CN205823273U - 一种用于模拟测井仪器的装置和地面系统自检设备 - Google Patents

Abstract

一种用于模拟测井仪器的地面系统自检设备，涉及石油勘探领域。该用于模拟测井仪器的装置能够模拟多支井下仪器测井的功能，并且便于携带、操作方便，从而该地面系统自检设备能够在降低成本节省人力资源消耗的同时达到检查通信的目的。该用于模拟测井仪器的装置包括电缆模拟模块1、电缆信号驱动模块2、系统主控模块3和电源模块4。该地面系统自检设备包括该用于模拟测井仪器的装置，并且还包括与所述装置进行通信的地面系统，其中，所述装置的电缆模拟模块1与所述地面系统的缆芯分配面板相连接。

Description

一种用于模拟测井仪器的装置和地面系统自检设备

技术领域

本实用新型涉及石油勘探领域，特别涉及一种用于模拟测井仪器的装置和地面系统自检设备。

背景技术

随着我国石油行业的快速发展，石油装备的自主研发也发展快。海洋石油成像测井系统(ELIS)是中海油田服务股份有限公司具有自主知识产权的测井系统。测井的通信主要有三个部分构成，地面系统，电缆和井下仪器。测井过程中必须保证通信正确，否则会导致测井过程无法正常进行。在测井时，受到运输、环境、人为操作等各种因素影响，设备可能发生损坏。导致地面系统与井下仪器无法建立通信，带来人力和物力的损失。

地面系统贯穿整个测井过程，需要首先确认地面系统是否正常工作，然后再排查其他问题。因此需要一种有效可靠的手段检测ELIS地面系统。虽然拆换井下仪器可以达到测试目的，但费时费力，需要凑齐多种仪器，受制约的因素比较多。因此，设计便携的测井仪器模拟装置，做到方便轻巧，便于携带，测试方法简单有效是期望的。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种用于模拟测井仪器的装置和地面系统自检设备。该用于模拟测井仪器的装置能够模拟多支井下仪器测井的功能，并且便于携带、操作方便，从而该地面系统自检设备能够在降低成本节省人力资源消耗的同时达到检查通信的目的。

为了解决上述问题，本实用新型提供了一种用于模拟测井仪器的装置，所述用于模拟测井仪器的装置包括：电缆模拟模块、电缆信号驱动模块、系统主控模块和电源模块，

其中，所述电缆模拟模块接收与所述装置进行通信的地面系统的双极性交替反转曼彻斯特编码(AMI)命令并且将所述AMI命令发送至所述电缆信号驱动模块，

在所述电缆信号驱动模块接收到由所述电缆模拟模块发送的所述AMI命令之后，所述电缆信号驱动模块将所述AMI命令转换为曼码命令并且将所述曼码命令发送至所述系统主控模块，

在所述系统主控模块接收到由所述电缆信号驱动模块发送的所述曼码命令之后，所述系统主控模块根据ELIS协议来对所述曼码命令进行解码以获得需要向所述电缆信号驱动模块回送的解码信息，并且所述系统主控模块对所述解码信息进行编码以获得曼码信息，从而将所述曼码信息回送至所述电缆信号驱动模块，

在所述电缆信号驱动模块接收到由所述系统主控模块回送的所述曼码信息之后，所述电缆信号驱动模块将所述曼码信息转换为AMI码信息并且将所述AMI码信息回送至所述电缆模拟模块，以及

在所述电缆模拟模块接收到所述AMI码信息之后，所述电缆模拟模块将所述AMI码信息回送至所述地面系统；以及

其中，所述电源模块将交流电转换为直流电并且对所述电缆模拟模块、所述电缆信号驱动模块和所述系统主控模块进行供电。

进一步地，所述装置的电缆模拟模块与所述地面系统的缆芯分配面板相连接。

进一步地，所述电缆模拟模块所模拟的电缆的长度等于7000米。

进一步地，所述需要向所述电缆信号驱动模块回送的信息包括数据通道和数据长度。

进一步地，所述系统主控模块还控制所述装置的时序。

进一步地，所述系统主控模块包括数字信号处理(DSP)芯片和现场可编程门阵列(FPGA)芯片，其中，所述FPGA芯片对所述曼码命令进行解码并且将所述解码信息发送至所述DSP芯片，所述DSP芯片在接收到所述解码信息后对所述FPGA芯片进行控制，从而所述FPGA芯片对所述解码信息进行编码以获得曼码信息并且将所述曼码信息回送至所述电缆信号驱动模块。

