CN201145945Y - 一种多功能井下电缆遥测数据传输转换器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种多功能井下电缆遥测数据传输转换器，在FPGA芯片上嵌入Nios软核、Avalon软核总线、上传和下传DTB接口模块、并分别嵌入BPSK双相位相移键控解调模块、八位FSP帧同步检测模块、循环冗余CRC校验模块、指令译码模块、下发命令接收FIFO模块和状态字“1”寄存器6构成仪器命令下行通道，嵌入上传数据发送FIFO模块、状态字“2”寄存器、循环冗余校验CRC发生器、十六位帧同步FSP发生器和BPSK双相位调制模块构成仪器数据上行命令通道，避免了原来使用大量分立元器件带来的电路体积大、故障点多、误码率高、可靠性差的缺点，提高了集成度和智能性，缩小体积、降低误码率、提高可靠性。

Description

一种多功能井下电缆遥测数据传输转换器

技术领域

本实用新型涉及一种在FPGA芯片中集成Nios软核、双相位相移键控BPSK和井下仪器总线DTB接口，实现井下数据采集传输控制的多功能转换器。

背景技术

石油测井领域中电缆遥测数据传输是测井仪器的重要组成部分，它包括遥传短节和地面仪之间的电缆编码传输，遥测短节和各仪器之间的数据传输。电缆遥测传输短节地面和电缆遥测数据传输双相位相移键控调制解调接收地面，将电缆发来的命令数据，经解调后通过DTB三总线以双极性归零制信号方式向各仪器传递，接收自地面的仪器控制命令数据，供仪器执行。在DTB三总线上发出接受数据时钟信号UCLK，通过UPDATA/GO信号线接收仪器数据，经过BPSK双相位相移键控调制编码，驱动到电缆上供地面仪接收。通常电缆遥测短节采用分立元器件来设计制造井下遥测连接系统，这样就造成元器件数量众多，体积庞大，成本增加，误码率几率增加，系统可靠性下降。

Altera公司的Nios软核嵌入式处理器是一种可特许的通用RISC CPU，Altera以IP核的方式将它提供给设计者。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种使用现有井下仪器测试系统电缆遥测短节的FPGA芯片，嵌入Nios软核CPU和专用Avalon片上系统总线，集成DTB接口模块，以积木形式实现SOPC功能，将原来遥测短节各种功能的分立硬件制备成软硬结合的专用组件，集成在FPGA芯片上，以提高遥测仪器集成度和可靠性，降低硬件复杂度，同时间接降低仪器成本的多功能井下电缆遥测数据传输转换器，替代原由分立元器件构成的井下仪器测试系统电缆遥测短节。

本实用新型采用如下技术方案：

在FPGA芯片上嵌入一个Nios软核CPU处理器；在FPGA芯片上嵌入一个Avalon软核总线，在FPGA上嵌入一个上传DTB接口模块和一个下传DTB接口模块；在FPGA芯片上嵌入一个BPSK双相位相移键控解调模块，一个八位FSP帧同步检测模块，一个循环冗余CRC校验模块，一个指令译码模块，一个下发命令接收FIFO模块，一个状态字“1”寄存器，构成仪器命令下行通道；BPSK双相位相移键控解调模块、八位FSP帧同步检测模块、下发命令接收FIFO模块和下传DTB接口模块连通，BPSK双相位相移键控解调模块连接FPGA芯片外的用于接收地面传来的下井仪器控制命令的去耦接收滤波放大电路模块，下传DTB接口模块连接FPGA芯片外的DTB三总线的下行接口总线DSIG总线，循环冗余CRC校验模块一端与BPSK双相位相移键控解调模块输出端连接，另一端与状态字“1”寄存器连接，状态字“1”寄存器与16位Nios软核CPU处理器连接，八位FSP帧同步检测模块输出端同时与16位Nios软核CPU处理器和指令译码模块连接，指令译码模块又与状态字“1”寄存器连接；

