CN202194654U

CN202194654U - 基于FlexRay总线的测井总线系统

Info

Publication number: CN202194654U
Application number: CN2011202419026U
Authority: CN
Inventors: 陈文轩; 陈文�; 肖加奇; 姚德忠; 岳宏图; 裴彬彬
Original assignee: CNPC Great Wall Drilling Co
Current assignee: CNPC Great Wall Drilling Co
Priority date: 2011-07-11
Filing date: 2011-07-11
Publication date: 2012-04-18
Anticipated expiration: 2021-07-11

Abstract

本实用新型公开了一种基于FlexRay总线的测井总线系统（100），其包括多个井下仪器和一个井下遥传单元，其特征在于：所述多个井下仪器通过FlexRay总线与所述井下遥传单元相连接，所述多个井下仪器中的每一个井下仪器与所述井下遥传单元组成一个T型拓扑结构。所述总线系统大大提高了数据传输速率和系统可靠性，能够满足新一代测井系统中大数据量的传输需求。

Description

基于FlexRay总线的测井总线系统

技术领域

本实用新型涉及测井领域，尤其涉及测井系统中的井下仪器总线系统。

背景技术

测井，也被称为地球物理测井或石油测井，是利用岩层的电化学特性、导电特性、声学特性、放射性等地球物理特性，测量地球物理参数的方法。在油田勘探与开发过程中，测井是确定和评价油层、气层的重要手段之一，也是解决一系列地质问题的重要手段。它能直接为石油地质和工程技术人员提供各项资料和数据。

测井系统的井下仪器具有很多种类，通过各种方法测量地层参数来判断油气储存等信息。测井时每一次将多个井下仪器组合成一串下井测量，每一个井下仪器都需要与地面系统通信（包含上传数据和下传控制命令、配置参数等）。为了保证所有的井下仪器都能够与地面系统快速、可靠地通信，必须建立一套完整的、可靠的、能够满足仪器数据传输要求的井下仪器总线系统。目前，测井系统中正在大量使用的井下仪器总线主要有：数据传输总线（DTB），通信速率约为100Kbps；1553B总线，通信速率约为400Kbps；RS485总线，通信速率约为500Kbps；控制器局域网络（CAN）总线，通信速率约为1Mbps。

为了提高地层的测量分辨率和适应复杂地层的测井，当今井下仪器的实现越来越复杂，同时在测量过程中也产生了大量的原始数据。目前很多井下仪器受限于井下仪器总线系统的传输带宽，放弃了大量的原始数据，这对测井数据的事后分析造成了很大障碍。同时，新一代测井系统需要多个仪器进行组合测井以提高测井效率和降低生产成本，需要井下仪器总线系统通信速率更快，连接节点更多，工作更加可靠。此外，井下仪器总线系统是和电缆传输系统配合工作的。一般而言，井下仪器总线系统的通信速率要大于电缆传输系统的通信速率，这样才能充分发挥电缆传输系统的性能。例如，LEAP800新一代测井系统中的电缆传输系统传输速率在1Mbps以上，这样井下仪器总线系统的通信速率就必须在2Mbps以上才能满足LEAP800新一代测井系统中大数据量的传输需求。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种克服了上述缺陷的测井井下仪器总线系统。

为此，本实用新型提供一种基于FlexRay总线的测井井下仪器总线系统。所述总线系统包括多个井下仪器和一个井下遥传单元。所述多个井下仪器通过FlexRay总线与所述井下遥传单元相连接。所述多个井下仪器中的每一个井下仪器均与所述井下遥传单元组成一个T型拓扑结构。

在本实用新型的一个实施例中，每一个井下仪器上均设有通信板，用于获取仪器数据并转发至所述FlexRay总线。所述通信板包括通信接口、嵌入式处理器、数字信号处理器（DSP）、FlexRay收发器、存储器。所述嵌入式处理器通过所述通信接口获取仪器数据，并将所获取的仪器数据转发给所述DSP。所述DSP对仪器数据进行计算，所得到的计算结果经过所述嵌入式处理器调整数据格式后发送给所述FlexRay收发器。所述FlexRay收发器将调整后的数据转换为FlexRay数据帧后发送至所述FlexRay总线。

