一種多功能井下電纜遙測數據傳輸轉換器的製作方法

2023-06-29 02:07:56

專利名稱：：一種多功能井下電纜遙測數據傳輸轉換器的製作方法
技術領域：
：本實用新型涉及一種在FPGA晶片中集成Nios軟核、雙相位相移鍵控BPSK和井下儀器總線DTB接口，實現井下數據釆集傳輸控制的多功能轉換器。
背景技術：
：石油測井領域中電纜遙測數據傳輸是測井儀器的重要組成部分，它包括遙傳短節和地面儀之間的電纜編碼傳輸，遙測短節和各儀器之間的數據傳輸。電纜遙測傳輸短節地面和電纜遙測數據傳輸雙相位相移鍵控調製解調接收地面，將電纜發來的命令數據，經解調後通過DTB三總線以雙極性歸零制信號方式向各儀器傳遞，接收自地面的儀器控制命令數據，供儀器執行。在DTB三總線上發出接受數據時鐘信號UCLK，通過UPDATA/GO信號線接收儀器數據，經過BPSK雙相位相移鍵控調製編碼，驅動到電纜上供地面儀接收。通常電纜遙測短節採用分立元器件來設計製造井下遙測連接系統，這樣就造成元器件數量眾多，體積龐大，成本增加，誤碼率機率增加，系統可靠性下降。Altera公司的Nios軟核嵌入式處理器是一種可特許的通用RISCCPU，Altera以IP核的方式將它提供給設計者。
實用新型內容本實用新型的目的是提供一種使用現有井下儀器測試系統電纜遙測短節的FPGA晶片，嵌入Nios軟核CPU和專用Avalon片上系統總線，集成DTB接口模塊，以積木形式實現SOPC功能，將原來遙測短節各種功能的分立硬體製備成軟硬結合的專用組件，集成在FPGA晶片上，以提高遙測儀器集成度和可靠性，降低硬體複雜度，同時間接降低儀器成本的多功能井下電纜遙測數據傳輸轉換器，替代原由分立元器件構成的井下儀器測試系統電纜遙測短節。本實用新型採用如下技術方案-在FPGA晶片上嵌入一個Nios軟核CPU處理器；在FPGA晶片上嵌入一個Avalon軟核總線，在FPGA上嵌入一個上傳DTB接口模塊和一個下傳DTB接口模塊；在FPGA晶片上嵌入一個BPSK雙相位相移鍵控解調模塊，一個八位FSP幀同步檢測模塊，一個循環冗餘CRC校驗模塊，一個指令解碼模塊，一個下發命令接收FIFO模塊，一個狀態字"1"寄存器，構成儀器命令下行通道；BPSK雙相位相移鍵控解調模塊、八位FSP幀同步檢測模塊、下發命令接收FIFO模塊和下傳DTB接口模塊連通，BPSK雙相位相移鍵控解調模塊連接FPGA晶片外的用於接收地面傳來的下井儀器控制命令的去耦接收濾波放大電路模塊，下傳DTB接口模塊連接FPGA晶片外的DTB三總線的下行接口總線DSIG總線，循環冗餘CRC校驗模塊一端與BPSK雙相位相移鍵控解調模塊輸出端連接，另一端與狀態字"1"寄存器連接，狀態字"1"寄存器與16位Nios軟核CPU處理器連接，八位FSP幀同步檢測模塊輸出端同時與16位Nios軟核CPU處理器和指令解碼模塊連接，指令解碼模塊又與狀態字"1"寄存器連接；FPGA晶片上嵌入一個上傳DTB接口模塊，一個上傳數據發送FIFO模塊，一個狀態字"2"寄存器，一個循環冗餘校驗CRC發生器，一個十六位幀同步FSP發生器，一個BPSK雙相位調製模塊，與FPGA晶片外電纜驅動模塊和DTB三總線的UDATA/GO總線和UCLK總線連接構成儀器數據上行通道；同時在FPGA上集成系統時鐘模塊，接收時序發生器，發送時序發生器和幀發生器模塊；BPSK雙相位調製模塊輸出端與FPGA晶片外電纜驅動模塊連接，輸入端依次與循環冗餘校驗CRC發生器、上傳數據發送FIFO模塊、上傳DTB接口模塊連接，上傳DTB接口模塊連接DTB三總線的UDATA/GO總線和UCLK總線，上傳數據發送FIFO模塊同時與狀態字"2"寄存器和16位Nios軟核CPU處理器連接，十六位幀同步FSP發生器連接BPSK雙相位調製模塊；接收時序發生器和發送時序發生器通過系統時鐘模塊與16位Nios軟核CPU處理器連接，BPSK雙相位相移鍵控解調模塊和BPSK雙相位調製模塊通過幀發生器模塊與16位Nios軟核CPU處理器連接。