FPGA芯片上嵌入一个上传DTB接口模块，一个上传数据发送FIFO模块，一个状态字“2”寄存器，一个循环冗余校验CRC发生器，一个十六位帧同步FSP发生器，一个BPSK双相位调制模块，与FPGA芯片外电缆驱动模块和DTB三总线的UDATA/GO总线和UCLK总线连接构成仪器数据上行通道；同时在FPGA上集成系统时钟模块，接收时序发生器，发送时序发生器和帧发生器模块；BPSK双相位调制模块输出端与FPGA芯片外电缆驱动模块连接，输入端依次与循环冗余校验CRC发生器、上传数据发送FIFO模块、上传DTB接口模块连接，上传DTB接口模块连接DTB三总线的UDATA/GO总线和UCLK总线，上传数据发送FIFO模块同时与状态字“2”寄存器和16位Nios软核CPU处理器连接，十六位帧同步FSP发生器连接BPSK双相位调制模块；接收时序发生器和发送时序发生器通过系统时钟模块与16位Nios软核CPU处理器连接，BPSK双相位相移键控解调模块和BPSK双相位调制模块通过帧发生器模块与16位Nios软核CPU处理器连接。

地面向井下仪器传送指令时，电缆调制过的信号经过井下方式变压器接到去耦接收滤波放大电路模块，使信号得到放大、滤波和去噪，然后进入BPSK双相位相移键控解调模块被解调为NRZ码。经八位FSP帧同步检测识别后，位指令信号就被送往DSIG总线，从而被相应地址的井下仪器所接收。循环冗余CRC校验模块可以检测出传输是否出错，并把检验结果送入状态字“1”寄存器，以便下一帧传回地面，如果指令中所指定地址与井下遥测单元的地址“0011000”相同则由指令译码模块对此进行译码。

向上传送数据时，上传DTB接口模块首先在16位Nios软核CPU处理器控制下，向DTB三总线UDATA/GO总线发出GO脉冲，通知井下仪器准备数据传输。此时16位Nios软核CPU处理器控制八位FSP帧同步检测模块将8位导“0”和将16位的帧同步FSP发生器控制信号送到状态字“2”寄存器中，BPSK双相位调制模块进行双相位相移键控的编码调制，然后将存储在两个状态字寄存器的状态字“1”和状态字“2”作为后续相继送到BPSK双相位调制模块，送完后，16位Nios软核CPU处理器控制上传DTB接口模块顺序接收井下仪器数据并经过上传数据发送FIFO模块送到状态字“2”寄存器中，等最后一个仪器数据字接受完后，经过循环冗余CRC发生器，校验，送到BPSK双相位调制模块调制。

本实用新型是利用FPGA芯片，构造BPSK和DTB模块，使用嵌入式NIOS软核和avalon总线，实现对各仪器数据通过DTB仪器总线进行收集和并进行BPSK调制编码后传输至电缆；对地面通过电缆传来的BPSK编码仪器控制命令数据进行解调，经DTB仪器总线传到各个仪器中。这样可以避免原来使用大量分立元器件带来的电路体积大、故障点多、误码率高、可靠性差的缺点，极大提高系统集成度和智能性，缩小体积、降低误码率、提高可靠性。

附图说明

图1多功能井下电缆遥测数据传输转换器电路示意图。

图2CPU主控制程序流程图。

图3遥测接收本身命令子程序控制流程图。

图4DTB仪器数据接收子程序控制流程图。

图5DTB仪器命令下发子程序控制流程图。

图6DTB仪器数据接收子程序控制流程图。

具体实施方式

根据图1所示，对本实用新型采用的技术方案作具体的说明：

首先在Altera公司的Cyclone系列FPGA EP1C12Q240I7芯片上构架处理器-CPU结构体系，然后集成高效专为SOPC(System-On-a-ProgrammableChip)环境片上总线Avalon总线。