优选地，每一个井下仪器的标识被存储在该井下仪器的通信板的存储器中。

优选地，每一个井下仪器的标识是预定义的FlexRay数据帧的头部段中的帧ID。

更优选地，井下仪器的最大数目是2047。

更优选地，当在所述FlexRay总线上有数据帧时，井下仪器的通信板中的FlexRay收发器从所述数据帧中抽取目的ID，并将所述目的ID与作为该井下仪器的标识的预定义帧ID进行比较。如果所述预定义帧ID没有被包含在所述目的ID内，则所述FlexRay收发器舍弃该数据帧不予响应。如果所述目的ID内包含所述预定义帧ID，则所述FlexRay收发器将该数据帧读入，转换为并行数据后传送给该井下仪器的通信板中的嵌入式处理器，所述嵌入式处理器根据预先定义好的数据格式对该数据进行解析并做出响应。

优选地，所述井下遥传单元包括FlexRay通信板、井下遥传电路板、以及信号变压器。所述FlexRay通信板与各井下仪器的通信板形成FlexRay网络通信。所述井下遥传电路板对来自所述FlexRay通信板的信号进行调制，以及对来自所述信号变压器的信号进行解调。所述信号变压器将经调制的信号耦合至电缆传输系统以便传送到地面系统，以及将来自电缆传输系统的信号传送至所述FlexRay通信板。

更优选地，所述FlexRay通信板的电路结构与各井下仪器的通信板的电路结构相同。

通过利用根据本实用新型的上述测井井下仪器总线系统，大大提高了数据传输速率和系统可靠性，能够满足新一代测井系统中大数据量的传输需求。

附图说明

通过结合附图来阅读后面的具体实施方式，可以更好地理解本实用新型的特征和优点。在附图中：

图1是根据本实用新型一个实施例的测井井下仪器总线系统的示意框图；

图2是根据本实用新型一个实施例的井下仪器的通信板的示意框图；

图3是FlexRay总线协议中的帧结构的示意图；以及

图4是根据本实用新型一个实施例的井下遥传单元的示意框图。

具体实施方式

FlexRay总线是一种在汽车行业广泛应用的总线，它能达到10Mbps的高数据传输速率，且具有冗余网络传输和专门的出错处理功能。本实用新型正是在FlexRay总线的基础上构建了测井井下仪器总线系统以便提高数据传输速率和系统可靠性。

下面结合附图详细说明本实用新型的实施例。

图1是根据本实用新型一个实施例的测井井下仪器总线系统100的示意框图。所述总线系统100包括井下遥传单元、井下仪器1、井下仪器2、…、井下仪器N（其中N是自然数）。井下仪器1、井下仪器2、…、井下仪器N通过FlexRay总线与井下遥传单元相连接。井下仪器1、井下仪器2、…、井下仪器N中的每一个均与井下遥传单元组成一个T型拓扑结构。虽然井下仪器的串接方式决定了下方仪器必须通过上方仪器中的贯通线相连，但是从拓扑结构上来说仍然属于T型总线结构。因此，即使有节点（例如井下仪器1）发生故障，也不会影响其他节点（例如井下仪器2—井下仪器N）正常工作。

每一个井下仪器上均设有通信板，用于获取仪器数据并转发至FlexRay总线。图2是根据本实用新型一个实施例的井下仪器的通信板200的示意框图。

通信板200包括通信接口、嵌入式处理器、数字信号处理器（DSP）、FlexRay收发器、存储器，其中嵌入式处理器是通信板200的核心。嵌入式处理器通过通信接口获取来自仪器数据处理板（未示出）的仪器数据，并将所获取的仪器数据转发给DSP。DSP完成对仪器数据的计算功能，例如某一井下仪器需要对一定时间内的数据进行积分和矩阵乘法运算以降低数据率并获取被测量，所得到的结果经过嵌入式处理器调整数据格式后发送给FlexRay收发器。FlexRay收发器将调整后的数据转换为FlexRay数据帧后发送至FlexRay总线。