地面向井下儀器傳送指令時，電纜調製過的信號經過井下方式變壓器接到去耦接收濾波放大電路模塊，使信號得到放大、濾波和去噪，然後進入BPSK雙相位相移鍵控解調模塊被解調為NRZ碼。經八位FSP幀同步檢測識別後，位指令信號就被送往DSIG總線，從而被相應地址的井下儀器所接收。循環冗餘CRC校驗模塊可以檢測出傳輸是否出錯，並把檢驗結果送入狀態字"1"寄存器，以便下一幀傳回地面，如果指令中所指定地址與井下遙測單元的地址"0011000"相同則由指令解碼模塊對此進行解碼。向上傳送數據時，上傳DTB接口模塊首先在16位Nios軟核CPU處理器控制下，向DTB三總線UDATA/GO總線發出GO脈衝，通知井下儀器準備數據傳輸。此時16位Nios軟核CPU處理器控制八位FSP幀同步檢測模塊將8位導"0"和將16位的幀同步FSP發生器控制信號送到狀態字"2"寄存器中，BPSK雙相位調製模塊進行雙相位相移鍵控的編碼調製，然後將存儲在兩個狀態字寄存器的狀態字"1"和狀態字"2"作為後續相繼送到BPSK雙相位調製模塊，送完後，16位Nios軟核CPU處理器控制上傳DTB接口模塊順序接收井下儀器數據並經過上傳數據發送FIFO模塊送到狀態字"2"寄存器中，等最後一個儀器數據字接受完後，經過循環冗餘CRC發生器，校驗，送到BPSK雙相位調製模塊調製。本實用新型是利用FPGA晶片，構造BPSK和DTB模塊，使用嵌入式NI0S軟核和avalon總線，實現對各儀器數據通過DTB儀器總線進行收集和並進行BPSK調製編碼後傳輸至電纜；對地面通過電纜傳來的BPSK編碼儀器控制命令數據進行解調，經DTB儀器總線傳到各個儀器中。這樣可以避免原來使用大量分立元器件帶來的電路體積大、故障點多、誤碼率高、可靠性差的缺點，極大提高系統集成度和智能性，縮小體積、降低誤碼率、提高可靠性。圖1多功能井下電纜遙測數據傳輸轉換器電路示意圖。圖2CPU主控制程序流程圖。圖3遙測接收本身命令子程序控制流程圖。圖4DTB儀器數據接收子程序控制流程圖。圖5DTB儀器命令下發子程序控制流程圖。圖6DTB儀器數據接收子程序控制流程圖。具體實施方式根據圖1所示，對本實用新型採用的技術方案作具體的說明首先在Altera公司的Cyclone系列FPGAEP1C12Q240I7晶片上構架處理器-CPU結構體系，然後集成高效專為SOPC(System-On-a-ProgmmmableChip)環境片上總線Avalon總線。在FPGA晶片上嵌入一個16位Nios軟核CPU處理器19;在FPGA晶片上嵌入一個Avalon軟核總線21和相應的仲裁邏輯，總線寬度選擇位16位，同步方式；在FPGA上嵌入按照DTB三總線協議定製的上傳和下傳DTB接口模塊8、16;在FPGA晶片上嵌入一個BPSK雙相位相移鍵控解調模塊2，一個八位FSP幀同步檢測模塊3，一個循環冗餘CRC校驗模塊4，一個指令解碼模塊5，一個下發命令接收FIFO模塊7，一個狀態字"1"寄存器6;和FPGA晶片外的DTB三總線21，構成儀器命令下行通道；BPSK雙相位相移鍵控解調模塊2、八位FSP幀同步檢測模塊3、下發命令接收FIFO模