CN202500555U - 一种石油测井仪中的数据传输*** - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种石油测井仪中的数据传输***,井下采集板通过CAN总线与井下遥测板连接,井下遥测板与地面通讯板通过变压器耦合传输方式连接。本实用新型设计中,将具有国际标准的现场CAN总线通讯协议,应用于井下采集板间的数据通讯,保证了通讯具有极好的检错效果和极低的出错率。采用多主的工作方式,实现了广播和分布多种通讯方式,通讯速率高。
Description
技术领域
本实用新型涉及石油测井仪,尤其涉及一种石油测井仪中的数据传输***。
背景技术
在石油测井仪器中,井下电路间的数据交互多采用RS232、RS485、SPI通讯方式实现。上述通讯方式数据传输中缺乏完善的通讯校正机制,传输的准确性不高,且通讯速率普遍降低。
在油田测井电缆数据传输中,很多种仪器都采用曼彻斯特码将所采集的大量信息传送给地面测井***。曼彻斯特编码是串行数据传输的一种重要的编码方式,具有很好的抗干扰性能,通常情况下通过HD15530曼彻斯特码编译码器来实现。由于国外HD15530生产厂家限产,国内该芯片价格昂贵,致使目前测井仪器制造和维护成本增加,另外,采用专用曼码解码芯片的***,存在***功能单一、集成度不高,功耗较大,兼容性较差等缺点。
实用新型内容
针对现有技术中存在的上述问题,本实用新型提供了一种石油测井仪中的数据传输***。
本实用新型提供了一种石油测井仪中的数据传输***,井下采集板通过CAN总线与井下遥测板连接,井下遥测板与地面通讯板通过变压器耦合传输方式连接。
在一个示例中,井下采集板与井下遥测板设置有CAN隔离与驱动模块。
在一个示例中,CAN隔离与驱动模块包括顺次连接的TMS320F2812芯片、ADuM1201芯片以及PCA82C250芯片,PCA82C250芯片接入CAN总线。
在一个示例中,井下遥测板包括数据处理模块,编码处理模块,解码处理模块,调制解调电路模块和通讯总线变压器,数据处理模块、编码处理模块和解码处理模块由DSP芯片实现,调制解调电路模块分别与DSP芯片和通讯总线变压器连接,通讯总线变压器接入MIL-STD-1553B数据总线。
在一个示例中,地面通讯板还通过USB接口与个人电脑连接。
在一个示例中,地面通讯板包括EZ-USBFX2芯片,EZ-USBFX2芯片与Acex1K30芯片连接。
本实用新型设计中,将具有国际标准的现场CAN总线通讯协议,应用于井下采集板间的数据通讯,保证了通讯具有极好的检错效果和极低的出错率。采用多主的工作方式,实现了广播和分布多种通讯方式,通讯速率高。
本实用新型介绍一种基于TMS320F2812DSP芯片,通过软件编程实现对MIL-STD-1553B数据总线协议的Manchester编码格式编码和解码的方法。可以取代专用的曼彻斯特码编解码芯片HD15530,降低了仪器制造和维护成本,提高了***可靠性。在硬件不变的条件下,通过软件设置,可与各种曼码遥测短节实现通讯接口,具有较好的兼容性。地面遥测与计算机间用USB接口实现,便于设备与计算机的接口,提高数据传输速度。设计方案满足油田井下数据通讯实际。
附图说明
下面结合附图来对本实用新型作进一步详细说明,其中:
图1是石油测井仪中的数据传输***结构示意图;
图2是井下通信中的隔离示意图;
图3是井下遥测板结构示意图;
图4a和图4b是曼彻斯特编码波形图;
图5a-图5f是曼切斯特编码信息帧同步头波形图;
图6是信息帧同步头分解图;
图7a-图7d是总线数据译码波形图;
图8是FX2与FPGA的硬件连接示意图。
具体实施方式
石油测井仪电路结构分为井上和井下两大部分,井上部分主要包括地面通讯***,供电***以及上位机操作软件,井下部分主要包括数据采集模块,井下遥测通讯模块以及电源转换模块。
测井仪的数据传输包括井下数据采集模块间的数据通讯、井下通讯模块与地面遥测***间通讯及地面***与PC机通讯三部分组成。本实用新型提出的通讯解决方案是:井下遥测板与数据采集板之间通过CAN总线结构,采用主从分布式测控***。井下遥测板与地面通讯部分采用变压器耦合传输方式,将井下数据传输到地面接收***。地面***与PC机间选择USB接口通讯实现。如图1所示。
