，读取存放在FPGA的ROM内的历史测井数据，再经D/A转换和滤波得到三维声波信号；
FPGA接收到采集命令后，利用内部fifo模块将采集命令先由8位转换为16位，再通过Mcbsp接口将采集命令下发给三维声波测井仪，三维声波测井仪接收到采集命令后，对三维声波信号开始采集，再将采集数据通过Mcbsp接口高速上传至FPGA，FPGA接收到采集数据后通过内部fifo模块将采集数据由16位转换为8位，，同时产生一个中断信号通知ARM接收该采集数据，再通过SPI1接口转发采集数据至ARM；
一ARM模块，ARM将接受到采集数据后，通过SPI1从ROM中读取历史测井数据并进行比对，如果采集数据与历史测井数据相同，则表示三维声波测井仪工作正常，外围电路中的LED灯保持常亮；如果采集数据与历史测井数据不同，则表示三维声波测井仪工作异常，此时，ARM产生控制命令，控制外围电路中的LED灯由亮到灭，同时通过SPI0接口下发仪器初始化命令，初始化三维声波测井仪。
本发明的发明目的是这样实现的：
本发明为一种便携的三维声波测井仪现场维护装置，在装置上电后，ARM通过SPI0接口将采集命令传给FPGA，FPGA接收到采集命令后，启动DDS信号源模块，给三维声波测井仪提供三维声波信号，同时FPGA通过Mcbsp接口转发采集命令至三维声波测井仪，三维声波测井仪接收到采集命令开始采集声波信号；完成采集后，三维声波测井仪将采集数据通过Mcbsp接口高速上传至FPGA，FPGA接收到采集数据后将采集数据通过SPI1接口转发给ARM；ARM通过将采集数据与历史测井数据进行比对，如果比对出现不同，则通过SPI0接口下发仪器初始化命令，初始化三维声波测井仪，实现现场维护。
同时，本发明一种便携的三维声波测井仪现场维护装置还具有以下有益效果：
(1)、由于三维声波测井仪测井环境复杂，本发明装置可以通过FPGA内部设计实现的DDS信号源向井下仪器提供声波信号，不需要单独的信号发生器，为现场测试提供了方便。
(2)、实际测井时三维声波测井仪是挂接在EDIB总线与地面系统进行通信，但三维声波测井数据量大，占用EDIB总线传输时间较长，因此为了满足传输速率的要求，本发明装置采用Mcbsp和SPI接口进行数据传输，实现了数据的高速传输。
(3)、三维声波测井仪井下仪器封装复杂，现场测井时一旦井下仪器出现问题，拆卸仪器十分麻烦，本发明装置可以快速检测仪器并初始化仪器，同时装置上的LED灯直观地反映出井下仪器的工作状态，为三维声波测井仪现场维护提供了方便。
附图说明
图1是本发明一种便携的三维声波测井仪现场维护装置原理框图；
图2是DDS信号源设计实现的原理图；
图3是数据高速传输通道框图；
图4是SPI传输时序图；
图5是Mcbsp传输时序图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
实施例
为了方便描述，先对具体实施方式中出现的相关专业术语进行说明：
FPGA(Field－Programmable Gate Array)：现场可编程门阵列；
ARM(Acorn RISC Machine)：微处理器；
DDS(Direct Digital Synthesizer)：直接数字式频率合成器；
fifo(First Input First Output)：先入先出队列；
Mcbsp(Multichannel Buffered Serial Port)：多通道缓冲串行口；
SPI(Serial Peripheral Interface)：串行外设接口；
ROM(Read Only Memory)：只读内存；
NCO(numerically controlled oscillator):数字控制振荡器；
图1是本发明一种便携的三维声波测井仪现场维护装置原理框图。
