基於FlexRay總線的測井井下儀器總線系統的製作方法
2023-09-16 01:44:15 2
專利名稱：基於FlexRay總線的測井井下儀器總線系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及測井領域，尤其涉及測井系統中的井下儀器總線系統。
背景技術：
測井，也被稱為地球物理測井或石油測井，是利用巖層的電化學特性、導電特性、聲學特性、放射性等地球物理特性，測量地球物理參數的方法。在油田勘探與開發過程中，測井是確定和評價油層、氣層的重要手段之一，也是解決一系列地質問題的重要手段。它能直接為石油地質和工程技術人員提供各項資料和數據。測井系統的井下儀器具有很多種類，通過各種方法測量地層參數來判斷油氣儲存等信息。測井時每一次將多個井下儀器組合成一串下井測量，每一個井下儀器都需要與地 面系統通信(包含上傳數據和下傳控制命令、配置參數等)。為了保證所有的井下儀器都能夠與地面系統快速、可靠地通信，必須建立一套完整的、可靠的、能夠滿足儀器數據傳輸要求的井下儀器總線系統。目前，測井系統中正在大量使用的井下儀器總線主要有數據傳輸總線(DTB)，通信速率約為100Kbps ；1553B總線，通信速率約為400Kbps ；RS485總線，通信速率約為500Kbps ;控制器區域網路(CAN)總線，通信速率約為1Mbps。為了提高地層的測量解析度和適應複雜地層的測井，當今井下儀器的實現越來越複雜，同時在測量過程中也產生了大量的原始數據。目前很多井下儀器受限於井下儀器總線系統的傳輸帶寬，放棄了大量的原始數據，這對測井數據的事後分析造成了很大障礙。同時，新一代測井系統需要多個儀器進行組合測井以提高測井效率和降低生產成本，需要井下儀器總線系統通信速率更快，連接節點更多，工作更加可靠。此外，井下儀器總線系統是和電纜傳輸系統配合工作的。一般而言，井下儀器總線系統的通信速率要大於電纜傳輸系統的通信速率，這樣才能充分發揮電纜傳輸系統的性能。例如，LEAP800新一代測井系統中的電纜傳輸系統傳輸速率在IMbps以上，這樣井下儀器總線系統的通信速率就必須在2Mbps以上才能滿足LEAP800新一代測井系統中大數據量的傳輸需求。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種克服了上述缺陷的測井井下儀器總線系統。為此，本發明提供一種基於FlexRay總線的測井井下儀器總線系統。所述總線系統包括多個井下儀器和一個井下遙傳單元。所述多個井下儀器通過FlexRay總線與所述井下遙傳單元相連接。所述多個井下儀器中的每一個井下儀器均與所述井下遙傳單元組成一個T型拓撲結構。在本發明的一個實施例中，每一個井下儀器上均設有通信板，用於獲取儀器數據並轉發至所述FlexRay總線。所述通信板包括通信接口、嵌入式處理器、數位訊號處理器(DSP).FlexRay收發器、存儲器。所述嵌入式處理器通過所述通信接口獲取儀器數據，並將所獲取的儀器數據轉發給所述DSP。所述DSP對儀器數據進行計算，所得到的計算結果經過所述嵌入式處理器調整數據格式後發送給所述FlexRay收發器。所述FlexRay收發器將調整後的數據轉換為FlexRay數據幀後發送至所述FlexRay總線。優選地，每一個井下儀器的標識被存儲在該井下儀器的通信板的存儲器中。優選地，每一個井下儀器的標識是預定義的FlexRay數據幀的頭部段中的幀ID。更優選地，井下儀器的最大數目是2047。更優選地，當在所述FlexRay總線上有數據巾貞時,井下儀器的通信板中的FlexRay收發器從所述數據幀中抽取目的ID，並將所述目的ID與作為該井下儀器的標識的預定義幀ID進行比較。如果所述預定義幀ID沒有被包含在所述目的ID內，則所述FlexRay收發器捨棄該數據幀不予響應。如果所述目的ID內包含所述預定義幀ID，則所述FlexRay收發器將該數據幀讀入，轉換為並行數據後傳送給該井下儀器的通信板中的嵌入式處理器，所述嵌入式處理器根據預先定義好的數據格式對該數據進行解析並做出響應。 