CAN总线是到目前为止唯一有国际标准的现场总线,具有突出的灵活性、可靠性和实时性。其特点:直接传输距离最远可达到10km;通讯最高速率可达到1Mbps;采用多主的工作方式,通过对报文的标志符滤波可实现点对点、一点对多点及全局广播等多种数据通讯方式;采用非破坏的总线仲裁技术;报文采用短帧结构,受干扰率极低;每帧信息都有CRC校验,具有极好的检错效果和极低的出错率。
常规井下数据采集及通信一般选择RS485、RS232协议实现,在本实用新型中,为保证数据的可靠传输和高速的传输效率,选择现场通讯总线CAN协议模式完成井下采集板间的数据通信。其中,井下通讯板为CAN网络主控设备,各个采集点作为CAN节点,采用广播式下传上位机命令,各个节点可以选择相同ID号,同步接收由地面***下传的命令。采用分布式接收采集接收机采集数据,通过配置不同的ID号,可以实现分时不同CAN节点与主机间的数据传输。主从分布构建测控***的网络拓扑结构。各个站点采用有线连接,平衡传输方式。
在CAN总线智能节点电路的设计中,采用TMS320F2812作为微处理器,该芯片是32位定点型DSP芯片,片上集成ECAN解码电路模块。ECAN模块是增强型CAN控制器,是TI公司新一代32位高级CAN控制器,性能相当于TI公司TMS470系列微控制器使用的高端CAN控制器(HECC,High-end CANController)。它完全兼容CAN2.0B协议,可以在有干扰的环境里使用上述协议与其他控制器串行通信。采用TMS320F2812中集成了CAN总线控制器TMS470。
电路设计中的PCA82C250是CAN控制器与总线之间的物理接口,它可以提供对总线的差动发送能力和对CAN控制器的差动接收能力,抗干扰能力强。内设限流电路可防止发送输出级对电源、地或负载的短路。另外,使用PCA82C250可以增长通信距离,提高***的瞬间抗干扰能力,如图2所示。
应用ADuM1201实现了CAN总线节点与控制机DSP之间的电气隔离。ADuM1201是ADI公司推出的新产品,它在电气隔离上所采用技术是变压器隔离,通过使用晶片级制造工艺直接在芯片上制造iCouple变压器,取代常规光电耦合器。采用双转化通道,两通道方向相反的特殊结构,非常适合于CAN总线信号的传输,大大简化了***的硬件结构;同时,由1个隔离芯片代替以往的2个,大大增加了通道间的匹配程度,使***获得更好的隔离性能。
电路设计中需要注意:ADuM1201的左侧电源端口VDD1、GND1与DSP芯片的DSP_3.3V和数字地VSS(DSP_GND)相连,另一组电源端VDD2、GND2与CAN总线电源的CAN_VCC和CAN_GND相连,两组电源通过DC-DC隔离,从而使得CAN总线控制器与CAN总线之间完全隔离。TMS320F2812的接收端CANRXA与ADuM1201的VOA端连接,TMS320F2812的发送端CANTXA与ADuM1201的VIB端连接,ADuM1201的VIA端与PCA82C250接收端RXD连接,ADuM1201的VOB端与PCA82C250发送端TXD连接,ADuM1201的CAN_H端和CAN_L端接入CAN总线。
曼彻斯特(Manchester)码又称数字双相码,由于其存在很强的定时分量,不存在直流分量,具有自同步能力和良好的抗干扰性能,被广泛应用于石油测井仪器中,实现井下采集***和地面接收***之间的数据通讯。本文介绍一种基于TMS320F2812DSP芯片,实现对MIL-STD-1553B数据总线协议的Manchester编码格式编码和解码的方法,很好地解决了测井仪高速数据传输***的可靠性。
如图所示,通信***选用TMS320F2812芯片,它时TI公司最新推出的DSP芯片,是目前国际市场上最先进、功能最强大的32位定点DSP芯片,时钟频率能达到150MHz。它既具有数字信号处理能力,又具有强大的事件管理能力和嵌入式控制功能。
在***中,DSP用于执行通讯协议,接收总线上的曼彻斯特编码的数据,按照规定的格式发送曼彻斯特II型编码的数据、状态或命令字,实现总线和终端的连接通道的接口功能,以及控制测井仪器通讯***的地面部分。其中,曼彻斯特码编解码器采用DSP片上定时模块实现,用于完成数据的发送和接收、曼彻斯特码的调制与解调、数据的串并和并串转换、同步头的产生与检测、地址识别以及错误检测等功能。
基于MIL-STD-1553B编码格式的Manchester码其信息帧格式,每位占用时间1us,由20位组成。其1~3位为同步字头,用于表示帧类型,标识帧的开始。如果前1.5位为高电平,后1.5位为低电平时表示此帧为命令/状态字,前1.5位为低电平,后1.5位为高电平时表示为数据字,解码器也可利用同步字头提取位同步信息。其中4~19位为待编码数据,第20位为校验位,对4~19位进行奇偶校验。