进一步地，所述电源模块将84～264V的交流电转换为+5V、±12V的直流电。

为了解决上述问题，本实用新型提供了一种地面系统自检设备，所述地面系统自检设备包括如上所述的任一种用于模拟测井仪器的装置，并且还包括与所述装置进行通信的地面系统，其中，所述装置的电缆模拟模块与所述地面系统的缆芯分配面板相连接。

本实用新型的有益效果：本装置体积小、重量轻、便于测试和携带，并且与现有地面系统测试方法相比，本地面系统自检设备编码来直接挂接大量井下仪器，而是用本装置来模拟测井仪器，节约了成本和人力资源，过程简单，有效地解决了地面系统测试过程中出现的各种问题。

附图说明

图1为本实用新型实施例的用于模拟测井仪器的装置的结构示意图；

图2为本实用新型实施例的各模式的缆芯分配示意图；

图3为本实用新型实施例的命令通道的波形示意图；

图4为本实用新型实施例的模式2(M2)通道的数据波形示意图；

图5为本实用新型实施例的ELIS软件服务表；

图6为本实用新型实施例的LSP(缆芯分配面板)开关档位示意图；

图7为本实用新型实施例的ELIS调节命令增益示意图；

图8为本实用新型实施例的ELIS RTT61x M2训练状态示意图；

图9为本实用新型实施例的ELIS DST61x M5训练状态示意图；

图10为本实用新型实施例的ELIS MATx M7训练状态示意图；以及

图11为本实用新型实施例的某一服务表的正常通信状态显示示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

如图1所示，本实用新型实施例提供本实用新型提供了一种用于模拟测井仪器的装置，所述用于模拟测井仪器的装置包括：电缆模拟模块1、电缆信号驱动模块2、系统主控模块3和电源模块4，

其中，所述电缆模拟模块1接收与所述装置进行通信的地面系统的AMI命令并且将所述AMI命令发送至所述电缆信号驱动模块2，

在所述电缆信号驱动模块2接收到由所述电缆模拟模块1发送的所述AMI命令之后，所述电缆信号驱动模块2将所述AMI命令转换为曼码命令并且将所述曼码命令发送至所述系统主控模块3，

在所述系统主控模块3接收到由所述电缆信号驱动模块2发送的所述曼码命令之后，所述系统主控模块3根据ELIS协议来对所述曼码命令进行解码以获得需要向所述电缆信号驱动模块2回送的解码信息，并且所述系统主控模块3对所述解码信息进行编码以获得曼码信息，从而将所述曼码信息回送至所述电缆信号驱动模块2，

在所述电缆信号驱动模块2接收到由所述系统主控模块3回送的所述曼码信息之后，所述电缆信号驱动模块2将所述曼码信息转换为AMI码信息并且将所述AMI码信息回送至所述电缆模拟模块1，以及

在所述电缆模拟模块1接收到所述AMI码信息之后，所述电缆模拟模块1将所述AMI码信息回送至所述地面系统；以及

其中，所述电源模块4将交流电转换为直流电并且对所述电缆模拟模块1、所述电缆信号驱动模块2和所述系统主控模块3进行供电。

进一步地，所述装置的电缆模拟模块1与所述地面系统的缆芯分配面板相连接。

进一步地，所述电缆模拟模块1所模拟的电缆的长度等于7000米。

进一步地，所述需要向所述电缆信号驱动模块2回送的信息包括数据通道和数据长度。

进一步地，所述系统主控模块3还控制所述装置的时序。

进一步地，所述系统主控模块3包括DSP和FPGA，其中，所述FPGA对所述曼码命令进行解码并且将所述解码信息发送至所述DSP，所述DSP在接收到所述解码信息后对所述FPGA进行控制，从而所述FPGA对所述解码信息进行编码以获得曼码信息并且将所述曼码信息回送至所述电缆信号驱动模块2。

进一步地，所述电源模块4将84～264V的交流电转换为+5V、±12V的直流电。

本实用新型还提供了一种地面系统自检设备，所述地面系统自检设备包括如上所述的任一种用于模拟测井仪器的装置，并且还包括与所述装置进行通信的地面系统，其中，所述装置的电缆模拟模块1与所述地面系统的缆芯分配面板相连接。