在本实施例中，如图1所示，本发明一种便携的三维声波测井仪现场维护装置包括：FPGA和ARM模块；
其中，在FPGA中包括DDS信号源模块、fifo模块、Mcbsp接口和SPI接口。
当装置上电后，ARM通过SPI0下发采集命令，FPGA接收到采集命令后，如图2所示，启动内部的DDS信号源模块按照设定频率，以相应频率控制字k为步进，对相位进行累加，以累加相位值作为地址码，在数据存储地址范围内寻址，读取存放在FPGA的ROM内的历史测井数据，再经D/A转换和滤波得到三维声波信号；
在本实施例中，DDS(Direct Digital Synthesizer)即直接数字式频率合成器，是从相位概念出发直接合成所需波形的一种频率合成技术。DDS基本结构原理如图2所示，其中数控振荡器(NCO)为FPGA实现部分。其工作原理是：将历史测井数据顺序存储在ROM内，相位累加器按照预先设置好的频率控制字进行线性累加，其输出作为波形查找表的地址，通过寻址输出相应的波形幅度码，再由数模转换器将这些数字码变换为模拟电压/电流输出，最后经低通滤波器平滑输出波形。假设要输出的频率是同定的，那么相位增量就是一个常数，在每个时钟周期，相位累加器的数值就按照这个相位增量累加一次，相位增量的大小由频率控制字决定。如果相位增量增大，则相位累加器的增加就比较快，输出的频率就比较高。
FPGA接收到采集命令后，利用内部fifo模块将采集命令先由8位转换为16位，再通过Mcbsp接口将采集命令下发给三维声波测井仪，三维声波测井仪接收到采集命令后，对三维声波信号开始采集，再将采集数据通过Mcbsp接口高速上传至FPGA，FPGA接收到采集数据后通过内部fifo模块将采集数据由16位转换为8位，，同时产生一个中断信号通知ARM接收该采集数据，再通过SPI1接口转发采集数据至ARM；
ARM模块，ARM将接受到采集数据后，通过SPI1从ROM中读取历史测井数据并进行比对，如果采集数据与历史测井数据相同，则表示三维声波测井仪工作正常，外围电路中的LED灯保持常亮；如果采集数据与历史测井数据不同，则表示三维声波测井仪工作异常，此时，ARM产生控制命令，控制外围电路中的LED灯由亮到灭，同时通过SPI0接口下发仪器初始化命令，初始化三维声波测井仪。
图3是数据高速传输通道框图。
在本实施例中，数据高速传输通道包括井下仪器与装置之间的Mcbsp高速传输，及装置中FPGA与ARM处理器之间的SPI高速传输，实现命令的下发和采集数据的高速上传。
在FPGA内实现SPI接口完成与ARM之间命令的下发和数据的上传，速率为10Mbps，其中，ARM作为SPI主设备，而FPGA作为SPI从设备：装置上电后，ARM通过SPI0下发采集命令，ARM作为Master器件，向Slave器件FPGA提供时钟信号SCLK和片选信号CS，命令数据按照SPI传输格式通过MOSI(主设备输出，从设备输入)发给FPGA；SPI1用于从FPGA接收井下数据，当FPGA接收到井下数据后产生一个中断信号通知ARM接收数据，ARM主设备开始产生时钟SCLK和选通信号CS，并通过MISO(主设备输入，从设备输出)从FPGA读取数据。
Mcbsp接口，完成FPGA与井下仪器之间命令的下发和井下采集数据的上传，输速率为6Mbps，共包含6根信号线，其中，CLKX和CLKR分别为发送和接收时钟线，FSX和FSR分别为发送和接收帧同步信号线，DR和DX为发送和接收数据信号线：根据发送时钟信号CLKX、发送帧同步信号FSX，按照Mcbsp传输格式，将采集命令通过发送信号线DX下发给三维声波测井仪；同样，根据接收时钟信号CLKR、接收帧同步信号FSR，按照Mcbsp传输格式，将井下采集数据通过接收信号线RX上传给FPGA。
图4是SPI传输时序图；