整个曼彻斯特编码与解码的过程中,根据总线协议设计了以下几个模块:时钟模块Clk,数据移位寄存器Data,位计数寄存器Count,分频计数器Feq,奇偶检验位P。由于本地***时钟Clk为数据传输率的150倍,所以在DSP中设置定时器来实现编解码所需的准确时钟,其时钟周期为数据位编解码周期的1/20。应用分频计数器Feq对时钟周期进行分频,计数到20则清零重新开始计数。前10个计数表示数据位的前0.5bit,后10个计数表示数据位的后0.5bit。
曼彻斯特码编码的过程是指DSP编码模块从DSP程序模块接收16位的数据、指令和状态字,并以1Mb曼彻斯特II型编码串行数据发送到总线。编码模块完成包括发送控制、同步数据编码、奇偶产生等功能,经过74ALVC164245完成电平变换后被送到通讯变压器模块。
根据总线协议,同步位的宽度应为三个数据位,如果信息帧为命令字,则前一个半位的波形为正,后一个半波形为负,如果信息帧为数据字,则与命令字波形相反,所以帧的同步头占用三位数据位,共60个时钟周期。前15个时钟周期为1(或0),后15个时钟周期为0(或1)。位计数器的1~3表示同步位。
接着同步头之后就是数据字的编码,每个数据码元(一个bit)间隔的中点以下降沿代表数据“1”,上升沿代表数据“0”。移位寄存器的最低位表示当前待编码数据位,只能每20个时钟周期移位一次。位计数值为4~19且分频计数器Feq值为零的时候读入移位寄存器的最低位,输出相应的波形,分频计数器Feq值为10的时候对输出波形进行跳变,以产生相对应的跳变沿。当位计数器值累加到19时表明十八位数据完成编码。
奇偶校验位位于信息帧的第20位。在十八位数据编码结束之后,奇偶校验位已经根据移位寄存器的十八次移位数据计算出校验结果,根据校验结果输出相应的跳变波形。
图4a和图4b显示了曼彻斯特码波形。
曼彻斯特码解码的过程是DSP解码模块接收数据时,接收曼彻斯特编码的串行数据,实现同步头检出、数据检出、奇偶检测,将处理后的数据送入DSP程序模块进行分析。接收数据是采用采样判定的方法来实现的。即用计数器进行计数,在同一极性的情况下,计数到一个设定的值时确定半位曼彻斯特码的极性。不同极性的曼彻斯特码组合形成完整的信息帧。
同步头包括三位数据位,前1.5位与后1.5位极性相反。在实际的波形监测中得到以下六种信息帧的同步头,如图5a-图5f所示。
图5a-图5c表示命令帧的三种同步头,图5d-图5f表示数据帧的三种同步头。在波形监测中,如果只判断图5c和图5f波形不是帧的同步头,那就会丢失信息,也有可能造成对信息帧类型判断失误。
根据曼彻斯特码的码型特征可知,侦测同步头的关键是如何识别曼彻斯特码的前1.5位和后1.5反极性位。以上图5c为例,介绍问题的解决方法。
在图6中,Clk表示计数器溢出所产生的编码时钟,时钟周期是其十倍,曼彻斯特码至少包含三个1.5位的相邻极性相反的同步码。在编码时钟上对曼彻斯特码每半位进行标示。
第一步,当监测到图中的1、2、3半位相同极性的曼彻斯特码以及4、5、6半位反极性马氏时,初步判定它们为帧同步头的前1.5位和后1.5位,如果紧跟的两个半位曼彻斯特码极性不同,则说明其后面紧随的时数据码,符合曼彻斯特码编码协议,可以进行数据码的接收。但如果紧跟的两个半位曼彻斯特码极性相同,那么就不符合曼彻斯特码编码的规则了,如图中的7、8半位,一些编码芯片对其检测产生错误,造成数据丢失或数据错乱。在本设计中,遇到7、8半位相同的情况时,丢弃初始判断的前1.5位,把4、5、6半位重新设置位前1.5位
第二步,继续对第9半位进行检测。如果9与7、8极性不同的话,则退出此次同步头的假设,重新开始帧同步头前1.5位的检测。如果7、8、9半位极性相同,则4、5、6、7、8、9又组成了一个帧同步头,回到了第一步遇到的情况。再次检测10、11两个半位的极性,如果相反的话进入数据码接收,相同的话重新开始第二步。
第三步,在运行完以上两步之后,得到了信息帧的一个同步头,其后紧跟的数据码。根据同步头中前1.5位与后1.5位的极性,可以确定信息帧的类型。
在同步头检测到之后,之后紧接的就是数据码,任何两位数据的组合结果只有四种:00,01,10,11;从波形上看,它会出四种情况,如图7a-图7d所示。