塊7和下傳DTB接口模塊8連通，BPSK雙相位相移鍵控解調模塊2連接FPGA晶片外的用於接收地面傳來的下井儀器控制命令的去耦接收濾波放大電路模塊1，下傳DTB接口模塊8連接DTB三總線21，循環冗餘CRC校驗模塊4一端與BPSK雙相位相移鍵控解調模塊2輸出端連接，另一端與狀態字"1"寄存器6連接，狀態字"1"寄存器6與16位Nios軟核CPU處理器19連接，八位FSP幀同步檢測模塊3輸出端同時與16位Nios軟核CPU處理器19和指令解碼模塊5連接，指令解碼模塊5又與狀態字"1"寄存器6連接；FPGA晶片上嵌入一個上傳DTB接口模塊16，一個井下儀器數據上傳數據發送FIF0模塊15，一個狀態字"2"寄存器20，一個循環冗餘校驗CRC發生器14，一個十六位幀同步FSP發生器13，一個BPSK雙相位調製模塊12，與FPGA晶片外電纜驅動模塊11和DTB三總線21，構成儀器數據上行通道；FPGA上還集成了系統時鐘18，接收時序發生器9，發送時序發生器17和幀發生器模塊10作為上行和下行通道和Nios軟核CPU處理器19的輔助模塊;BPSK雙相位調製模塊12輸出端與FPGA晶片外電纜驅動模塊11連接，輸入端依次與循環冗餘校驗CRC發生器14、上傳數據發送FIFO模塊15、上傳DTB接口模塊16連接，上傳DTB接口模塊16連接DTB三總線21，上傳數據發送FIFO模塊15同時與狀態字"2"寄存器20和16位Nios軟核CPU處理器19連接，十六位幀同步FSP發生器13連接BPSK雙相位調製模塊12;接收時序發生器9和發送時序發生器17通過系統時鐘18與16位Nios軟核CPU處理器19連接，BPSK雙相位相移鍵控解調模塊2和BPSK雙相位調製模塊12通過幀發生器模塊10與16位Nios軟核CPU處理器19連接。具體程序流程如下見圖2、3、4、5、6:主機下發的各條指令經過地面遙測模塊處理後，經過幾千米電纜傳送到方式變壓器的初級，經過耦合送入濾波電路，幾級濾波後的指令被還原成BPSK調製信號。該指令信號被解調後成為NRZ不歸零制信號，再進行幀同步字識別，產生同步字脈衝信號，啟動接收時序脈衝。同時，指令信號經過循環冗餘CRC校驗模塊的校驗。至此，原來的64位的標準指令信號被轉換成由基本指令字和用戶指令字構成的32位指令信號DDATA以及相應的32位時鐘脈衝DCLK。該時鐘信號和指令信號分兩路下傳送，一路經過下行DTB接口模塊產生DSIG信號，並被送入DSIG總線(下行接口總線)，傳給各個井下儀器自身的DTB接口電路，控制各個井下儀器的工作狀態；另一路送入指令解碼電路，如果接收到的指令是主機下發給多功能井下電纜遙測數據傳輸轉換器的，經過解碼的指令將被鎖存在多功能井下電纜遙測數據傳輸轉換器的控制電路中，產生控制信號。在上行數據發送期間，控制信號啟動多功能井下電纜遙測數據傳輸轉換器的發送時序發生器，產生相應的發送時序脈衝，並將多功能井下電纜遙測數據傳輸轉換器內部產生的GO脈衝以及上行數據移位時鐘UCLK分別送入UDATA/GO總線和UCLK總線，傳送到各個下井儀器自身DTB接口電路中，啟動各個井下儀器上傳數據。多功能井下電纜遙測數據傳輸轉換器內部產生的狀態字1和狀態字2以及UCLK觸發時鐘，從UDATA/GO總線傳來的各個下井儀器的上傳數據UPDATA被送入信號多路轉換電路，組合成一定的上行數據格式，經過同步字/解碼檢測發生器電路，產生FSP同步字以及電路運算產生的CRC字，與上行數據一起送入調製電路，調製成BPSK信號，該信號經過整形後近似三角波形，並被送入電纜驅動電路，對信號進行驅動放大後，由方式變壓器耦合到七芯電纜上，通過電纜傳向地面。