在FPGA芯片上嵌入一个16位Nios软核CPU处理器19；

在FPGA芯片上嵌入一个Avalon软核总线21和相应的仲裁逻辑，总线宽度选择位16位，同步方式；

在FPGA上嵌入按照DTB三总线协议定制的上传和下传DTB接口模块8、16；

在FPGA芯片上嵌入一个BPSK双相位相移键控解调模块2，一个八位FSP帧同步检测模块3，一个循环冗余CRC校验模块4，一个指令译码模块5，一个下发命令接收FIFO模块7，一个状态字“1”寄存器6；和FPGA芯片外的DTB三总线21，构成仪器命令下行通道；

BPSK双相位相移键控解调模块2、八位FSP帧同步检测模块3、下发命令接收FIFO模块7和下传DTB接口模块8连通，BPSK双相位相移键控解调模块2连接FPGA芯片外的用于接收地面传来的下井仪器控制命令的去耦接收滤波放大电路模块1，下传DTB接口模块8连接DTB三总线21，循环冗余CRC校验模块4一端与BPSK双相位相移键控解调模块2输出端连接，另一端与状态字“1”寄存器6连接，状态字“1”寄存器6与16位Nios软核CPU处理器19连接，八位FSP帧同步检测模块3输出端同时与16位Nios软核CPU处理器19和指令译码模块5连接，指令译码模块5又与状态字“1”寄存器6连接；

FPGA芯片上嵌入一个上传DTB接口模块16，一个井下仪器数据上传数据发送FIFO模块15，一个状态字“2”寄存器20，一个循环冗余校验CRC发生器14，一个十六位帧同步FSP发生器13，一个BPSK双相位调制模块12，与FPGA芯片外电缆驱动模块11和DTB三总线21，构成仪器数据上行通道；

FPGA上还集成了系统时钟18，接收时序发生器9，发送时序发生器17和帧发生器模块10作为上行和下行通道和Nios软核CPU处理器19的辅助模块；

BPSK双相位调制模块12输出端与FPGA芯片外电缆驱动模块11连接，输入端依次与循环冗余校验CRC发生器14、上传数据发送FIFO模块15、上传DTB接口模块16连接，上传DTB接口模块16连接DTB三总线21，上传数据发送FIFO模块15同时与状态字“2”寄存器20和16位Nios软核CPU处理器19连接，十六位帧同步FSP发生器13连接BPSK双相位调制模块12；接收时序发生器9和发送时序发生器17通过系统时钟18与16位Nios软核CPU处理器19连接，BPSK双相位相移键控解调模块2和BPSK双相位调制模块12通过帧发生器模块10与16位Nios软核CPU处理器19连接。

具体程序流程如下见图2、3、4、5、6：主机下发的各条指令经过地面遥测模块处理后，经过几千米电缆传送到方式变压器的初级，经过耦合送入滤波电路，几级滤波后的指令被还原成BPSK调制信号。该指令信号被解调后成为NRZ不归零制信号，再进行帧同步字识别，产生同步字脉冲信号，启动接收时序脉冲。同时，指令信号经过循环冗余CRC校验模块的校验。至此，原来的64位的标准指令信号被转换成由基本指令字和用户指令字构成的32位指令信号DDATA以及相应的32位时钟脉冲DCLK。该时钟信号和指令信号分两路下传送，一路经过下行DTB接口模块产生DSIG信号，并被送入DSIG总线(下行接口总线)，传给各个井下仪器自身的DTB接口电路，控制各个井下仪器的工作状态；另一路送入指令译码电路，如果接收到的指令是主机下发给多功能井下电缆遥测数据传输转换器的，经过解码的指令将被锁存在多功能井下电缆遥测数据传输转换器的控制电路中，产生控制信号。