每一个井下仪器的标识被存储在存储器中，所述存储器例如是闪速存储器（FLASH）。在本实用新型的一个实施例中，预定义FlexRay数据帧的头部段中的帧ID来作为井下仪器的标识。当在FlexRay总线上有数据帧时，FlexRay收发器从数据帧中抽取目的ID，并将目的ID与作为井下仪器的标识的预定义帧ID进行比较。如果预定义帧ID没有被包含在目的ID内，则FlexRay收发器舍弃该数据帧不予响应；如果目的ID内包含预定义帧ID，则FlexRay收发器将该数据帧读入，转换为并行数据后经由数据线传送给嵌入式处理器。嵌入式处理器根据预先定义好的数据格式对该数据进行解析并做出响应。

下面结合图3对FlexRay数据帧进行详细说明。图3是FlexRay总线协议中的帧结构300的示意图。如图3所示，一个FlexRay数据帧由头部段（Header Segment）、净荷段（Payload Segment）和尾部段（Trailer Segment）这三部分组成。头部段共由5个字节（40位）组成，包括以下各位：

（1）保留（Reserved），1位，其为以后的扩展做准备；

（2）净荷前置码指示（Payload preamble indicator），1位，其指明帧的净荷段的向量信息；

（3）空帧指示（Null frame indicator），1位，其指明净荷段的数据帧是否为零；

（4）同步帧指示（Sync. frame indicator），1位，其指明是否为同步帧；

（5）起始帧指示（Start-up frame indicator），1位，其指明发送帧的节点是否为起始帧；

（6）帧ID（Frame ID），11位，其指明在系统设计过程中分配给每个节点的ID（有效范围：1至2047）；

（7）长度（Length），7位，其指明净荷段的长度，以字为单位；

（8）头部循环冗余校验（Header CRC），11位，其表明同步帧指示和起始帧指示的CRC计算值、以及由主机计算的帧ID和帧长度；

（9）周期（Cycle），6位，其指明在帧传输时间内传输帧的节点的周期计数。

净荷段由0-254个字节或者说0-127个字的数据（Data0, Data1, Data2, …, Data n）组成。尾部段包括24位CRC值，这些CRC值会在连接的信道上面改变种子值，以防不正确的校正。

根据FlexRay总线协议中的上述帧结构定义，本实用新型的一个实施例使用头部段中的帧ID来定义每个井下仪器的唯一标识。由于帧ID最多可以定义2047个节点，因此井下仪器的最大数目是2047，这对于井下仪器的实际应用来说足够用了。

通过这些帧ID，可以使地面系统对各个不同的井下仪器进行识别和单点通信，而各仪器的通信板上的FlexRay收发器可以在硬件层次上根据每次帧信息中携带的帧ID来判断自己是否应该接受该信息并处理，并且根据已经接受到的帧信息中的源ID来判断回发数据的目的ID。

图4示出根据本实用新型一个实施例的井下遥传单元400的示意框图。井下遥传单元400包括FlexRay通信板、井下遥传电路板、以及信号变压器。FlexRay通信板与各井下仪器的通信板形成FlexRay网络通信。由于FlexRay通信板的电路结构与各井下仪器的通信板的电路结构相同，这里就不再赘述。井下遥传电路板对来自FlexRay通信板的信号进行调制，这类似于普通ADSL（非对称数字用户环路）对信号的调制。然后，经调制的信号通过信号变压器耦合至电缆传输系统。电缆传输系统通过7芯电缆将调制信号上传至地面系统（未示出），再由地面系统中的遥传箱体对调制信号进行解调，从而得到井下数据。

在地面系统向井下仪器发送控制命令的情况下，首先由地面系统中的遥传箱体对控制命令进行调制，然后将经调制的控制命令通过电缆传输系统传送至井下遥传单元400中的信号变压器。井下遥传电路板对来自信号变压器的经调制的控制命令进行解调，从而得到控制命令。该控制命令经由FlexRay通信板被转发至FlexRay总线，然后对应的井下仪器获取该控制命令后由其嵌入式处理器执行。

为了提高系统的可靠性，还可以应用FlexRay总线的冗余传输机制，即每一个信息帧通过两条信道进行传输，其中一条信道为冗余信道。当信息帧的到达时间超时之后则该帧被当作无效帧丢弃。

