一種適用於聲波測井儀器的井下高速數據總線裝置的製作方法
2023-04-26 13:20:21
本發明屬於井下測井儀器總線技術領域，更為具體地講，涉及一種適用於聲波測井儀器的井下高速數據總線裝置。
背景技術：
井下測井儀器數據總線實現井下測井儀器與總線控制板之間數據通信。在測井過程中，井下測井儀器的採集數據需通過數據總線送至總線控制板並通過總線控制板傳輸至地面主控(以下簡稱上行)，同時地面主控也最終通過數據總線將各種控制命令傳至相應的井下測井儀器(以下簡稱下行)。因此，井下測井儀器數據總線一般要求雙向數據傳輸。
聲波測井的物理基礎是研究聲振動沿鑽井的傳播特徵，又因為聲波測井的儀器具有快速，輕便的優點，所以在測井領域得到了極大的推廣。聲波測井信號是一種非平穩信號，它包括縱波、橫波以及斯通利波等這些大小相互獨立作用的疊加信號，並且信號幅度的變化範圍大，無直流分量，分頻帶特性強。聲波測井數據中信號是相關的，但是噪聲則不相關，並具有較寬的頻帶。在測井系統，需要從井下實時的將測得聲波測井數據上傳至井上進行處理，為了保證測井結果的準確性，必須要採集到足夠多的數據進行分析，因此大量的聲波測井數據需要從儀器端傳輸到地面系統，對井下測井數據總線的傳輸速率和傳輸帶寬提出了較高的要求。
技術實現要素：
本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供一種適用於聲波測井儀器的井下高速數據總線裝置，以實現在大量外界幹擾和高溫環境情況下，實時準確的完成聲波測井儀器與地面系統之間數據的高速傳輸。
為實現上述發明目的，本發明為一種適用於聲波測井儀器的井下高速數據總線裝置，其特徵在於，包括：基於rs-485技術的全局總線、總線控制板、多塊總線轉接板；
所述的全局總線的兩端分別為總線控制板和終端匹配電阻接頭，多塊的總線轉接板位於總線控制板和終端匹配電阻接頭之間，每塊總線轉接板上掛接一個聲波測井儀器；
所述的總線控制板自帶有rs-485總線數據收發器，通過lan接口接收地面控制系統下發的控制命令，再通過rs-485總線數據收發器將命令發送到全局總線上，同時rs-485總線數據收發器接收全局總線上的測井數據並上傳給地面控制系統；
所述的多塊總線轉接板中的每一塊均包括總線控制模塊、命令發送模塊和數據接收模塊，以及rs-485總線數據收發器、基於lvds技術的儀器總線、lvds數據收發器和lvds時鐘發送器；
總線控制模塊利用rs-485總線數據收發器接收全局總線上的命令，對命令進行crc校驗後做出解析，並根據解析出的命令來控制聲波測井儀器進行正常工作，同時把從聲波測井儀器接收到的測井數據進行組幀和壓縮，再通過內部的rs-485總線數據收發器上傳給總線控制板；
命令發送模塊將總線控制模塊解析得到的命令進行編碼並通過lvds數據收發器發送到儀器總線上，聲波測井儀器通過lvds數據收發器接收命令，並根據命令進行相應的參數配置和測井作業，同時命令發送模塊產生基準通信時鐘發送給數據接收模塊，並通過lvds時鐘發送器發送給聲波測井儀器，使總線轉接板與聲波測井儀器通信同步；
數據接收模塊用於接收聲波測井儀器通過儀器總線發送過來的聲波測井數據，並存儲到相應的存儲器中，然後通過總線控制模塊將存儲器中存儲的三維聲波測井數據發送到地面控制系統；
