张家田 梁喜梅 刘 峰

(西安石油大学光电油气测井与检测教育部重点实验室 陕西西安)

Excell-2000成像系统通信短节的调制解调器设计

张家田 梁喜梅 刘 峰

(西安石油大学光电油气测井与检测教育部重点实验室 陕西西安)

文章分析了EXCELL-2000成像测井仪的井下调制解调器的工作原理以及其功能的实现。从曼彻斯特码的帧结构出发,在阐明曼彻斯特码基本工作原理的基础上,应用FPGA技术,利用硬件描述语言Verilog HDL设计完成曼彻斯特码编解码功能,所编写的Verilog程序经Active HDL进行调试、优化以及仿真,其仿真结果与理论分析完全吻合。

调制解调器;编码;曼彻斯特码;Verilog HDL

0 引 言

美国哈利伯顿公司生产的EXCELL-2000成像测井系统是目前世界上较为先进的测井设备,它为探井的勘探,油井的监测、检测和制定油田开发方案都提供了更加先进、准确的手段。仪器工作时,数字通信模块D4TG将井下仪器的测量数据和状态上传到地面仪器,并将地面仪器发出的控制命令参数下传至各个下井仪。可以说,D4TG是数据传输的咽喉要道和仪器工作的指挥官。

由于地下高温、高压、高腐蚀性环境,仪器会出现故障从而需要修理。但由于技术上的原因,仪器中的某些关键部分,如通信模块D4TG中的BCU电路板等,一旦损坏,无法维修,只能予以更换。但此电路板不仅价格昂贵,而且到货周期长,一般时间为4～8个月。而这个模块的损坏使得整串仪器无法工作,因此,成像测井仪数字通信系统研制成功就可以极大地减少成像系统怠工时间,降低成本,提高生产效率。要研制成功数字通信系统,了解D4TG的工作原理与数据传输过程是至关重要的。

1 D4TG井下通信单元

Excell-2000通信系统接口电路如图1所示,主要由三部分组成:地面调制解调器(D2MP)、数字井下通信模块(D4TG)和远程通信设备(RTU)。本文主要介绍D4TG。

图1 数字通信系统的接口框图

D4TG由井下调制解调器(SSM)和总线控制单元(BCU)组成,SSM在D4TG与地面系统之间提供下传命令或数据,其主要功能是完成以电缆为媒介的数据传输,即将地面仪器的数据、命令进行解调,提交给BCU单元,并且将井下仪器的数据和状态等数据按一定格式上传至地面的D2MP。井下调制解调器的作用就是完成解调和调制两个功能。

2 解调功能的实现

下传指令和数据经编码、信号驱动放大,以1553B曼码的形式下传至井下调制解调器,进行解调,解调后的串行数据经串并转换形成一定的格式到下一个模块,因此在进行数据解码之前首先要进行编码。

2.1 编 码

地面调制解调器对要下传的指令和数据进行编码,即调制成为曼码的形式。

每帧数据由20 bit组成,其中1 bit～3 bit为同步头,4 bit～19 bit为数据,第20 bit为校验位,整个编码过程可分为三步进行:①检验编码周期是否开始,并辨别同步字信号(命令/数据)以产生相应的同步信号;②对16位数据进行编码;③附加奇偶校验位,编码周期结束。编码可由状态机来实现,其状态图如图2所示。

图2 编码状态图

由于在每个码元间隔的中心部分都存在电平跳变,因此编码器必须要有一个二倍频于所传送数据速率的时钟,由SEND CLOCK端输入。

编码过程为:当编码移位时钟的下降沿到来时,编码使能为高(这个周期持续一个字长或20个编码移位时钟周期)。在紧接着的上升沿,同步选择为高时激励一个命令同步字,为低时产生一个数据同步字。当编码器准备好接收数据时,发送数据(输出)变为高电平,并保持16个编码移位时钟周期。在这16个周期内的每个上升沿,数据应被锁定在串行数据(输入)上。完成了同步字和曼彻斯特编码后,数据通过编码输出端输出。编码器会加上一位奇偶校验位。其编码逻辑框图如图3所示[1]。

图3 编码逻辑框图

2.2 解 码

曼码形式的数据通过1553总线下传至井下调制解调器,对其进行解调,即解码为NRZ的形式。

曼码的解码过程主要分为三步:①检测输入数据中的同步字,以开始解码;②对去除同步字后的数据进行解码;③通过奇偶校验判断所接收数据是否正确。解码器的逻辑框图如图4所示[2]。

图4 解码器逻辑框图

该逻辑可由状态机实现,可划分为四个状态进行:第一个状态是空闲状态,当检测到数据跳变沿时,进入第二个状态;第二个状态为有效同步字头检测状态;当检测到有效同步字头,启动第三个状态,进行解码;当数据有效时进入第四个状态,进行并/串转换及奇偶校验。其状态机状态转换如图5所示[3]。

