CN113421415B - 一种基于以太网的深地勘探井下高速数据传输系统及方法 - Google Patents

一种基于以太网的深地勘探井下高速数据传输系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于以太网的深地勘探井下高速数据传输系统及方法，包括：多台井下仪器，给每台仪器均添加一个拥有三接口switch芯片的网络板；所述网络板包括第一接口、第二接口、第三接口；所述第一接口与仪器上的接口相连，所述三接口中的第二接口和第三接口用于与其他仪器的网络板上的第二接口和第三接口以菊花链的方式连接，所述网络板起到交换机的作用，还包括一网络板0，其第一接口与长缆遥传系统通过SPI总线相连接，第二接口与其中一台仪器的网络板的第二接口通过以太网相连接，第三接口闲置；在switch芯片交换表建立后，井下以太网便组网成功，井下仪器和长缆遥传系统通过各网络板上DSP的串行总线与以太网相连，实现井下仪器和长缆遥传系统之间的数据上传与命令下传。

Description

一种基于以太网的深地勘探井下高速数据传输系统及方法
技术领域
本发明属于深地勘探领域，具体涉及一种基于以太网的深地勘探井下高速数据传输系统及方法。
背景技术
测井技术是石油勘探开采过程中的一个重要环节。随着电子技术和油气勘探的发展，勘探技术正在阵列化、成像化，大量井下仪器采集到的数据需要实时传输到地面上，而与此同时地面控制中心的命令也需要传输至井下仪器，因此需要一个高速的数据传输系统来完成地面控制中心与井下仪器间的实时数据传输。
通常深地测井的数据传输系统可以分为井下传输网络、长缆遥传系统与井上传输网络。数据上传过程中，井下传输网络负责收集井下仪器采集到的数据转发给遥传系统，遥传系统则将数据通过数千米的长缆发送至地面，最后经由井上传输网络到达地面控制中心，命令流传输方向相反，其中测井数据传输速率的瓶颈往往在长缆遥传系统。由于CAN总线协议成熟，高温下可靠性高，目前国内主要使用CAN总线作为井下传输网络。然而在长缆遥传速度突破1Mbps后，CAN总线最高1M波特率的传输速度，以及多达百分之四十的协议开销制约整个数据传输系统数据传输速率的进一步提高。因而设计一种高速可靠的数据传输系统作为井下传输网络成了国内测井技术发展的迫切需求。
发明内容
本发明要解决的是目前深地勘探中井下传输网络中数据传输速率不足的问题，设计一种基于以太网的深地勘探井下高速数据传输系统及方法，实现高速可靠的井下传输网络，现有的CAN总线数据传输速率已经无法满足测井数据传输系统的需求。
为了实现高可靠的井下网络，本发明使用百兆以太网技术构建井下网络。由于适用于井下环境的总线型以太网早已被淘汰，而目前普遍采用的星型拓扑无法在井下使用，本发明针对该点采用了菊花链拓扑结构，给每个仪器均添加一个拥有三接口switch芯片的网络板起到交换机的作用，在switch芯片交换表建立后，井下以太网便组网成功，井下仪器和长缆遥传系统通过网络板上DSP的串行总线与以太网相连，实现井下仪器和长缆遥传系统之间的数据上传与命令下传。
本发明的技术方案为：一种基于以太网的深地勘探井下高速数据传输系统，包括：
多台井下仪器，给每台仪器均添加一个拥有三接口switch芯片的网络板；所述网络板包括第一接口、第二接口、第三接口；所述第一接口和第二接口用于与其他仪器的网络板上的第二接口和第三接口以菊花链的方式连接，所述第三接口与仪器上的接口相连，所述网络板起到交换机的作用，
还包括一网络板0，网络板0的第一接口与长缆遥传系统通过SPI总线相连接，第二接口与其中一台仪器的网络板的第二接口通过以太网相连接，第三接口闲置；所述每台仪器的网络板依次相连，与网络板0一起组成菊花链式网络；
在switch芯片交换表建立后，井下以太网便组网成功，井下仪器和长缆遥传系统通过各网络板上DSP的串行总线与以太网相连，实现井下仪器和长缆遥传系统之间的数据上传与命令下传。
对于有N个井下仪器的测井系统，本发明使用N+1块网络板串联构建以太网络，其中网络板1～N与相应井下仪器相连，网络板0与长缆遥传系统相连，如图1所示。
网络板主要由三接口switch芯片与DSP芯片构成，其中switch芯片两个百兆以太网接口用于网络板之间的互联，MAC模块用于与DSP的连接。当所用DSP无MAC模块时，中间添加PHY芯片与MAC+PHY芯片用于switch芯片与DSP间的互联。