由图7a-图7d可以看出,此时只可能有两种的波形宽度一个位和半个位宽度,所以由于计数的时钟是数据位编码的20倍,所以相应计数器的计数值的范围是8~12和18~22之间。所以,只要得到的数据位计数值满足以上两个宽度范围,则认为数据格式正确,接收的数据有效,完成了数据同步接收。
对每一帧数据,在接收完十六位数据之后,最后一位为奇偶校验值,如果数据接收过程没有出现差错,则数据的奇偶校验值与接收到的值相对应。
在批量数据传输的过程中,为了确保数据传输的可靠性,加入循环冗余校验算法,对串行数据进行差错检验。它是利用除法及余数的原理来作错误侦测(Error Detecting)的,校验检错能力强,容易实现,是目前应用最广的检错码编码方式之一。
循环冗余码校验法有两种校验方法,按位计算法和查表法。按位计算CRC虽然代码简单,所占用的内存比较少,但其最大的缺点就是位计算会占用处理器资源。而使用查表法,可生成16位CRC校验码表,数据运算量小,速度快。在本设计中,在DSP芯片具有足够的内存空间情况下,采用查表法来实现循环冗余码校验,以优化微处理芯片资源配置。以下数据就是数据校验完的结果:
0xAA 0xFE 0x03 0x55 0x40 0x00 0xE9 0x01 0x00 0x33 0x5A 0xA0 0x150x25;
0xAA 0xFE 0x03 0x56 0x80 0x00 0x0F 0x02 0x00 0x39 0x0A 0x50 0x6A0xCD;
以上两组数据中,前12个字节是数据,后面紧跟的2个字节为校验码,接收端在接收校验时,采用双方预先约定的生成多项式G(x)去除接收到的数据,进行计算,然后把计算结果和实际接收到的余数多项式数据进行比较,相同的话表示传输正确。
该基于DSP的曼切斯特编码设计已经成功应用于测井仪器地面***,实现了地面***和井下总线终端的通讯功能。
地面通讯板与PC机的通信采用USB接口实现。具体技术细节:
如图8所示,选择Cypress公司的EZ-USB FX2系列芯片是智能化的USB2.0接口芯片,它集成的USB收发器与USB总线的D+和D-引脚相连,可以接收来自主机(Host)的数据,也可以向主机发送数据。
设计中EZ-USB FX2芯片工作在从模式下,在这种模式下,对于外部逻辑(本设计的外部逻辑通过FPGA实现)来说,可以把FX2看成是一个FIFO,读写FIFO的时序由外部逻辑提供。
EZ-USB FX2芯片内8051单片机内核的数据总线、地址总线以及控制总线均连接到FPGA(Acex1K30),可以通过对指定地址的读写实现与A/D有关的寄存器(这些寄存器在FPGA中实现)设置。EZ-USB FX2的接口部分的FLAG被分别设置为EP2和EP6端点FIFO的满标志和空标志,FPGA将通过查询这些标志来获得FX2片内的两个输出端点的Slave FIFO的存储状态,从而进行相关操作。RDY的时序由FPGA提供,来完成对自动输入模式下的EP6进行写操作。
以上所述仅为本实用新型的优选实施方式,但本实用新型保护范围并不局限于此。任何本领域的技术人员在本实用新型公开的技术范围内,均可对其进行适当的改变或变化,而这种改变或变化都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种石油测井仪中的数据传输***,其特征在于,井下采集板通过CAN总线与井下遥测板连接,井下遥测板与地面通讯板通过变压器耦合传输方式连接。
2.如权利要求1所述的数据传输***,其特征在于,井下采集板与井下遥测板设置有CAN隔离与驱动模块。
3.如权利要求2所述的数据传输***,其特征在于,CAN隔离与驱动模块包括顺次连接的TMS320F2812芯片、ADuM1201芯片以及PCA82C250芯片,PCA82C250芯片接入CAN总线。
4.如权利要求2所述的数据传输***,其特征在于,井下遥测板包括数据处理模块,编码处理模块,解码处理模块,调制解调电路模块和通讯总线变压器,数据处理模块、编码处理模块和解码处理模块由DSP芯片实现,调制解调电路模块分别与DSP芯片和通讯总线变压器连接,通讯总线变压器接入MIL-STD-1553B数据总线。
5.如权利要求2所述的数据传输***,其特征在于,地面通讯板还通过USB接口与个人电脑连接。
6.如权利要求5所述的数据传输***,其特征在于,地面通讯板包括EZ-USBFX2芯片,EZ-USBFX2芯片与AcexlK30芯片连接。
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