優選地，所述井下遙傳單元包括FlexRay通信板、井下遙傳電路板、以及信號變壓器。所述FlexRay通信板與各井下儀器的通信板形成FlexRay網絡通信。所述井下遙傳電路板對來自所述FlexRay通信板的信號進行調製，以及對來自所述信號變壓器的信號進行解調。所述信號變壓器將經調製的信號耦合至電纜傳輸系統以便傳送到地面系統，以及將來自電纜傳輸系統的信號傳送至所述FlexRay通信板。更優選地，所述FlexRay通信板的電路結構與各井下儀器的通信板的電路結構相同。通過利用根據本發明的上述測井井下儀器總線系統，大大提高了數據傳輸速率和系統可靠性，能夠滿足新一代測井系統中大數據量的傳輸需求。
通過結合附圖來閱讀後面的具體實施方式
，可以更好地理解本發明的特徵和優點。在附圖中
圖I是根據本發明一個實施例的測井井下儀器總線系統的示意框 圖2是根據本發明一個實施例的井下儀器的通信板的示意框 圖3是FlexRay總線協議中的幀結構的示意圖；以及 圖4是根據本發明一個實施例的井下遙傳單元的示意框圖。
具體實施例方式FlexRay總線是一種在汽車行業廣泛應用的總線,它能達到IOMbps的高數據傳輸速率，且具有冗餘網絡傳輸和專門的出錯處理功能。本發明正是在FlexRay總線的基礎上構建了測井井下儀器總線系統以便提高數據傳輸速率和系統可靠性。下面結合附圖詳細說明本發明的實施例。圖I是根據本發明一個實施例的測井井下儀器總線系統100的示意框圖。所述總線系統100包括井下遙傳單元、井下儀器I、井下儀器2、…、井下儀器N (其中N是自然數)。井下儀器I、井下儀器2、…、井下儀器N通過FlexRay總線與井下遙傳單元相連接。井下儀器I、井下儀器2、…、井下儀器N中的每一個均與井下遙傳單元組成一個T型拓撲結構。雖然井下儀器的串接方式決定了下方儀器必須通過上方儀器中的貫通線相連，但是從拓撲結構上來說仍然屬於T型總線結構。因此，即使有節點(例如井下儀器I)發生故障，也不會影響其他節點(例如井下儀器2—井下儀器N)正常工作。每一個井下儀器上均設有通信板，用於獲取儀器數據並轉發至FlexRay總線。圖2是根據本發明一個實施例的井下儀器的通信板200的示意框圖。通信板200包括通信接口、嵌入式處理器、數位訊號處理器(DSP)、FlexRay收發器、存儲器，其中嵌入式處理器是通信板200的核心。嵌入式處理器通過通信接口獲取來自儀器數據處理板(未示出)的儀器數據，並將所獲取的儀器數據轉發給DSP。DSP完成對儀器數據的計算功能，例如某一井下儀器需要對一定時間內的數據進行積分和矩陣乘法運算以降低數據率並獲取被測量，所得到的結果經過嵌入式處理器調整 數據格式後發送給FlexRay收發器。FlexRay收發器將調整後的數據轉換為FlexRay數據巾貞後發送至FlexRay總線。每一個井下儀器的標識被存儲在存儲器中，所述存儲器例如是閃速存儲器(FLASH)。在本發明的一個實施例中，預定義FlexRay數據幀的頭部段中的幀ID來作為井下儀器的標識。當在FlexRay總線上有數據幀時，FlexRay收發器從數據幀中抽取目的ID，並將目的ID與作為井下儀器的標識的預定義幀ID進行比較。如果預定義幀ID沒有被包含在目的ID內，則FlexRay收發器捨棄該數據幀不予響應；如果目的ID內包含預定義幀ID，則FlexRay收發器將該數據幀讀入，轉換為並行數據後經由數據線傳送給嵌入式處理器。嵌入式處理器根據預先定義好的數據格式對該數據進行解析並做出響應。下面結合圖3對FlexRay數據巾貞進行詳細說明。圖3是FlexRay總線協議中的中貞結構300的示意圖。如圖3所示,一個FlexRay數據巾貞由頭部段(Header Segment)、淨荷段(Payload Segment)和尾部段(Trailer Segment)這三部分組成。頭部段共由5個字節(40位)組成，包括以下各位
(O保留(Reserved), I位,其為以後的擴展做準備；