在上行数据发送期间，控制信号启动多功能井下电缆遥测数据传输转换器的发送时序发生器，产生相应的发送时序脉冲，并将多功能井下电缆遥测数据传输转换器内部产生的GO脉冲以及上行数据移位时钟UCLK分别送入UDATA/GO总线和UCLK总线，传送到各个下井仪器自身DTB接口电路中，启动各个井下仪器上传数据。多功能井下电缆遥测数据传输转换器内部产生的状态字1和状态字2以及UCLK触发时钟，从UDATA/GO总线传来的各个下井仪器的上传数据UPDATA被送入信号多路转换电路，组合成一定的上行数据格式，经过同步字/译码检测发生器电路，产生FSP同步字以及电路运算产生的CRC字，与上行数据一起送入调制电路，调制成BPSK信号，该信号经过整形后近似三角波形，并被送入电缆驱动电路，对信号进行驱动放大后，由方式变压器耦合到七芯电缆上，通过电缆传向地面。

在上行数据发送结束后，多功能井下电缆遥测数据传输转换器内部发送时序发生器将产生一个握手脉冲信号，用于传送一路声波波形信号。

附1：原遥测短节下行指令接收功能程序说明，本多功能井下电缆遥测数据传输转换器下行指令接收功能程序与其完全相同。

指令格式，见表1：

地址位

B0    B7	B0    B7	B0    B15	B0    B9B15	B0    B7	B0  B7
						引导零	同步字FSP	用户定义字	基本指令字	误码检测CRC	尾零
8位	8位	16位	16位	8位	8位

引导零：B₀～B₇用于遥测短节接收指令的同步信号。

同步字FSP：01101011用于每条指令的同步信号，正常读序应为B₇～B₀01101011即(326)₈。

用户定义字：B₀～B₁₅

            B₀～B₁₁不用；

            B₁₂保留位，留作后用；

            B₁₃若B₁₃＝1，波形启动位，要求在上行数据按格式传送

                结束，马上开始传送波形讯号；

            B₁₄ B₁₅

            0  0遥测短节工作于80ms(12.5Hz)；

            1  0遥测短节工作于每帧20ms(50Hz)；

            1  1遥测短节工作于随机采样方式，由命令来出发

               帧；

             0    1遥测短节工作于等待状态，等待B₁₄置1

                   再由命令来 触发

基本指令字：B₀～B₁₅

            B₀～B₇帧长度计数，2N

            B₈  禁止位，若B₈＝1，遥测短节被禁止；

            B₉～B₁₅遥测短节地址为0001100，正常读序应

                  为B₁₅～B₉，0001100即(030)₈。

遥测短节的指令接收电路主要包括：电源，方式变压器，滤波电路，静噪电路，BPSK解调电路，系统时钟，FSP帧同步检测电路，CRC循环冗余检测电路，指令解码电路，接收时序电路，井下仪下行指令DTB接口电路构成。“0”

指令接收电路主要完成的功能如下：对经过电缆传输到遥测短节的指令信号进行处理，先对仅有V_p-p＝1～2V的指令信号进行滤波。经几级高通、低通及横向滤波器电路消除噪声杂波，放大有用信号，再经过一个比较电路将有用指令信号波形恢复成标准的BPSK信号。解调电路有将BPSK信号恢复成不归零制逻辑电平信号，即“1”用高电平表示，“0”用零电平表示，每一位信号宽度为10μs.FSP同步检测电路确定出每条指令的实际起始位，并触发接收时序电路。至此，每64位的标准指令信号被转换成由用户定义字和基本指令字构成的32位指令信号，再经过CRC多项式为X⁸+1电路作循环冗余误码检测。经过检测后的指令信号分成两路传输：一路指令信号被送到指令译码器，判断是否是地面系统发给遥传短节的指令。如果基本指令字中的地址与遥传短节的地址相同，则地址比较相等，指令译码器将锁存该条指令，控制电路将根据指令参数内容修改遥测短节的工作状态。否则，指令译码器不锁存该条指令，这条指令将自动取消；另一条指令信号被送到下行指令DBT总线接口电路。经编码后，转换成DSIG信号，通过DBT总线送给各下井仪。

附2，上行数据格式及电路功能说明

数据结构见表2

表2

B7  B0	B15  B0	B15B7～B0	B15 B0			…			B7 B0
										引导零	同步字FSP	状态字1#	状态字2#	数据字1#	数据字2#	…	数据字n#	CRC误码检测	尾零
8位	16位	8位	16位	16位	16位	…	16位	16位	8位

引导零：B₇～B₀，用于与电缆遥测系统地面模块的同步.