在上行數據發送結束後，多功能井下電纜遙測數據傳輸轉換器內部發送時序發生器將產生一個握手脈衝信號，用於傳送一路聲波波形信號。附l:原遙測短節下行指令接收功能程序說明，本多功能井下電纜遙測數據傳輸轉換器下行指令接收功能程序與其完全相同。指令格式，見表l:tableseeoriginaldocumentpage9引導零:BoB7,用於遙測短節接收指令的同步信號。同步字FSP:01101011用於每條指令的同步信號，正常讀序應為B7B001101011即(326)8'用戶定義字BQB15B0B11不用；B12保留位，留作後用；B13若B,^l，波形啟動位，要求在上行數據按格式傳送結束，馬上開始傳送波形訊號；B14B1500遙測短節工作於80ms(12.5Hz);10遙測短節工作於每幀20ms(50Hz);11遙測短節工作於隨機採樣方式，由命令來出發幀01遙測短節工作於等待狀態，等待Bm置1再由命令來觸發基本指令字BQB15BoB7幀長度計數，2NB8禁止位，若Bs二l，遙測短節被禁止；B9B15遙測短節地址為0001100,正常讀序應為B15B9,0001100即(030)8。遙測短節的指令接收電路主要包括電源，方式變壓器,濾波電路，靜噪電路，BPSK解調電路，系統時鐘，FSP幀同步檢測電路，CRC循環冗餘檢測電路，指令解碼電路，接收時序電路，井下儀下行指令DTB接口電路構成。"0"指令接收電路主要完成的功能如下:對經過電纜傳輸到遙測短節的指令信號進行處理，先對僅有Vp—^l2V的指令信號進行濾波。經幾級高通、低通及橫向濾波器電路消除噪聲雜波，放大有用信號，再經過一個比較電路將有用指令信號波形恢復成標準的BPSK信號。解調電路有將BPSK信號恢復成不歸零制邏輯電平信號，即"l"用高電平表示，"O"用零電平表示，每一位信號寬度為10iis.FSP同步檢測電路確定出每條指令的實際起始位，並觸發接收時序電路。至此，每64位的標準指令信號被轉換成由用戶定義字和基本指令字構成的32位指令信號，再經過CRC多項式為X8+l電路作循環冗餘誤碼檢測。經過檢測後的指令信號分成兩路傳輸:一路指令信號被送到指令解碼器，判斷是否是地面系統發給遙傳短節的指令。如果基本指令字中的地址與遙傳短節的地址相同，則地址比較相等，指令解碼器將鎖存該條指令，控制電路將根據指令參數內容修改遙測短節的工作狀態。否則，指令解碼器不鎖存該條指令，這條指令將自動取消；另一條指令信號被送到下行指令DBT總線接口電路。經編碼後，轉換成DSIG信號,通過DBT總線送給各下井儀。附2，上行數據格式及電路功能說明數據結構見表2表2tableseeoriginaldocumentpage11引導零B7B。.用於與電纜遙測系統地面模塊的同步.同步字8158。,0000011001101011(003153)8.用於地面遙測模塊檢測幀同步.狀態字1#:B。B。,其中B7B。反映當前幀的計數長度，由地面模塊下發的指令進行控制，開機通電時的預設值為00010000(即N=16)(N位上述幀長度計數中2N的N);B8CMDREC位，命令結收到的標誌位，B^l表明遙測短節接收到下發指令；B8=0表明遙測短節未接收到下發指令；B9CMDERRCRC位，接收指令出錯標誌位.B9=l表明由地面模塊下發的指令經遙測短節的CRC校驗後證實，接收指令出錯;B9=0表明遙測短節接收指令正確；B1QTimeOUT位，超時標誌位。