(2)淨荷前置碼指示(Payloadpreamble indicator), I位,其指明巾貞的淨荷段的向量
信息；
(3)空巾貞指示(Nullframe indicator), I位,其指明淨荷段的數據巾貞是否為零；
(4)同步巾貞指示(Sync,frame indicator), I位,其指明是否為同步中貞；
(5)起始巾貞指示(Start-upframe indicator), I位,其指明發送巾貞的節點是否為起始
幀；
(6)幀ID(Frame ID)，11位，其指明在系統設計過程中分配給每個節點的ID (有效範圍1 至 2047)；
(7)長度(Length)，7位，其指明淨荷段的長度，以字為單位；
(8)頭部循環冗餘校驗(HeaderCRC), 11位,其表明同步巾貞指示和起始巾貞指示的CRC計算值、以及由主機計算的幀ID和幀長度；
(9)周期(Cycle)，6位，其指明在幀傳輸時間內傳輸幀的節點的周期計數。淨荷段由0-254個字節或者說0-127個字的數據(DataO，Datal, Data2,…，Data η)組成。尾部段包括24位CRC值，這些CRC值會在連接的信道上面改變種子值，以防不正確的校正。根據FlexRay總線協議中的上述幀結構定義，本發明的一個實施例使用頭部段中的幀ID來定義每個井下儀器的唯一標識。由於幀ID最多可以定義2047個節點，因此井下儀器的最大數目是2047，這對於井下儀器的實際應用來說足夠用了。通過這些幀ID，可以使地面系統對各個不同的井下儀器進行識別和單點通信，而各儀器的通信板上的FlexRay收發器可以在硬體層次上根據每次幀信息中攜帶的幀ID來判斷自己是否應該接受該信息並處理，並且根據已經接受到的幀信息中的源ID來判斷回發數據的目的ID。圖4示出根據本發明一個實施例的井下遙傳單元400的示意框圖。井下遙傳單元400包括FlexRay通信板、井下遙傳電路板、以及信號變壓器。FlexRay通信板與各井下儀器的通信板形成FlexRay網絡通信。由於FlexRay通信板的電路結構與各井下儀器的通信 板的電路結構相同，這裡就不再贅述。井下遙傳電路板對來自FlexRay通信板的信號進行調製，這類似於普通ADSL (非對稱數字用戶環路)對信號的調製。然後，經調製的信號通過信號變壓器耦合至電纜傳輸系統。電纜傳輸系統通過7芯電纜將調製信號上傳至地面系統(未示出)，再由地面系統中的遙傳箱體對調製信號進行解調，從而得到井下數據。在地面系統向井下儀器發送控制命令的情況下，首先由地面系統中的遙傳箱體對控制命令進行調製，然後將經調製的控制命令通過電纜傳輸系統傳送至井下遙傳單元400中的信號變壓器。井下遙傳電路板對來自信號變壓器的經調製的控制命令進行解調，從而得到控制命令。該控制命令經由FlexRay通信板被轉發至FlexRay總線，然後對應的井下儀器獲取該控制命令後由其嵌入式處理器執行。為了提高系統的可靠性，還可以應用FlexRay總線的冗餘傳輸機制，即每一個信息幀通過兩條信道進行傳輸，其中一條信道為冗餘信道。當信息幀的到達時間超時之後則該幀被當作無效幀丟棄。FlexRay總線的通信協議本身具有時間同步功能，這主要用來保證系統的實時性。本發明的測井井下儀器總線系統的通信協議則包含了時間戳。這二者相結合就能夠檢驗冗餘信道的有效性。而且，因為測井系統要求所有數據與深度掛鈎，而除了深度面板之外其他儀器本身不具有深度測量功能，但是可以通過深度面板與時間掛鈎，再通過所有井下儀器時間同步來與深度掛鈎，因此每個井下儀器的絕對時間的準確性也得到了保證。另外，FlexRay總線的通信協議本身具有循環冗餘校驗，在井下儀器總線系統的通信協議中也有兩個字節的校驗碼，這就進一步提高了數據傳輸的可靠性。在根據本發明的上述測井井下儀器總線系統中，由於採用了 FlexRay總線，所以系統的數據傳輸速率(IOMbps)是現有技術中的CAN總線系統的數據傳輸速率(IMbps)的10倍。而且，FlexRay總線所具有的冗餘網絡傳輸機制和專門的出錯處理功能進一步提升了系統的可靠性和穩定性。另外，由於所有的井下儀器使用統一的通信板，所以使得儀器生產方便快捷，便於維護。以上參考附圖示出並描述了本發明的實施例，但是本發明不限於此。顯然，本領域的技術人員可以對本發明進行各種修改、變型和替換而不脫離本發明的精神範圍。因此，只要本發明的這些修改、變型和替換屬於本發明的權利要求書及其等同技術方案的範圍之內，則本發明也意圖包含這些修改、變型和替換。