同步字：B₁₅～B₀，0000011001101011(003153)₈.用于地面遥测模块检测帧同步.

状态字1^#：B₁₅～B₀.其中

      B₇～B₀反映当前帧的计数长度，由地面模块下发

        的指令进行控制，开机通电时的缺省值为

       00010000(即N＝16)(N位上述帧长度计数中

    2N的N)；

    B₈  CMDREC位，命令结收到的标志位，B₈＝1表明

         遥测短节接收到下发指令；B₈＝0表明遥测短节未接收到下

       发指令；

B₉   CMDERRCRC位，接收指令出错标志位.B₉＝1表明由地面模块

    下发的指令经遥测短节的CRC校验后证实，接收指令出错；

    B₉＝0表明遥测短节接收指令正确；

          B₁₀ TimeOUT位，超时标志位。B₁₀＝1表明当前帧的发送时间超时；

               B₁₀＝0表明一帧传输信号未超时；

          B₁₂ B₁₁不用；

          B₁₃  传输一路声波的标志位；

          B₁₅B₁₄反映遥测短节当前帧工作方式的标志位，B₁₅＝0 B14＝0，

          表明工作在80ms方式；B₁₅＝0 B₁₄＝1表明遥测短节工作在20ms方式。

          开机缺省值为B₁₅＝0 B₁₄＝0；

状态字2^#：B₁₅～B₀，其中

          B₁₀～B₀不用(接地)；

          B₁₅～B₁₀缆头电源峰峰值经A/D转换后的二进制数值；

数据字1^#～数据字n^#：上行数据(DTBDATA)来自各下井仪器的上行数据1≤n≤510 n＝2N即最多传输数据510字，价电缺省值时N＝16，n＝32。

CRC字：校验字，生成多项式X¹⁶+X¹²+X⁵+1时上行数据(包括状态字1^#，状态字2^#)的循环冗余计算结果。

尾零：用于移位传送最后8位零数字信号。地面接收设备用它来“冲洗”掉先前所发送的数据，准备下一帧数据接收。

电缆遥测系统遥测短节的上行数据发送电路主要包括：过零检测电路，帧触发电路，发送时序电路(包括帧长度计数器)，加电复位电路，状态寄存器，FSP/CRC发生器，信号多路转换，缆头电压A/D转换器，FSP/STBDAT/CRC三路信号转换器，BPSK调制电路，整形和电缆驱动放大等。

上行数据发送电路主要完成的功能如下：由遥测短节电源变压器次级送来的一路V_pp＝36V正弦信号，经过零检测形成50HZ方波，在经二、八分频产生25HZ和6.25HZ方波，在经频率加倍电路，又变成50HZ和12.5HZ信号，根据指令译码产生的控制信号，选用50HZ或12.5HZ作为触发波形送往帧触发电路。启动发送时序电路，产生上行数据信号所需的所有发送时序脉冲。同时，帧长度器将指令译码器所存的帧长度计数值读入，根据帧长度读数值产生相应的时序波形，并通过状态寄存器1^#，状态字1^#寄存器的锁存内容包括：帧长度、时间溢出位、指令接收标志等，状态寄存器2^#，缆头电压将相应遥测短节的状态位锁存，产生状态字1^#和状态字2^#。当触发电路被启动时，预置的同步字0000011001101011(003153)₈也被锁存在FSP/CRC发生器电路中，产生同步字信号。DTB上行接口电路与下井仪器联接的UCLK总线发送ULCK时钟，ULCK作为移动时钟，将各下井仪器产生的上行数据UPDATA(即UDATA)经DTB总线中的UDATA/GO总线送入遥测短节的DTB上行接口电路.状态字1^#状态字2^#加上上行数据UDATA被送入FSP/CRC发生器电路进行CRC循环冗余计算，作CRC误码计算。计算多项式为X¹⁶+X¹²+X⁵+1。产生CRC校验字，加在了上行数据UDATA的尾部，串行送入信号多路转换电路.经过格式化改组信号被送入BPSk双相位调制解调电路进行调制，经过调制后的信号除了(前后)引导零和尾部各8位外，其他字都是16位，即数据信号包括：16位帧同步字，16位的状态字1^#，16位的状态字2^#，上行数据UDATA和16位的CRC字。经过整形电路后，该信号被送入电缆驱动放大电路。放大后的信号，电压幅度峰峰值约48V。经过方式变压器1∶1耦合送上电缆。若超过规定时间要求时，将会产生一个时间溢出标志位随状态字1^#的B₀＝1发给地面系统.加电复位电路通常是在仪器通电时，瞬间工作，在位接收到地面系统发给遥测短节的指令时，遥测短节预制上传数据长度为32个字，而当前帧工作方式缺省值为B₁₄＝0，B₁₅＝0，即每80ms上传一帧数据，每一帧数据预置N＝16，2N＝32共32个字(包括状态字1^#和2^#)。