SPI(Serial Peripheral Interface)，是一种高速的，全双工的通信总线，通信系统一般由一个Master器件和至少一个Slave器件组成，SPI总线中各个信号线描述如下表所示：
SPI信号描述
SPI信号 信号描述
SCLK SPI时钟信号线，由主设备提供
MISO 主设备输入，从设备输出
MOSI 主设备输出，从设备输入
CS 从器件选择信号，低电平有效
S3C2440根据CPOL和CPHA的不同取值可以4种不同的传输数据模式，CPOL用于决定SCLK空闲态时其电平值是高还是低，当CPOL为1时，SCLK空闲态时为高电平，反之当CPOL为0时，SCLK空闲态时为低电平。而CPHA用于决定第几个边沿采样数据，当CPHA为1时，表示在第二个时钟边沿进行采样，而当CPHA为0时，表示在第一个时钟边沿进行采样。本设计中采用CPOL＝0，CPHA＝0的模式，其具体时序如图4所示，SPICLK为高时有效，并且在第一个上升沿对数据进行采样，下降沿发送数据。
图5是Mcbsp传输时序图；
Mcbsp接口是一种多通道缓冲串行接口，共包含6根信号线，其中，CLKX和CLKR分别为发送和接收时钟线，FSX和FSR分别为发送和接收帧同步信号线，DR和DX为发送和接收数据信号线，如图5所示，根据ELIS-II系统的通信协议，将Mcbsp接口配置成每帧包含16位数据，帧同步信号高电平有效，帧同步脉冲有效宽度为1位，一位数据延迟，帧周期长度为17位。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (3)

1.一种便携的三维声波测井仪现场维护装置，其特征在于，包括：
一FPGA，包DDS信号源模块、fifo模块、Mcbsp接口和SPI接口；
当装置上电后，ARM通过SPI0接口下发采集命令，FPGA接收到采集命令后，启动DDS信号源模块按照设定频率，以相应频率控制字k为步进，对相位进行累加，以累加相位值作为地址码，在数据存储地址范围内寻址，读取存放在FPGA的ROM内的历史测井井数据，再经D/A转换和滤波得到三维声波信号；
FPGA接收到采集命令后，利用内部fifo模块将采集命令先由8位转换为16位，再通过Mcbsp接口将采集命令下发给三维声波测井仪，三维声波测井仪接收到采集命令后，对三维声波信号开始采集，再将采集数据通过Mcbsp接口高速上传至FPGA，FPGA接收到采集数据后通过内部fifo模块将采集数据由16位转换为16位，同时产生一个中断信号通知ARM接收该采集数据，再通过Spi1接口转发采集数据至ARM；
一ARM模块，ARM将接受到采集数据后，从ROM中读取历史测井数据并进行比对，如果采集数据与历史测井数据相同，则表示三维声波测井仪工作正常，外围电路中的LED灯保持常亮；如果采集数据与历史测井数据不同，则表示三维声波测井仪工作异常，此时，ARM产生控制命令，控制外围电路中的LED灯由亮到灭，同时通过SPI0接口下发仪器初始化命令，初始化三维声波测井仪。
2.根据权利要求1所述的一种便携的三维声波测井仪现场维护装置，其特征在于，所述的Mcbsp接口是一种多通道缓冲串行接口，共包含6根信号线，其中，CLKX和CLKR分别为发送和接收时钟线，FSX和FSR分别为发送和接收帧同步信号线，DR和DX为发送和接收数据信号线；
根据ELIS-II系统的通信协议，将Mcbsp接口配置成每帧包含16位数据，帧同步信号高电平有效，帧同步脉冲有效宽度为1位，一位数据延迟，帧周期长度为17位。
3.根据权利要求1所述的一种便携的三维声波测井仪现场维护装置，其特征在于，所述的SPI接口为全双工的通信总线，包括一个Master器和至少一个Slave器。
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