B1Q=1表明當前幀的發送時間超時;Bw=0表明一幀傳輸信號未超時；B12Bu不用；B13傳輸一路聲波的標誌位；B15B14反映遙測短節當前幀工作方式的標誌位，B15=0B14=0，表明工作在80ms方式；B15=0B14=l表明遙測短節工作在20ms方式。開機預設值為BI5=0B14=0;狀態字2#:B『B。,其中B,B。不用(接地)；B『B,。纜頭電源峰峰值經A/D轉換後的二進位數值；數據字1#數據字n"上行數據(DTBDATA)來自各下井儀器的上行數據ndlOn=2N即最多傳輸數據510字，價電預設值時N=16，n=32。CRC字校驗字，生成多項式X16+X12+X5+l時上行數據(包括狀態字1#，狀態字2#)的循環冗餘計算結果。尾零用於移位傳送最後8位零數位訊號。地面接收設備用它來"衝洗"掉先前所發送的數據，準備下一幀數據接收。電纜遙測系統遙測短節的上行數據發送電路主要包括過零檢測電路，幀觸發電路，發送時序電路(包括幀長度計數器)，加電復位電路，狀態寄存器，FSP/CRC發生器，信號多路轉換，纜頭電壓A/D轉換器，FSP/STBDAT/CRC三路信號轉換器，BPSK調製電路，整形和電纜驅動放大等。上行數據發送電路主要完成的功能如下由遙測短節電源變壓器次級送來的一路VPP=36V正弦信號，經過零檢測形成50HZ方波，在經二、八分頻產生25HZ和6.25HZ方波，在經頻率加倍電路，又變成50HZ和12.5HZ信號，根據指令解碼產生的控制信號，選用50HZ或12.5HZ作為觸發波形送往幀觸發電路。啟動發送時序電路，產生上行數據信號所需的所有發送時序脈衝。同時，幀長度器將指令解碼器所存的幀長度計數值讀入，根據幀長度讀數值產生相應的時序波形，並通過狀態寄存器1#，狀態字1#寄存器的鎖存內容包括幀長度、時間溢出位、指令接收標誌等，狀態寄存器2"'纜頭電壓將相應遙測短節的狀態位鎖存，產生狀態字"和狀態字2S。當觸發電路被啟動時，預置的同步字0000011001101011(003153)8也被鎖存在FSP/CRC發生器電路中，產生同步字信號。DTB上行接口電路與下井儀器聯接的UCLK總線發送ULCK時鐘，ULCK作為移動時鐘，將各下井儀器產生的上行數據UPDATA(S卩UDATA)經DTB總線中的UDATA/GO總線送入遙測短節的DTB上行接口電路.狀態字1#狀態字2#加上上行數據UDATA被送入FSP/CRC發生器電路進行CRC循環冗餘計算，作CRC誤碼計算。計算多項式為X"+X《+1。產生CRC校驗字，加在了上行數據UDATA的尾部，串行送入信號多路轉換電路.經過格式化改組信號被送入BPSk雙相位調製解調電路進行調製，經過調製後的信號除了(前後)引導零和尾部各8位外，其他字都是16位，即數據信號包括16位幀同步字，16位的狀態字1#,16位的狀態字2s,上行數據UDATA和16位的CRC字。經過整形電路後，該信號被送入電纜驅動放大電路。放大後的信號，電壓幅度峰峰值約48V。經過方式變壓器1:1耦合送上電纜。若超過規定時間要求時,將會產生一個時間溢出標誌位隨狀態字"的Bfl發給地面系統.加電復位電路通常是在儀器通電時，瞬間工作，在位接收到地面系統發給遙測短節的指令時，遙測短節預製上傳數據長度為32個字，而當前幀工作方式預設值為Bm二0，B15=0，即每80ms上傳一幀數據，每一幀數據預置N=16，2N=32共32個字(包括狀態字1#和2fl)。