在測井過程中，地面控制系統通過測井電纜下發控制命令到總線控制板，總線控制板通過lan接口接收命令，並通過rs-485總線數據收發器將命令發送到全局總線上，總線轉接板通過內部的rs-485總線收發器接收命令，再將命令解析後通過lvds數據收發器將命令發送到儀器總線上，聲波測井儀器接收總線上的命令，並根據接收到的命令進行相應的測井工作，在此期間聲波測井儀器將測井數據通過lvds數據收發器上傳給總線轉接板，總線轉接板將測井數據組幀和壓縮，然後通過rs-485總線數據收發器將測井數據發送到全局總線上，總線控制板接收全局總線上的數據並上傳給地面控制系統。
本發明的發明目的是這樣實現的：
本發明一種適用於聲波測井儀器的井下高速數據總線裝置，先通過地面系統向測井電纜下發控制命令，總線控制板通過lan口接收命令，並通過rs-485總線下傳給總線轉接板，總線轉接板通過lvds技術將命令下發給掛接的聲波測井儀器並接收上傳的聲波測井數據，然後總線轉接板通過rs-485總線將測井數據上傳給總線控制板，最後上傳給地面系統。
同時，本發明一種適用於聲波測井儀器的井下高速數據總線裝置還具有以下有益效果：
(1)、rs-485總線技術，採用雙線差分串行通信方式，檢錯能力強，可在高噪聲的環境下工作，控制協議的實現應簡單、可靠，從而不需要採用高性能的處理器，降低了功耗要求，可在高溫環境下工作，從而克服了井下環境惡劣、空間狹小、數據傳輸距離較遠等問題，保證了總線控制板和井下總線轉接板之間數據的高速傳輸；
(2)、lvds通信接口技術是用極低的電壓擺幅以高速差分的方式進行數據傳輸，具有低噪聲，很好的共模抑制能力，低功耗並且電路能夠集成到系統級ic裡面，從而克服了聲波測井儀器數據傳輸量大、傳輸距離遠，井下電路工作環境複雜，聲波測井信號容易受到外界幹擾的問題，保證了總線轉接板和聲波測井儀器之間數據的高速傳輸；
(3)、使用8b/10b編碼技術來實現對發送數據的編碼。在井下測井儀器總線中，採用的是高速串行數據傳輸方式。採用8b/10b的編碼技術能夠保證數據流中有足夠的信號轉換，即數據流中連續的1或0不會超過5個，使得接收端能夠正常地對數據進行恢復；8b/10b編碼是按特定的規則進行編碼，根據這些規則能夠檢測出傳輸過程中發生的錯誤信息；同時8b/10b編碼還規定了一些特殊控制碼，可以用作同步字符和訓練碼等。
附圖說明
圖1是本發明一種適用於聲波測井儀器的井下高速數據總線裝置原理框圖；
圖2是總線轉接板部分的一種具體實施方式的原理框圖；
圖3是總線控制模塊的具體實施方式的原理框圖；
圖4是lvds數據收發器的一種具體實施方式的原理框圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明的具體實施方式進行描述，以便本領域的技術人員更好地理解本發明。需要特別提醒注意的是，在以下的描述中，當已知功能和設計的詳細描述也許會淡化本發明的主要內容時，這些描述在這裡將被忽略。
實施例
圖1是本發明一種適用於聲波測井儀器的井下高速數據總線裝置原理框圖。
在本實施例中，如圖1所示，本發明一種適用於聲波測井儀器的井下高速數據總線裝置，包括：基於rs-485技術的全局總線、總線控制板、多塊總線轉接板；
全局總線採用兩條屏蔽雙絞線，一條用於下發命令，一條用於上傳數據，整個總線採用全雙工的工作方式，總線電氣特性兼容ansitia/eia-485-a和iso-8482:1993標準，總線拓撲結構採用總線型拓撲結構；全局總線的兩端分別為總線控制板和終端匹配電阻接頭，多塊的總線轉接板位於總線控制板和終端匹配電阻接頭之間，每塊總線轉接板上掛接一個聲波測井儀器；在本實施例中，整個全局總線長度為50米，可掛接20臺聲波測井儀器，全局總線上數據傳輸速率可達到10mbps；
