一種基於lvds技術的三維聲波測井數據高速傳輸裝置的製作方法
2023-12-11 15:29:27 1
專利名稱：一種基於lvds技術的三維聲波測井數據高速傳輸裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於測井信號高速傳輸技術領域，更為具體地講，涉及一種適合在井下高溫惡劣環境中工作的基於LVDS (Low-Voltage Differential Signaling)技術的三維聲波測井數據高速傳輸裝置，用於三維聲波測井過程中控制板與採集板之間數據的高速傳輸。
背景技術：
三維聲波測井是在交叉偶極聲波測井技術基礎上發展起來的新一代聲波測井技術，其測量原理是利用目前所有的聲波測量模式即單極、偶極及斯通利波，對各種頻帶的波形進行綜合測量以獲取地層的三維聲波特性即縱波時差、橫波及斯通利波在井筒軸向、徑向和周向的變化，對地層特性的方位性提供完整的描述。傳統的聲波測井只是測量特定頻帶的聲波信號，測量的數據量較小，因此低速的傳輸方式就能滿足對數據傳輸速度的要求。而三維聲波測井測量數據量十分龐大，採用低速傳輸難於滿足測量實時性的要求。
發明內容
本發明的目的在於克服三維聲波測井數據量大，在井下傳輸受到嚴重的外界幹擾的缺陷，提供一種基於LVDS技術的三維聲波測井數據高速傳輸裝置，以實現在採集數據量大和外界幹擾嚴重的情況下，實時準確地完成控制板和採集板之間數據的高速傳輸。為實現以上目的，本發明基於LVDS技術的三維聲波測井數據高速傳輸裝置，其特徵在於，包括轉接板、控制板、LVDS數據收發器、LVDS時鐘發送器、13塊採集板以及每個採集板對應的LVDS時鐘接收器和LVDS數據收發器；地面控制系統通過測井電纜下發控制命令到轉接板，轉接板通過LAN接口接收命令，並通過Mcbsp接口即多通道緩衝串行口下傳給控制板；控制板中包含有井下主控模塊，命令發送模塊、數據接收模塊；井下主控模塊用於接收地面控制系統發送的命令，並做出解析，從而控制井下測井系統有序無誤地進行，同時把從採集板接收的三維聲波測井數據通過Mcbsp接口即多通道緩衝串行口上傳給轉接板，然後通過LAN接口、測井電纜再上傳到地面控制系統；命令發送模塊將井下主控模塊解析得到的命令通過LVDS數據收發器發送到LVDS串行傳輸總線上，再通過LVDS串行傳輸總線發送給採集板，以控制採集板的採樣率、採樣點數、採樣精度、工作時序以及信號調理電路的增益倍數等參數，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，並同時通過LVDS時鐘發送器發送給採集板，使控制板與採集板通信同步；數據接收模塊對13塊採集板通過LVDS串行傳輸總線發送過來的三維聲波測井數據進行準確無誤的接收，並存儲到相應的存儲器中，然後，井下主控模塊通過Mcbsp接口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；13塊採集板，每塊採集板中包括有命令接收模塊、ADC控制模塊、ADC轉換器、8路信號調理電路以及數據發送模塊；命令接收模塊通過LVDS時鐘接收器對來自控制板的基準通信時鐘進行接收，依據基準通信時鐘對LVDS串行傳輸總線上控制板發送的命令進行接收，並將命令發送給ADC控制模塊;ADC控制模塊根據接收到的命令，對信號調理電路的增益倍數進行配置，並控制ADC轉換器的採樣率、採樣點數、採樣精度以及工作時序；8路信號調理電路對接收換能器獲取的三維聲波測井信號進行調理後送入ADC轉換器，ADC轉換器依據ADC控制模塊確定的工作時序，對8路三維聲波測井信號進行採樣得到三維聲波測井數據；數據發送模塊將ADC轉換器得到的三維聲波測井數據進行處理並通過LVDS數據收發器發送到LVDS串行傳輸總線上，再發送給控制板。本發明的目的是這樣實現的:三維聲波測井儀在實際工作中每塊採集板需要採集8通道的聲波信號，13塊採集板一共需要採集104通道的信號，因此測井數據量非常大，需要實時高速傳輸，這是以往聲波測井未碰到的難題。本發明基於LVDS技術的三維聲波測井數據高速傳輸裝置，首先地面控制系統下發控制命令，轉接板通過LAN 口接收命令，並通過Mcbsp接口下傳給控制板，然後使用LVDS接口技術來實現控制命令以及三維聲波測井數據的高速串行傳輸。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，從而克服了三維聲波測井數據傳輸距離遠，井下電路工作環境複雜，三維聲波測井信號容易受到外界幹擾的問題，可實時準確地完成控制板和採集板之間數據的高速傳輸。