当所用DSP有MAC模块时，可使用MAC到MAC的直连。所有图中的空心箭头表示板间数据传输，实线箭头表示板内数据传输，虚线箭头表示板内配置命令。
在数据上传时，井下仪器n将数据通过串行总线发送给对应网络板n，网络板n通过这个菊花链式的以太网络将数据发送给网络板0，最后由网络板0转发给长缆遥传系统，命令下发时传输方向与之相反。
由于本发明中采用了多switch的菊花链结构，使得不同网络板上DSP之间数据传输必须经过switch芯片传输，即使最近的两个网络板传输也需要经过两个switch芯片。由于switch芯片采用存储转发来保证帧的无差错传输，其传输延时随数据帧长度而增长。转发延时Tds可以由公式(1)表示：
Figure BDA0003121208040000021
其中L为传输数据总字节数，l为协议开销字节数，m为转发经过switch芯片总数，v为传输速率。当这L字节个数据分为x个帧传输时，转发延时由公式(2)表示：
Figure BDA0003121208040000031
合适的分帧有利于减少延时，提高传输效率。在本发明中x取
Figure BDA0003121208040000032
前x-1帧数据长度为
Figure BDA0003121208040000033
最后一帧数据长度为
Figure BDA0003121208040000034
当帧数据长度不足46时补足到46、超过1500时限制在1500。其中多出来的两字节用于在第一帧数据头部通知网络板0此次传输的总帧数。
有益效果：
本发明在采用菊花链结构的百兆以太网代替传统的CAN总线作为测井井下数据传输网络，在仅增加仪器间两根连线开销，提高了百倍的数据传输速率，使得很长时间内不必担心测井井下网络传输速率不足从而限制整个测井系统的问题。
本发明基于以太网，内部数据传输协议可选项多，可以用以太网帧，或者更高层的TCP、UDP等。
本发明使用网络板构建井下以太网络，井下仪器只需留出相应串行总线接口(SPI、UART、I2C等)即可连入网络，无需做大的改造。
本发明在以太网数据传输时采用一种优化的分帧方式，该方法在帧传输在总传输字节在400字节8000字节时，可节约40％～60％的传输时间。
附图说明
图1为本发明实施例所使用的井下网络示意图；
图2是本发明其中一个实施例1的网络板设计；
图3是本发明其中一个实施例2的网络板设计。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
为了实现高可靠的井下网络，本发明使用百兆以太网技术构建井下网络。由于适用于井下环境的总线型以太网早已被淘汰，而目前普遍采用的星型拓扑无法在井下使用，本发明针对该点采用了菊花链拓扑结构，给每个仪器均添加一个拥有三接口switch芯片的网络板，起到交换机的作用，在switch芯片交换表建立后，井下以太网便组网成功，井下仪器和长缆遥传系统通过网络板上DSP的串行总线与以太网相连，实现井下仪器和长缆遥传系统之间的数据上传与命令下传。
下面结合附图对本发明进行进一步介绍：
对于有N个井下仪器的测井系统，本发明使用N+1块网络板串联构建以太网络，其中网络板1～N与相应井下仪器相连，网络板0与长缆遥传系统相连，如图1所示。
网络板主要由三接口switch芯片与DSP芯片构成，其中switch芯片两个百兆以太网接口用于网络板之间的互联，MAC模块用于与DSP的连接。当所用DSP无MAC模块时，中间添加PHY芯片与MAC+PHY芯片用于switch芯片与DSP间的互联，如图2所示。
当所用DSP有MAC模块时，可使用MAC到MAC的直连，如图3所示。所有图中的空心箭头表示板间数据传输，实线箭头表示板内数据传输，虚线箭头表示板内配置命令。
在数据上传时，井下仪器n将数据通过串行总线发送给对应网络板n，网络板n通过这个菊花链式的以太网络将数据发送给网络板0，最后由网络板0转发给长缆遥传系统，命令下发时传输方向与之相反。
由于本发明中采用了多switch的菊花链结构，使得不同网络板上DSP之间数据传输必须经过switch芯片传输，即使最近的两个网络板传输也需要经过两个switch芯片。由于switch芯片采用存储转发来保证帧的无差错传输，其传输延时随数据帧长度而增长。转发延时Tds可以由公式(1)表示：
Figure BDA0003121208040000041