總線控制板自帶有rs-485總線數據收發器，通過lan接口接收地面控制系統下發的控制命令，再通過rs-485總線數據收發器將命令發送到全局總線上，同時rs-485總線數據收發器接收全局總線上的測井數據並上傳給地面控制系統；
如圖2所示，每一塊總線轉接板均包括總線控制模塊、命令發送模塊和數據接收模塊，以及rs-485總線數據收發器、基於lvds技術的儀器總線、lvds數據收發器和lvds時鐘發送器；
其中，總線控制模塊由dsp實現，命令發送模塊和數據接收模塊由fpga實現；如圖3所示，總線控制模塊解析出crc校驗後的控制命令為16bit；總線控制模塊對測井數據添加crc校驗位，並根據通信協議進行組幀封裝，然後將封裝好的數據進行dct壓縮，最後將壓縮的數據通過rs-485數據收發器發送到全局總線上；
命令發送模塊是將16bit的控制命令轉化為8bit的控制命令，然後進行8b/10b編碼得到10bit編碼命令，經過並串轉換得到串行命令數據，然後通過lvds數據收發器轉換成低電壓差分信號，發送至儀器總線上；
數據接收模塊採用盲過採樣法對測井數據進行數據恢復，然後串並轉換得到10bit數據，接著對10bit數據進行8b/10b解碼得到8bit聲波測井數據，最後將數據存入ram中等待總線控制模塊讀取。
儀器總線是基於lvds技術實現，採用點對點的拓撲結構。如圖4所示，一對相互連接的lvds數據收發器中驅動器和接收器之間採用差分線連接，在接收器一端有終接匹配電阻，接收器的輸入阻抗很高，所以差分線上的電流幾乎都流經了終接匹配電阻，這樣的組合可以提供出色的噪聲裕量，對驅動器和接收器之間的共模信號的漂移也有較高的容忍度。
下面對總線轉接板的工作流程進行詳細描述：總線控制模塊利用rs-485總線數據收發器接收全局總線上的命令，對命令進行crc校驗後做出解析，並根據解析出的命令來控制聲波測井儀器進行正常工作，同時把從聲波測井儀器接收到的測井數據進行組幀和壓縮，再通過內部的rs-485總線數據收發器上傳給總線控制板；
命令發送模塊將總線控制模塊解析得到的命令進行編碼並通過lvds數據收發器發送到儀器總線上，聲波測井儀器通過lvds數據收發器接收命令，並根據命令進行相應的參數配置和測井作業，同時命令發送模塊產生基準通信時鐘發送給數據接收模塊，並通過lvds時鐘發送器發送給聲波測井儀器，使總線轉接板與聲波測井儀器通信同步；
數據接收模塊用於接收聲波測井儀器通過儀器總線發送過來的聲波測井數據，並存儲到相應的存儲器中，然後通過總線控制模塊將存儲器中存儲的三維聲波測井數據發送到地面控制系統；
在測井過程中，地面控制系統通過測井電纜下發控制命令到總線控制板，總線控制板通過lan接口接收命令，並通過rs-485總線數據收發器將命令發送到全局總線上，總線轉接板通過內部的rs-485總線收發器接收命令，再將命令解析後通過lvds數據收發器將命令發送到儀器總線上，聲波測井儀器接收總線上的命令，並根據接收到的命令進行相應的測井工作，在此期間聲波測井儀器將測井數據通過lvds數據收發器上傳給總線轉接板，總線轉接板將測井數據組幀和壓縮，然後通過rs-485總線數據收發器將測井數據發送到全局總線上，總線控制板接收全局總線上的數據並上傳給地面控制系統。
儘管上面對本發明說明性的具體實施方式進行了描述，以便於本技術領域的技術人員理解本發明，但應該清楚，本發明不限於具體實施方式的範圍，對本技術領域的普通技術人員來講，只要各種變化在所附的權利要求限定和確定的本發明的精神和範圍內，這些變化是顯而易見的，一切利用本發明構思的發明創造均在保護之列。