FlexRay总线的通信协议本身具有时间同步功能，这主要用来保证系统的实时性。本实用新型的测井井下仪器总线系统的通信协议则包含了时间戳。这二者相结合就能够检验冗余信道的有效性。而且，因为测井系统要求所有数据与深度挂钩，而除了深度面板之外其他仪器本身不具有深度测量功能，但是可以通过深度面板与时间挂钩，再通过所有井下仪器时间同步来与深度挂钩，因此每个井下仪器的绝对时间的准确性也得到了保证。

另外，FlexRay总线的通信协议本身具有循环冗余校验，在井下仪器总线系统的通信协议中也有两个字节的校验码，这就进一步提高了数据传输的可靠性。

在根据本实用新型的上述测井井下仪器总线系统中，由于采用了FlexRay总线，所以系统的数据传输速率（10Mbps）是现有技术中的CAN总线系统的数据传输速率（1Mbps）的10倍。而且，FlexRay总线所具有的冗余网络传输机制和专门的出错处理功能进一步提升了系统的可靠性和稳定性。另外，由于所有的井下仪器使用统一的通信板，所以使得仪器生产方便快捷，便于维护。

以上参考附图示出并描述了本实用新型的实施例，但是本实用新型不限于此。显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种修改、变型和替换而不脱离本实用新型的精神范围。因此，只要本实用新型的这些修改、变型和替换属于本实用新型的权利要求书及其等同技术方案的范围之内，则本实用新型也意图包含这些修改、变型和替换。

Claims

1. 一种基于FlexRay总线的测井井下仪器总线系统（100），所述总线系统（100）包括多个井下仪器和一个井下遥传单元，其特征在于：

所述多个井下仪器通过FlexRay总线与所述井下遥传单元相连接，所述多个井下仪器中的每一个井下仪器均与所述井下遥传单元组成一个T型拓扑结构。

2. 根据权利要求1所述的测井井下仪器总线系统（100），其特征在于：

每一个井下仪器上均设有通信板（200），用于获取仪器数据并转发至所述FlexRay总线，

所述通信板（200）包括通信接口、嵌入式处理器、数字信号处理器DSP、FlexRay收发器、存储器，

所述嵌入式处理器通过所述通信接口获取仪器数据，并将所获取的仪器数据转发给所述DSP，

所述DSP对仪器数据进行计算，所得到的计算结果经过所述嵌入式处理器调整数据格式后发送给所述FlexRay收发器，

所述FlexRay收发器将调整后的数据转换为FlexRay数据帧后发送至所述FlexRay总线。

3. 根据权利要求2所述的测井井下仪器总线系统（100），其特征在于：

每一个井下仪器的标识被存储在该井下仪器的通信板的存储器中。

4. 根据权利要求2或3所述的测井井下仪器总线系统（100），其特征在于：

每一个井下仪器的标识是预定义的FlexRay数据帧的头部段中的帧ID。

5. 根据权利要求4所述的测井井下仪器总线系统（100），其特征在于：

井下仪器的最大数目是2047。

6. 根据权利要求4所述的测井井下仪器总线系统（100），其特征在于：

当在所述FlexRay总线上有数据帧时，井下仪器的通信板中的FlexRay收发器从所述数据帧中抽取目的ID，并将所述目的ID与作为该井下仪器的标识的预定义帧ID进行比较，

如果所述预定义帧ID没有被包含在所述目的ID内，则所述FlexRay收发器舍弃该数据帧不予响应；

如果所述目的ID内包含所述预定义帧ID，则所述FlexRay收发器将该数据帧读入，转换为并行数据后传送给该井下仪器的通信板中的嵌入式处理器，所述嵌入式处理器根据预先定义好的数据格式对该数据进行解析并做出响应。

7. 根据权利要求2所述的测井井下仪器总线系统（100），其特征在于：

所述井下遥传单元包括FlexRay通信板、井下遥传电路板、以及信号变压器，

所述FlexRay通信板与各井下仪器的通信板形成FlexRay网络通信；

所述井下遥传电路板对来自所述FlexRay通信板的信号进行调制，以及对来自所述信号变压器的信号进行解调；

所述信号变压器将经调制的信号耦合至电缆传输系统以便传送到地面系统，以及将来自电缆传输系统的信号传送至所述FlexRay通信板。

8. 根据权利要求7所述的测井井下仪器总线系统（100），其特征在于：

所述FlexRay通信板的电路结构与各井下仪器的通信板的电路结构相同。