Claims (1)

1、一种多功能井下电缆遥测数据传输转换器，其特征在于：在FPGA芯片上嵌入一个Nios软核CPU处理器(19)；在FPGA芯片上嵌入一个Avalon软核总线(22)，在FPGA上嵌入一个上传DTB接口模块(16)和一个下传DTB接口模块(8)；在FPGA芯片上嵌入一个BPSK双相位相移键控解调模块(2)，一个八位FSP帧同步检测模块(3)，一个循环冗余CRC校验模块(4)，一个指令译码模块(5)，一个下发命令接收FIFO模块(7)，一个状态字“1”寄存器(6)，构成仪器命令下行通道；BPSK双相位相移键控解调模块(2)、八位FSP帧同步检测模块(3)、下发命令接收FIFO模块(7)和下传DTB接口模块(8)连通，BPSK双相位相移键控解调模块(2)连接FPGA芯片外的用于接收地面传来的下井仪器控制命令的去耦接收滤波放大电路模块(1)，下传DTB接口模块(8)连接FPGA芯片外的DTB三总线(21)的下行接口总线DSIG总线，循环冗余CRC校验模块(4)一端与BPSK双相位相移键控解调模块(2)输出端连接，另一端与状态字“1”寄存器(6)连接，状态字“1”寄存器(6)与16位Nios软核CPU处理器(19)连接，八位FSP帧同步检测模块(3)输出端同时与16位Nios软核CPU处理器(19)和指令译码模块(5)连接，指令译码模块(5)又与状态字“1”寄存器(6)连接；

FPGA芯片上嵌入一个上传DTB接口模块(16)，一个上传数据发送FIFO模块(15)，一个状态字“2”寄存器(20)，一个循环冗余校验CRC发生器(14)，一个十六位帧同步FSP发生器(13)，一个BPSK双相位调制模块(12)，与FPGA芯片外电缆驱动模块(11)和DTB三总线(21)的UDATA/GO总线和UCLK总线连接构成仪器数据上行通道；同时在FPGA上集成系统时钟模块(18)，接收时序发生器(9)，发送时序发生器(17)和帧发生器模块(10)；BPSK双相位调制模块(12)输出端与FPGA芯片外电缆驱动模块(11)连接，输入端依次与循环冗余校验CRC发生器(14)、上传数据发送FIFO模块(15)、上传DTB接口模块(16)连接，上传DTB接口模块(16)连接DTB三总线(21)的UDATA/GO总线和UCLK总线，上传数据发送FIFO模块(15)同时与状态字“2”寄存器(20)和16位Nios软核CPU处理器(19)连接，十六位帧同步FSP发生器(13)连接BPSK双相位调制模块(12)；接收时序发生器(9)和发送时序发生器(17)通过系统时钟模块(18)与16位Nios软核CPU处理器(19)连接，BPSK双相位相移键控解调模块(2)和BPSK双相位调制模块(12)通过帧发生器模块(10)与16位Nios软核CPU处理器(19)连接。

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