其中L为传输数据总字节数，l为协议开销字节数，m为转发经过switch芯片总数，v为传输速率。当这L字节个数据分为x个帧传输时，转发延时由公式(2)表示：
Figure BDA0003121208040000042
合适的分帧有利于减少延时，提高传输效率。在本发明中x取
Figure BDA0003121208040000043
前x-1帧数据长度为
Figure BDA0003121208040000044
最后一帧数据长度为
Figure BDA0003121208040000045
当帧数据长度不足46时补足到46、超过1500时限制在1500。其中多出来的两字节用于在第一帧数据头部通知网络板0此次传输的总帧数。
以N＝5的测井网络的为例，采用6块网络板组成井下网络，网络板之间数据传输使用以IEEE802.3太网帧，网络板0与长缆传输系统采用SPI总线连接，网络板1～5与井下仪器1～5采用I2C总线连接。
工作过程：
1.上电后，网络板0～5自检、配置三接口switch芯片等、通过串行总线请求连接对方信息并存储。
2.接收长缆遥传系统通过SPI总线下发的查询指令后，网络板0发送以太网广播帧询问仪器状态。网络板1～5收到该广播帧后给接口板0发送以太网帧回复井下仪器信息。网络板0收到信息后转发给长缆遥传系统。该过程结束后各网络板switch芯片交换表建立完成，且网络板0存储各帧收发延时，延时最短判定为来自网络板1，次之为网络板2，以此类推直到网络板5。
3.接收长缆遥传系统通过SPI总线下发的配置指令后，网络板0发送以太网帧将配置信息分发给网络板1～5。网络板1～5接收后通过I2C总线转发配置指令给井下仪器。
4.接收长缆遥传系统通过SPI总线下发的启动指令后，网络板0发送以太网广播帧开启数据采集。网络板1～5收到该广播帧后通过I2C总线启动井下仪器采集，开始接收其数据并存储。短暂延时后，网络板0向网络板1发送以太网帧请求数据传输并告知中间switch芯片数目，网络板1通过将存储数据经计算后分帧发送至网络板0，网络板0接收该数据的同时添加仪器信息转发给长缆遥传系统。网络板1数据传输结束后，网络板0再依次向网络板2、网络板3…网络板5请求数据，最后再回到网络板1形成循环。在此期间网络板0接收并分析长缆传输系统下发的命令，将命令转发给相应井下仪器所连接的网络版，最后通过I2C总线发送给井下仪器。
5.接收长缆遥传系统通过SPI总线下发的关闭指令后，网络板0发送以太网广播帧停止数据采集。网络板1～5收到该广播帧后通过I2C总线通知井下仪器停止数据采集，结束与井下仪器数据传输。等待下一次的启动指令或结束本次数据采集。
以太网分帧计算：
例如网络板0向网络板4请求数据，并告知中间switch数目m＝5。此时网络板4总共从井下仪器4接收L＝2000字节数据，以太网帧协议开销为l＝18字节，得到分帧数
Figure BDA0003121208040000051
前23帧数据长度为
Figure BDA0003121208040000052
最后一帧数据长度为2002-84*23＝70。
综上所述，以上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，因此凡本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于以太网的深地勘探井下高速数据传输系统，其特征在于，包括：
多台井下仪器，给每台仪器均添加一个拥有三接口switch芯片的网络板；所述网络板包括第一接口、第二接口、第三接口；所述第一接口和第二接口用于与其他仪器的网络板上的第二接口和第三接口以菊花链的方式连接，所述第三接口与仪器上的接口相连，所述网络板起到交换机的作用，
还包括一网络板0，网络板0的第一接口与长缆遥传系统通过SPI总线相连接，第二接口与其中一台仪器的网络板的第二接口通过以太网相连接，第三接口闲置；所述每台仪器的网络板依次相连，与网络板0一起组成菊花链式网络；
在switch芯片交换表建立后，井下以太网便组网成功，井下仪器和长缆遥传系统通过各网络板上DSP的串行总线与以太网相连，实现井下仪器和长缆遥传系统之间的数据上传与命令下传；
switch芯片采用存储转发来保证帧的无差错传输，其传输延时随数据帧长度而增长，转发延时Tds由公式(1)表示：
Figure FDA0003711014000000011