圖1是三維聲波測井儀結構示意圖；圖2是本發明基於LVDS技術的三維聲波測井數據高速傳輸裝置一種具體實施方式
的原理框圖；圖3是圖2所示控制板部分一種具體實施方式
的原理框圖；圖4是圖2所示採集板模塊具體實施方式
的原理框圖。
具體實施例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。圖1是三維聲波測井儀結構示意圖。如圖1所示，三維聲波測井儀擁有三個單極發射換能器和兩個正交的偶極發射換能器發射聲波信號，採用十三組接收換能器R1-R13的接收陣列接收聲波信號。其中三個單極發射器，分別為上單極、下單極和遠單極發射換能器，上單極發射換能器和下單極發射換能器分布在接收陣列的兩端，遠單極發射換能器和X、Y偶極發射換能器位於三維聲波測井儀下部距離接收陣列較遠處。三個單極發射換能器用於產生不同源距的縱波、橫波和斯通利波，X、Y正交偶極發射換能器用於產生彎曲波，通過不同的組合模式可獲得所需的多種模式波形數據。13塊採集板位於接收陣列處，分別與十三組接收換能器R1-R13連接，控制板位於上單極發射換能器端一定距離處，通過控制板通過LVDS串行傳輸總線與13塊採集板連接。在本實施例中，如圖3所示，控制板部分包括轉接板1、控制板2、LVDS數據收發器
3、LVDS時鐘發送器4，而控制板2又包含有井下主控模塊201，命令發送模塊202、數據接收模塊203，其中靜態RAM為井下主控模塊201的存儲器。地面控制系統通過測井電纜下發控制命令到轉接板1，轉接板I通過LAN接口接收命令，並通過Mcbsp接口即多通道緩衝串行口下傳給控制板2。在本實施例中，井下主控模塊201由DSP來實現。DSP通過Mcbsp接口來接收地面控制系統通過轉接板I發送來控制命令，做出解析並傳送給命令發送模塊202 ;其次，當三維聲波測井數據接收完畢後，通過該Mcbsp接口上傳到地面控制系統。在本實施例中，控制板2中的井下主控模塊201由DSP來實現，命令發送模塊202和數據接收模塊203均由FPGA來實現。如圖2所示，命令發送模塊202先發送復位信號RST至採集板，隨之把井下主控模塊201接收並解析出的16bit控制命令進行16位到8位的轉換，然後進行8B/10B編碼得到IObit編碼命令，經過並串轉換得到串行的命令數據，然後通過LVDS數據收發器3換成低壓差分信號，發送至LVDS串行傳輸總線D_H1、D-Ll即數據線上，最後命令發送模塊202再發送採集信號ACQ觸發採集板開始採集工作。數據接收模塊203則接收從LVDS數據收發器3傳過來的串行三維聲波測井數據，採用多重相位過採樣法對串行三維聲波測井數據進行恢復，然後進行串並轉換得到IObit的三維聲波測井數據，再對IObit的三維聲波測井數據進行8B/10B解碼得到8bit三維聲波測井數據並按照規定的通信協議進行拆解重裝還原出原始的三維聲波測井數據。如圖2、3所示，命令發送模塊202中包含有數字時鐘管理器，用於產生基準通信時鐘並發送給數據接收模塊203，同時通過LVDS時鐘發送器4、時鐘線C-HUC-Ll發送給採集板，使控制板與採集板通信同步。在本實施例中，FPGA採用Xilinx公司Spartan3E系列的產品，FPGA要完成的邏輯控制，8B/10B編解碼，數據恢復等功能採用VerilogHDL硬體描述語言來實現，開發平臺為ISE13.2。LVDS接口晶片採用NS公司的DS90LV019，與地面通訊的主控晶片DSP為TI公司的 TMS320F2812。