權利要求
1.一種基於FlexRay總線的測井井下儀器總線系統(100)，所述總線系統(100)包括多個井下儀器和一個井下遙傳單元，其特徵在於 所述多個井下儀器通過FlexRay總線與所述井下遙傳單元相連接，所述多個井下儀器中的每一個井下儀器均與所述井下遙傳單元組成一個T型拓撲結構。
2.根據權利要求I所述的測井井下儀器總線系統(100)，其特徵在於 每一個井下儀器上均設有通信板(200)，用於獲取儀器數據並轉發至所述FlexRay總線， 所述通信板(200)包括通信接口、嵌入式處理器、數位訊號處理器DSP、FlexRay收發器、存儲器， 所述嵌入式處理器通過所述通信接口獲取儀器數據，並將所獲取的儀器數據轉發給所述 DSP， 所述DSP對儀器數據進行計算，所得到的計算結果經過所述嵌入式處理器調整數據格式後發送給所述FlexRay收發器， 所述FlexRay收發器將調整後的數據轉換為FlexRay數據幀後發送至所述FlexRay總線。
3.根據權利要求2所述的測井井下儀器總線系統(100)，其特徵在於 每一個井下儀器的標識被存儲在該井下儀器的通信板的存儲器中。
4.根據權利要求2或3所述的測井井下儀器總線系統(100)，其特徵在於 每一個井下儀器的標識是預定義的FlexRay數據幀的頭部段中的幀ID。
5.根據權利要求4所述的測井井下儀器總線系統(100)，其特徵在於 井下儀器的最大數目是2047。
6.根據權利要求4所述的測井井下儀器總線系統(100)，其特徵在於 當在所述FlexRay總線上有數據巾貞時,井下儀器的通信板中的FlexRay收發器從所述數據幀中抽取目的ID，並將所述目的ID與作為該井下儀器的標識的預定義幀ID進行比較，如果所述預定義幀ID沒有被包含在所述目的ID內，則所述FlexRay收發器捨棄該數據中貞不予響應； 如果所述目的ID內包含所述預定義幀ID，則所述FlexRay收發器將該數據幀讀入，轉換為並行數據後傳送給該井下儀器的通信板中的嵌入式處理器，所述嵌入式處理器根據預先定義好的數據格式對該數據進行解析並做出響應。
7.根據權利要求2所述的測井井下儀器總線系統(100)，其特徵在於 所述井下遙傳單元包括FlexRay通信板、井下遙傳電路板、以及信號變壓器， 所述FlexRay通信板與各井下儀器的通信板形成FlexRay網絡通信； 所述井下遙傳電路板對來自所述FlexRay通信板的信號進行調製，以及對來自所述信號變壓器的信號進行解調； 所述信號變壓器將經調製的信號耦合至電纜傳輸系統以便傳送到地面系統，以及將來自電纜傳輸系統的信號傳送至所述FlexRay通信板。
8.根據權利要求7所述的測井井下儀器總線系統(100)，其特徵在於 所述FlexRay通信板的電路結構與各井下儀器的通信板的電路結構相同。
全文摘要
本發明公開了一種基於FlexRay總線的測井井下儀器總線系統(100)，其包括多個井下儀器和一個井下遙傳單元，其特徵在於所述多個井下儀器通過FlexRay總線與所述井下遙傳單元相連接，所述多個井下儀器中的每一個井下儀器與所述井下遙傳單元組成一個T型拓撲結構。所述總線系統大大提高了數據傳輸速率和系統可靠性，能夠滿足新一代測井系統中大數據量的傳輸需求。
文檔編號E21B47/12GK102877837SQ201110192369
公開日2013年1月16日 申請日期2011年7月11日 優先權日2011年7月11日
發明者陳文軒, 陳文 , 肖加奇, 姚德忠, 嶽宏圖, 裴彬彬 申請人:中國石油集團長城鑽探工程有限公司