实施例

关于电缆模拟模块1

电缆模拟模块1，模拟了7000米的电缆。用电阻电容(RC)电路模拟电缆的衰减特性，来模拟信号经过7000米电缆传输后的信号衰减。

关于电缆信号驱动模块2

电缆信号驱动模块2主要包括变压器和驱动电路。

电缆的缆芯有限，又需要实现命令下发，数据上传，仪器供电等功能。缆芯的有效组合(也称为模式)，是为了区分电缆传输的通道，图2是各个模式的缆芯分配。由于7芯电缆的#1&#4已被设计用于进下仪器供电，则七种组合中，只有M2、M5、M7可用于信号传输。Elis井下仪器总线(EDIB)采用三种电缆模式传输数据，M2/M5/M7。M2为双向通道(地面和井下仪器可以双向通讯)，而M5和M7只能由井下仪器向地面发送数据。模式变压器把电缆的缆芯变为命令通道，M2数据通道，M5数据通道，M7数据通道。

驱动电路主要进行模拟信号的处理，进行AMI码和曼码的相互转换。电缆上传输的是AMI码，在EDIB总线上传输的是曼码。接收7C电缆(测井电缆)上的AMI命令，转换为曼码，送给处理器解码。根据FPGA编码产生的信号转换成AMI码，驱动7C电缆。

(1)命令通道

命令通道上的传输速率为20.833kbps，命令通道接收变压器上的AMI信号，转换为曼码，交给中央处理单元(CPU)(系统主控)部分电路进行解码。地面设备发送井下设备的命令经电缆衰减后，信号形状也有很大程度的畸变，命令通道电路这种畸变及幅度损失了的信号再生，变成处理器所需的曼码信号，为5V电平的数字信号。

模式变压器把电缆上的AMI信号转换到命令通道的差分信号M2RX_HI和M2RX_LO。首先经过由AMP03GS构成的反相减法器，放大倍数为1。再经过由AD817构成的两级放大器，前一级是同相放大器，放大倍数是24。后一级是反相放大器，放大倍数是6，并加入了频率补偿电路，使得高频放大的倍数大，低频放大的倍数小。达到衰减命令同步头反冲的效果。经过三级放大后，再经过由AD817构成的迟滞比较器，成为方波信号，信号峰-峰值为-12V～+12V。最后经过AD790将信号峰-峰值整到0～+5V。为消除电缆上传输的噪声干扰，在前放大电路后面都加入RC低通滤波电路。命令传输速率为20.833kbps，RC低通截止频率设置为33.8kHz。

命令通道的波形如图3所示，通道1是电缆上衰减前的命令信号，通道2是恢复的衰减信号，通道3是恢复出来的曼码。

(2)M2/M5/M7数据通道

M2数据通道的传输速率是41.667kbps,M5/M7数据通道的传输速率是93.75kbps。在井下仪器向地面发送数据时，将FPGA编码输出的信号经电缆驱动处理，使其能够在电缆上传输并能被地面设备识别。由FPGA编码输出的差分信号，经过AD817构成的减法器后，合成为一个信号，放大倍数为2。再经过AD826构成的同相放大器，放大倍数通过可调电位器Rt2进行调节。再经过AD826构成的两级低通滤波器，截止频率是107kHz。最后由BUF634增加信号的驱动能力，能够在电缆上传输。

M2通道的数据如图4所示，通道1是主控模块编码产生的曼码信号，通道2和通道3是主控模块编码产生的AMI脉冲信号，通道4是经过运放后的AMI码信号。

关于系统主控模块3

系统主控模块3主要由DSP和FPGA构成主从式结构。DSP完成系统的控制功能；FPGA完成逻辑功能，主要是进行曼码的编解码。DSP和FPGA之间的数据传输采用总线形式。接收到地面系统发送的命令后，FPGA对命令进行解码。解码后的命令发送到DSP。当DSP接收到发送数据的命令后，DSP对FPGA进行控制，则FPGA进行编码发送数据。

(1)DSP及外围电路

DSP芯片选用TI公司的TMS320F2812。在具备强大运算能力的同时，兼顾了控制领域的需求，特别适合控制对象复杂又需要较高实时运算能力的领域。它具有150MIPS的指令执行速度；单周期完成32×32位的乘法器；快速中断响应；单指令周期的读写操作。

TMS320F2812内部已经集成了18KB的RAM(随机存储器)。片内RAM能以150MIPS的速度进行访问。在对运算速度要求很高的处理程序中，通常将经常访问的程序段放到内部RAM中运行，这样能大大提高运行速度，因此片内RAM显得格外宝贵。而且本系统是一个模拟通讯系统，有大量数据用于模拟通讯，外扩一片IS61LV51216的高速RAM芯片，用于存放数据。ISSI公司的IS61LV51216是一个8M容量，结构为512K*16位字长的高速率SRAM。