在本實施例中，如圖3所示，每塊採集板中包括有命令接收模塊701、ADC控制模塊702、ADC轉換器703、8路信號調理電路704以及數據發送模塊705 ;命令接收模塊701通過LVDS時鐘接收器5對來自控制板的基準通信時鐘進行接收，依據基準通信時鐘對LVDS串行傳輸總線上控制板發送的命令進行接收，並將命令發送給ADC控制模塊702 ；ADC控制模塊702根據接收到的命令，對8路信號調理電路704進行配置，並控制ADC轉換器703的工作時序；8路信號調理電路704對接收換能器獲取的三維聲波測井信號進行調理後送入ADC轉換器703，ADC轉換器703依據ADC控制模塊702確定的工作時序，對8路三維聲波測井信號進行採樣得到三維聲波測井數據；數據發送模塊705將ADC轉換器703得到的三維聲波測井數據進行處理並通過LVDS數據收發器6發送到LVDS串行傳輸總線上，再發送給控制板。在本實施例中，如圖2、4所示，命令接收模塊701先收到復位信號RST對整個採集板進行復位；接著根據接收到的控制命令對採樣率、採樣點數、採樣精度、工作時序和信號調理電路增益倍數等進行配置；當採集信號ACQ有效時，啟動ADC轉換器對三維聲波測井信號進行採集並存在數據發送模塊705中；同時將存儲在數據發送模塊705中的三維聲波測井數據按照規定的通信協議進行打包封裝，然後經過8B/10B編碼，並串轉換輸出串行數據，最後經過LVDS數據收發器6轉換成低壓差分信號發送到LVDS串行傳輸總線上。在本實施例中，採集板部分同樣採用Xilinx公司Spartan3E系列的產品，FPGA完成的邏輯控制，8B/10B編解碼，串行數據恢復等功能採用VerilogHDL硬體描述語言來實現，開發平臺為ISE13.2。LVDS接口晶片採用NS公司的DS90LV019，同時採用TI的具有8通道同時採樣功能的高精度模數轉換晶片ADS1278。本發明基於LVDS技術的三維聲波測井數據高速傳輸裝置具有以下優點:1、使用LVDS接口技術來實現三維測井聲波數據的高速串行傳輸。三維聲波測井儀在實際工作中每塊採集板需要採集8通道的聲波信號，13塊採集板一共需要採集104通道的信號，因此測井數據量非常大，需要實時高速傳輸，這是以往聲波測井未碰到的難題。而且數據傳輸距離遠，井下電路工作環境複雜，信號容易受到外界幹擾。LVDS通信接口技術很好解決了這一難題，其技術核心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。2、使用8B/10B編碼技術來實現對發送數據的編碼。在三維聲波測井數據傳輸裝置中，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I或O不會超過5個，使得接收端能夠正常地對數據進行恢復；其次由於採用LVDS技術，要求直流分量儘量小，而8B/10B有直流補償功能，即鏈路中不會隨著時間的推移而出現直流偏移；再有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。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。
權利要求
1.一種基於LVDS技術的三維聲波測井數據高速傳輸裝置，包括轉接板、控制板、LVDS數據收發器、LVDS時鐘發送器、13塊採集板以及每個採集板對應的LVDS時鐘接收器和LVDS數據收發器； 地面控制系統通過測井電纜下發控制命令到轉接板，轉接板通過LAN接口接收命令，並通過Mcbsp接口即多通道緩衝串行口下傳給控制板； 