图5 解码器状态转移图

解码的关键在于首先必须检测出同步字,才可开始解码周期,因此解码器必须不停地监视输入数据是否已有同步字。

由于在每个码元间隔的中心部分都存在电平跳变,因此解码器必须要有一个2倍频于所传数据速率的时钟,并用了一个译码移位时钟来输出译码数据。

译码过程为:译码器持续不断地检测输入数据,直到检测到一个有效的同步字(000111或111000)和两个有效的曼彻斯特数据位,才开始译码周期。在译码移位时钟的下一个下降沿,解码使能信号变为高电平并持续16个译码移位时钟周期,同时同步头选择信号对应为高或低电平,并持续16个周期;在这段时间内,译码数据以NRZ格式输出;在所有16位译码数据传送完后,对它们进行奇校验,如果没有错误则在有效字端输出高电平。

整个译码逻辑也是用Verilog Hdl语言来完成,其全部设计包括三个大的模块:同步头检测模块、译码输出模块和奇偶校验模块。在同步头的检测中,采用一个计数器和一个移位寄存器来检测一个同步(000111或111000)和两个有效数据字,并在后面的译码过程中除去同步头;译码模块中,用250kHz的高频时钟在数据1/4和3/4处采样,并转换成NRZ格式输出;最后将译码所得数据及附加的校验位输入奇偶校验模块中,进行校验,如果没有任何错误,则在有效字端输出高电平信号[4]。

3 调制功能的实现

BCU通过1553总线采集RTU的数据,并编译成一定的数据格式:字、块、帧,最后以一定的顺序上传至SSM中进行译码、调制,使之成为双二进制码,然后经驱动电路,通过电缆7将其送往地面。

井下调制解调器的工作过程是地面系统将相关指令和数据通过调制解调器下传至D4TG中的调制解调器,总线控制单元(BCU)将数据及指令通过1553B总线发送至相应的RTU,由RTU控制对应的仪器进行工作,并将数据回传到BCU,BCU进行译码并通过地下的调制解调器上传到地面。

由RTU回传至BCU的数据格式为曼码形式,经译码为NRZ格式,并存放在锁存器中。要想将数据传至井下调制解调器,首先,从锁存器中读出数据,这就要实现锁存器的读写控制;其次,读出的数据为并行格式,将其转换为串行格式,即数据的并串转换的实现;最后,串行数据传到SSM中,进行调制,就是将二进制信号与时钟信号相与,使之成为双二进制码。

因此,要实现调制功能,主的要任务有三个:

①锁存器数据的读写控制;

②数据并串转换的实现;

③调制功能的实现。

4 结束语

文章利用硬件描述语言Verilog HDL设计了曼彻斯特码的编解码器,实现了编码器同步字的产生、输入信元的编码以及奇偶校验的功能和解码器同步字的检测、解码以及数据串并转换和奇偶校验的功能,并简单介绍了井下调制解调器的调制功能及其功能实现的设计思想,这些功能均在FPGA上实现,可以完全替代专用的曼彻斯特编码芯片,成本低,充分体现了FPGA技术在设计上的灵活方便。

[1] 刘雁飞,吴 进.基于CPLD的曼彻斯特编译码实现[J].西安邮电学院学报,2003,8(1)

[2] 王斯林,卢光跃,覃明昭.曼彻斯特编译码的CPLD实现[J].石油仪器,2002,16(5)

[3] 石红梅,姬劳,谢栓勤.用FPGA实现1553B总线接口中的曼码编解码器[J].新器件新技术,2004,11(4)

[4] 黄 熙,王成林,方泳涛.基于FPGA实现HD_15530编译码器[J].电子测量技术,2006,29(1)

Design of modem of short communications section of the Excell2000 imaging system.

Zhang Jiatian,Liang Ximei and Liu Feng.

This paper analyzes the working principle and the realization of the functions of the downhole modem of the EXCELL-2000 imaging logging tool.It also discusses the frame structure and principle of the Manchester,applies the EDA technology and designs a Manchester code and decode functions by hardware description language Verilog HDL.Through debugging,optimizing and simulation the source program by the software Active-HDL,the result accords with the theoretical result.

modem;code;manchester;Verilog HDL

TN914

B

1004-9134(2010)01-0017-03

张家田,男,1963年生,教授,1990年6月毕业于西安交通大学电磁测量技术及仪器专业,获工学硕士学位,现任西安石油大学电子工程学院院长。邮编:710065

2009-07-14编辑姜 婷)

PI,2010,24(1):17～19

·开发设计·