TMS320F2812包含128K*16位的闪存(FLASH)存储器，并分成4个8K*16位单元和6个16K*16位的单元，可以单独擦除，编程和验证。TMS320F2812采用32位的寻址方式，数据空间和程序空间统一编址。TMS320F2812有1056K×16bit的外部存储器接口能力，分为5个地址区间：区间0、区间1、区间2、区间6和区间7，本系统在扩展系统RAM时，使用RAM区间1。

(2)FPGA及外围电路

FPGA芯片选用Altera公司Cyclone系列的EP1C6T144，144引脚TQFP封装，98个用户I/O，5980个逻辑单元，92160位RAM，20个M4K RAM块，2个PLL。FPGA配置芯片选用型号EPCS4(4M比特)。联合测试工作组(JTAG)和主动配置方式(AS)接口各一个，支持型号EPCS4在线烧写。晶振选用50MHZ。

(3)电源电路

外部接口提供+5V的直流电压，而FPGA和DSP的工作电压是+3.3V，+1.8V和+1.5V，由电压转换芯片转换为工作电压。

TMS320F2812要求双电源(1.8V和3.3V)为CPU、Flash、只读存储器(ROM)、模/数转换器(ADC)和输入/输出(I/O)接口供电。当上电时，为了保证芯片内各个模块的正确复位，TMS320F2812供电需要满足一定的时序。该系统先给所有+3.3V的电源引脚上电，再接通1.8V的芯片内核电源。这样才能保证片内Flash模块正确复位。该系统设计中，选用TI公司的TPS76318电源芯片来给TMS320F2812供电，实现上述的供电时序。电源监控电路在系统电源电压出现波动时，给DSP系统提供复位信号，使系统程序重新初始化并运行，避免出现不可预知的错误。FLASH编程电压VDD3VFL是FLASH的核心电源(+3.3V)，上电后所有时间内都应该将此引脚接至3.3V。

Cyclone器件支持片内热插拨，支持顺序上电，确保和上电顺序无关的正常工作。这一特性在上电前和上电期间起到了保护器件的作用，并使I/O缓冲保持三态，让Cyclone器件成为多电压系及高可用性和冗余性应用的理想选择。FPGA的IO电压为3.3V，内核电压为1.5V，需用TI公司的TPS76815进行电压转换。

(4)复位电路

复位电路有开关电路和复位芯片TPS38233。TPS38233不需要外围电路即可组成监控电路，同时具有看门狗、手动复位、低电平复位的功能。⑴在微处理器上电时，产生固定200ms滞后的低电平复位脉冲信号；⑵带手动复位功能，可监控电压为：2.5V、3V、3.3V、5V；⑶具有看门狗(Watchdog)电路，该电路的外触发脉冲时间间隔超过1.6s时，将产生一个低电平复位输出。

Cyclone系列的FPGA，上电后，程序从EPCS4启动。上电启动的时间约为100ms。DSP的上电启动时间仅为512个时钟周期(晶振为24MHz)，约24us。在保证FPGA上电复位时间后，DSP的上电复位完成。因此，由复位芯片TPS38233产生的复位信号接入FPGA，经过FPGA处理后，再接入TMS320F2812，由FPGA控制DSP的复位信号。

技术效果分析

在仪器模拟装置和地面的缆芯分配面板连接后，并把面板的开关打到需要的档位，启动ELIS地面软件。通过软件界面监测通讯是否正常，如图5所示。这些服务表包括了仪器模拟装置的所有仪器，测试了M2，M5，M7通道。测试时，缆芯分配面板监测模块的上位机软件界面如下，LSP开关的档位如图6所示。

(1)训练过程

和真实测井仪器一样，为保证仪器模拟装置和地面系统的通讯正常，在进入正常采集状态前，需要针对M2/M5/M7数据通道进行通讯训练，以得到合适的解码参数。仪器模拟装置在训练时，M2通道发送8个数据，M5和M7通道发送17个数据，。训练时命令增益设置范围在2～+15时，训练正常，如图7所示。M2/M5/M7通道数据训练正常，如图8、9、10所示。图8显示RTT61X M2通道训练正常通过，图9显示DST61x M5通道训练正常通过，图10显示MAT71x M7通训练正常通过。