控制板中包含有井下主控模塊，命令發送模塊、數據接收模塊；井下主控模塊用於接收地面控制系統發送的命令，並做出解析，從而控制井下測井系統有序無誤地進行，同時把從採集板接收的三維聲波測井數據通過Mcbsp接口即多通道緩衝串行口上傳給轉接板，然後通過LAN接口、測井電纜再上傳到地面控制系統；命令發送模塊將井下主控模塊解析得到的命令通過LVDS數據收發器發送到LVDS串行傳輸總線上，再通過LVDS數據收發器發送給採集板，以控制採集板的採樣率、採樣點數、採樣精度、工作時序以及信號調理電路的增益倍數等參數，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，並同時通過LVDS時鐘發送器發送給採集板，使控制板與採集板通信同步；數據接收模塊對13塊採集板通過LVDS串行傳輸總線發送過來的三維聲波測井數據進行準確無誤的接收，並存儲到相應的存儲器中，然後，井下主控模塊通過Mcbsp接口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； 13塊採集板，每塊採集板中包括有命令接收模塊、ADC控制模塊、ADC轉換器、8路信號調理電路以及數據發送模塊；命令接收模塊通過LVDS時鐘接收器對來自控制板的基準通信時鐘進行接收，依據基準通信時鐘對LVDS串行傳輸總線上控制板發送的命令進行接收，並將命令發送給ADC控制模塊;ADC控制模塊根據接收到的命令，對信號調理電路的增益倍數進行配置，並控制ADC轉換器的採樣率、採樣點數、採樣精度以及工作時序；8路信號調理電路對接收換能器獲取的三維聲波測井信號進行調理後送入ADC轉換器，ADC轉換器依據ADC控制模塊確定的工作時序，對8路三維聲波測井信號進行採樣得到三維聲波測井數據； 數據發送模塊是將ADC轉換器得 到的三維聲波測井數據進行處理並通過LVDS數據收發器發送到LVDS串行傳輸總線上，再發送給控制板。
2.根據權利要求1所述的三維聲波測井數據高速傳輸裝置，其特徵在於，所述控制板的井下主控模塊由DSP來實現，命令發送模塊和數據接收模塊均由FPGA來實現；命令發送模塊先發送復位信號RST至採集板，隨之把井下主控模塊接收並解析出的16bit控制命令進行16位到8位的轉換，然後進行8B/10B編碼得到IObit編碼命令，經過並串轉換得到串行的命令數據，然後通過LVDS數據收發器轉換成低壓差分信號，發送至LVDS串行傳輸總線上，最後命令發送模塊發送採集信號ACQ觸發採集板開始採集工作； 數據接收模塊則接收從LVDS數據收發器傳過來的串行三維聲波測井數據，採用多重相位過採樣法對串行三維聲波測井數據進行恢復，然後進行串並轉換得到IObit的三維聲波測井數據，再對IObit的三維聲波測井數據進行8B/10B解碼得到8bit三維聲波測井數據並按照規定的通信協議進行拆解重裝還原出原始的三維聲波測井數據。
3.根據權利要求2所述的三維聲波測井數據高速傳輸裝置，其特徵在於，採集板的命令接收模塊先收到復位信號RST對整個採集板進行復位；接著根據接收到的控制命令對採樣率、採樣點數、採樣精度、工作時序和信號調理電路增益倍數等進行配置；當採集信號ACQ有效時，啟動ADC轉換器對三維聲波測井信號進行採集並存在數據發送模塊705中；同時將存儲在數據發送模塊705中的三維聲波測井數據按照規定的通信協議進行打包封裝，然後經過8B/10B編碼，並串轉換輸出串行數據，最後經過LVDS數據收發器轉換成低壓差分信號發送到LVDS串 行傳輸總線上。
全文摘要
本發明公開了一種基於LVDS技術的三維聲波測井數據高速傳輸裝置，首先地面控制系統下發控制命令，轉接板通過LAN口接收命令，並通過Mcbsp接口即多通道緩衝串行口下傳給控制板，然後使用LVDS接口技術來實現控制命令以及三維測井聲波數據的高速串行傳輸。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，從而克服了三維聲波測井數據傳輸距離遠，井下電路工作環境複雜，三維聲波測井信號容易受到外界幹擾的問題，可實時準確地完成控制板和採集板之間數據的高速傳輸。
文檔編號E21B47/14GK103147745SQ20131005731
公開日2013年6月12日 申請日期2013年2月22日 優先權日2013年2月22日
發明者師奕兵, 張偉, 周龍甫, 張偉傑, 李金剛, 馬東 申請人:電子科技大學