權利要求1、一種多功能井下電纜遙測數據傳輸轉換器，其特徵在於在FPGA晶片上嵌入一個Nios軟核CPU處理器(19)；在FPGA晶片上嵌入一個Avalon軟核總線(22)，在FPGA上嵌入一個上傳DTB接口模塊(16)和一個下傳DTB接口模塊(8)；在FPGA晶片上嵌入一個BPSK雙相位相移鍵控解調模塊(2)，一個八位FSP幀同步檢測模塊(3)，一個循環冗餘CRC校驗模塊(4)，一個指令解碼模塊(5)，一個下發命令接收FIFO模塊(7)，一個狀態字「1」寄存器(6)，構成儀器命令下行通道；BPSK雙相位相移鍵控解調模塊(2)、八位FSP幀同步檢測模塊(3)、下發命令接收FIFO模塊(7)和下傳DTB接口模塊(8)連通，BPSK雙相位相移鍵控解調模塊(2)連接FPGA晶片外的用於接收地面傳來的下井儀器控制命令的去耦接收濾波放大電路模塊(1)，下傳DTB接口模塊(8)連接FPGA晶片外的DTB三總線(21)的下行接口總線DSIG總線，循環冗餘CRC校驗模塊(4)一端與BPSK雙相位相移鍵控解調模塊(2)輸出端連接，另一端與狀態字「1」寄存器(6)連接，狀態字「1」寄存器(6)與16位Nios軟核CPU處理器(19)連接，八位FSP幀同步檢測模塊(3)輸出端同時與16位Nios軟核CPU處理器(19)和指令解碼模塊(5)連接，指令解碼模塊(5)又與狀態字「1」寄存器(6)連接；FPGA晶片上嵌入一個上傳DTB接口模塊(16)，一個上傳數據發送FIFO模塊(15)，一個狀態字「2」寄存器(20)，一個循環冗餘校驗CRC發生器(14)，一個十六位幀同步FSP發生器(13)，一個BPSK雙相位調製模塊(12)，與FPGA晶片外電纜驅動模塊(11)和DTB三總線(21)的UDATA/GO總線和UCLK總線連接構成儀器數據上行通道；同時在FPGA上集成系統時鐘模塊(18)，接收時序發生器(9)，發送時序發生器(17)和幀發生器模塊(10)；BPSK雙相位調製模塊(12)輸出端與FPGA晶片外電纜驅動模塊(11)連接，輸入端依次與循環冗餘校驗CRC發生器(14)、上傳數據發送FIFO模塊(15)、上傳DTB接口模塊(16)連接，上傳DTB接口模塊(16)連接DTB三總線(21)的UDATA/GO總線和UCLK總線，上傳數據發送FIFO模塊(15)同時與狀態字「2」寄存器(20)和16位Nios軟核CPU處理器(19)連接，十六位幀同步FSP發生器(13)連接BPSK雙相位調製模塊(12)；接收時序發生器(9)和發送時序發生器(17)通過系統時鐘模塊(18)與16位Nios軟核CPU處理器(19)連接，BPSK雙相位相移鍵控解調模塊(2)和BPSK雙相位調製模塊(12)通過幀發生器模塊(10)與16位Nios軟核CPU處理器(19)連接。專利摘要本實用新型涉及一種多功能井下電纜遙測數據傳輸轉換器，在FPGA晶片上嵌入Nios軟核、Avalon軟核總線、上傳和下傳DTB接口模塊、並分別嵌入BPSK雙相位相移鍵控解調模塊、八位FSP幀同步檢測模塊、循環冗餘CRC校驗模塊、指令解碼模塊、下發命令接收FIFO模塊和狀態字「1」寄存器6構成儀器命令下行通道，嵌入上傳數據發送FIFO模塊、狀態字「2」寄存器、循環冗餘校驗CRC發生器、十六位幀同步FSP發生器和BPSK雙相位調製模塊構成儀器數據上行命令通道，避免了原來使用大量分立元器件帶來的電路體積大、故障點多、誤碼率高、可靠性差的缺點，提高了集成度和智能性，縮小體積、降低誤碼率、提高可靠性。文檔編號G08C19/00GK201145945SQ2007201739公開日2008年11月5日申請日期2007年11月1日優先權日2007年11月1日發明者煒王,飛賀申請人:中國石油天然氣集團公司;中國石油集團測井有限公司