其中L为传输数据总字节数，l为协议开销字节数，m为转发经过switch芯片总数，v为传输速率；当这L字节个数据分为x个帧传输时，转发延时由公式(2)表示：
Figure FDA0003711014000000012
选择合适的分帧以减少延时，提高传输效率，x取
Figure FDA0003711014000000013
前x-1帧数据长度为
Figure FDA0003711014000000014
最后一帧数据长度为
Figure FDA0003711014000000015
当帧数据长度不足46时补足到46、超过1500时限制在1500；其中多出来的两字节用于在第一帧数据头部通知网络板0此次传输的总帧数。
2.根据权利要求1所述的一种基于以太网的深地勘探井下高速数据传输系统，其特征在于，包括：
对于有N个井下仪器的测井系统，使用N+1块网络板串联构建以太网络，其中网络板1～N与相应井下仪器相连，网络板0与长缆遥传系统相连。
3.根据权利要求1所述的一种基于以太网的深地勘探井下高速数据传输系统，其特征在于，所述网络板上设置有所述三接口switch芯片、以及DSP芯片，其中switch芯片两个百兆以太网接口用于网络板之间的互联，MAC模块用于与DSP的连接；当所用DSP无MAC模块时，中间添加PHY芯片以及MAC+PHY芯片，用于switch芯片与DSP间的互联，即通过将MAC模块先连接到PHY芯片，然后连接到MAC+PHY芯片，最后连接到DSP芯片；当所用DSP有MAC模块时，使用MAC到MAC的直连。
4.根据权利要求1所述的一种基于以太网的深地勘探井下高速数据传输系统，其特征在于，
在数据上传时，井下仪器n将数据通过串行总线发送给对应网络板n，网络板n通过这个菊花链式的以太网络将数据发送给网络板0，最后由网络板0转发给长缆遥传系统，命令下发时传输方向与之相反。
5.根据权利要求1所述的一种基于以太网的深地勘探井下高速数据传输系统，其特征在于，
采用多switch的菊花链结构，不同网络板上DSP之间数据传输均经过switch芯片传输，即使最近的两个网络板传输也需要经过两个switch芯片，switch芯片采用存储转发来保证帧的无差错传输。
6.根据权利要求1所述的一种基于以太网的深地勘探井下高速数据传输系统，其特征在于，
网络板之间数据传输使用以IEEE802.3以太网帧，网络板0与长缆传输系统采用SPI总线连接，其他网络板与各井下仪器采用串行总线连接。
7.一种基于权利要求1-6之一的系统进行深地勘探井下高速数据传输方法，其特征在于，包括如步骤：
步骤1.上电后，各网络板0～N自检、配置三接口switch芯片、通过串行总线请求连接对方信息并存储；
步骤2.接收长缆遥传系统通过SPI总线下发的查询指令后，网络板0发送以太网广播帧询问仪器状态；网络板1～N收到该广播帧后给接口板0发送以太网帧回复井下仪器信息；网络板0收到信息后转发给长缆遥传系统；该过程结束后各网络板switch芯片交换表建立完成，且网络板0存储各帧收发延时，延时最短判定为来自网络板1，次之为网络板2，以此类推直到网络板N；
步骤3.接收长缆遥传系统通过SPI总线下发的配置指令后，网络板0发送以太网帧将配置信息分发给网络板1～N；网络板1～N接收后通过串行总线转发配置指令给井下仪器；
步骤4.接收长缆遥传系统通过SPI总线下发的启动指令后，网络板0发送以太网广播帧开启数据采集；网络板1～N收到该广播帧后通过串行总线启动井下仪器采集，开始接收其数据并存储；短暂延时后，网络板0向网络板1发送以太网帧请求数据传输并告知中间switch芯片数目，网络板1通过将存储数据经计算后分帧发送至网络板0，网络板0接收该数据的同时添加仪器信息转发给长缆遥传系统；网络板1数据传输结束后，网络板0再依次向网络板2、网络板3…网络板N请求数据，最后再回到网络板1形成循环；在此期间网络板0接收并分析长缆传输系统下发的命令，将命令转发给相应井下仪器所连接的网络板，最后通过串行总线发送给井下仪器；
步骤5.接收长缆遥传系统通过SPI总线下发的关闭指令后，网络板0发送以太网广播帧停止数据采集；网络板1～N收到该广播帧后通过串行总线通知井下仪器停止数据采集，结束与井下仪器数据传输；等待下一次的启动指令或结束本次数据采集。
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