(2)采集过程

在各通道训练通过后，则可以进入正常采集状态，以监测地面系统和测试盒的通讯是否正常。图11显示的是某一服务表的正常通讯状态。如图11显示，测试盒和ELIS地面系统通讯正常。

技术分析总结

仪器模拟装置可以模拟多支井下仪器测井的功能，以达到检查通讯的目的。通过软件的修改，便可以方便的添加或者删减仪器功能。已经实现的测井仪器有能谱仪器、方位仪器、数字声波、密度、中子、交叉偶极、水泥胶结、六臂井径、数字微球、电法仪器、阵列侧向等等EDIB通讯的仪器。通过测试过程知，仪器模拟装置与地面系统通讯正常，可实现系统设计目标。

虽然本实用新型所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本实用新型而采用的实施方式，并非用以限定本实用新型。任何本实用新型所属技术领域内的技术人员，在不脱离本实用新型所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本实用新型的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种用于模拟测井仪器的装置，其特征在于，所述用于模拟测井仪器的装置包括：电缆模拟模块(1)、电缆信号驱动模块(2)、系统主控模块(3)和电源模块(4)，

其中，所述电缆模拟模块(1)接收与所述装置进行通信的地面系统的双极性交替反转曼彻斯特编码AMI命令并且将所述AMI命令发送至所述电缆信号驱动模块(2)，

在所述电缆信号驱动(2)接收到由所述电缆模拟模块(1)发送的所述双极性交替反转曼彻斯特编码命令之后，所述电缆信号驱动模块(2)将所述双极性交替反转曼彻斯特编码命令转换为曼码命令并且将所述曼码命令发送至所述系统主控模块(3)，

在所述系统主控模块(3)接收到由所述电缆信号驱动模块(2)发送的所述曼码命令之后，所述系统主控模块(3)根据海洋石油成像测井系统协议来对所述曼码命令进行解码以获得需要向所述电缆信号驱动模块(2)回送的解码信息，并且所述系统主控模块(3)对所述解码信息进行编码以获得曼码信息，从而将所述曼码信息回送至所述电缆信号驱动模块(2)，

在所述电缆信号驱动模块(2)接收到由所述系统主控模块(3)回送的所述曼码信息之后，所述电缆信号驱动模块(2)将所述曼码信息转换为双极性交替反转曼彻斯特编码码信息并且将所述双极性交替反转曼彻斯特编码码信息回送至所述电缆模拟模块(1)，以及

在所述电缆模拟模块(1)接收到所述双极性交替反转曼彻斯特编码码信息之后，所述电缆模拟模块(1)将所述双极性交替反转曼彻斯特编码码信息回送至所述地面系统；以及

其中，所述电源模块(4)将交流电转换为直流电并且对所述电缆模拟模块(1)、所述电缆信号驱动模块(2)和所述系统主控模块(3)进行供电。

2.如权利要求1所述的用于模拟测井仪器的装置，其特征在于，所述装置的电缆模拟模块(1)与所述地面系统的缆芯分配面板相连接。

3.如权利要求1或2所述的用于模拟测井仪器的装置，其特征在于，所述电缆模拟模块(1)所模拟的电缆的长度等于7000米。

4.如权利要求3所述的用于模拟测井仪器的装置，其特征在于，所述需要向所述电缆信号驱动模块(2)回送的信息包括数据通道和数据长度。

5.如权利要求1、2或4所述的用于模拟测井仪器的装置，其特征在于，所述系统主控模块(3)还控制所述装置的时序。

6.如权利要求5所述的用于模拟测井仪器的装置，其特征在于，所述系统主控模块(3)包括数字信号处理芯片和现场可编程门阵列芯片，其中，所述现场可编程门阵列芯片对所述曼码命令进行解码并且将所述解码信息发送至所述数字信号处理芯片，所述数字信号处理芯片在接收到所述解码信息后对所述现场可编程门阵列芯片进行控制，从而所述现场可编程门阵列芯片对所述解码信息进行编码以获得曼码信息并且将所述曼码信息回送至所述电缆信号驱动模块(2)。

7.如权利要求1、2、4或6所述的用于模拟测井仪器的装置，其特征在于，所述电源模块(4)将84～264V的交流电转换为+5V、±12V的直流电。

8.一种地面系统自检设备，其特征在于，所述地面系统自检设备包括如权利要求1至6中任一项所述的用于模拟测井仪器的装置，并且还包括与所述装置进行通信的地面系统，其中，所述装置的电缆模拟模块(1)与所述地面系统的缆芯分配面板相连接。