吴文河，鞠晓东，王德国，卢俊强，张凯

（1.中国石油大学，北京 102249；2.油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249）

0 引 言

由于泥浆脉冲遥传通讯速率的限制，随钻声波测井仪器必须在井下实现实时声波时差处理，而钻铤噪声和泥浆噪声增加了井下实时波形处理和声波时差计算的难度。随钻声波测井仪器调试台架的研制目的在于对随钻声波测井仪器提供板卡级和整机调试，验证井下实时声波时差处理算法的准确性和抗干扰能力，以及对仪器测井数据读取、野外故障快速诊断和维修的支持［1］。为更好地实现上述功能需求，随钻声波测井仪器调试台架采用了主从式系统架构，主机为高性能PC机，从机（也称为前端机）采用基于 Nios II［2－4］和IEEE802.3（以太网）互联的系统架构［1］。

1 仪器调试台架的系统架构设计

随钻声波测井仪器调试台架的整体组成结构见图1。调试台架主要由Nios II主控电路板（它具有1路CAN和1路MWD接口，用于对仪器进行整体调校）、多通道阵列波形信号源和电源监控板组成，并可根据需要扩展仪器的板卡级检测功能板。

图1 随钻声波测井仪器调试台架结构框图

主控电路板是整个调试台架系统的控制核心，主要实现与上位机以太网通讯、随钻声波测井仪器调校接口以及对扩展M-LVDS总线上的各种扩展功能板卡进行控制。主控电路板内部通过光耦隔离方式扩展出1路CAN接口和1路MWD接口，其中CAN接口主要用于快速读取随钻声波测井仪器内部FLASH内存储的无法实时上传的波形数据，MWD接口用于设置和调校随钻声波测井仪器以及模拟泥浆脉宽控制器对随钻声波测井仪器进行控制。通过采用M-LVDS差分高速总线作为扩展总线接口，大幅度减少了总线连线数量，提高了连接可靠性和抗干扰能力。

多通道阵列波形信号源扩展板主要用于模拟接收换能器输出阵列波形信号，在井下仪调校接口的配合下通过该扩展板可以调校随钻声波测井仪器采集电路，在不需要实际连接测井仪器接收换能器的情况下实现对整个随钻声波测井仪器的时差提取算法、波形数据存储等核心算法进行调试和验证。阵列波形信号数据可以是实际声波测井信号，也可以是数值模拟产生，该数据预先存储在上位机中，由上位机软件通过以太网下发至前端机主控板，主控板再通过M-LVDS总线发送到多通道阵列波形信号源板。

目前随钻声波测井仪器多使用电池供电，功耗是其电路设计的关键参数。调试台架中特别设计电源监控板，用于监测不同工作状态下随钻声波测井仪器的功耗情况。

2 主控电路板设计

主控电路板采用32bit Nios II软核作为嵌入式硬件核心，主要功能是通过以太网将各种接口或功能接口板卡与上位机进行连接，将大量后续处理任务交由高性能主机完成。Nios II软核在FPGA（EP2C8Q208）上实现［5］，Nios II内核按占用资源和运行速率的不同可以有3种不同选择，分别是Nios II／e、Nios II／s和 Nios II／f，为运行操作系统，设计中选择Nios II／f内核。

Nios II主控电路板结构见图2。该板集成了1个CAN接口、1个 M-LVDS接口、2个UART（分别用于超级终端和MWD通讯接口）和1个100 Base-T以太网接口。其中，CAN接口用于高速读取随钻声波测井仪器内部存储的波形数据。为节约FPGA内部资源，该设计采用了1片SJA1000［6］接口芯片；以太网接口芯片采用DAVICOM公司的DM9000A［7］，该接口芯片10／100Mbit／s兼容且采用LQFP48封装，节省印刷板面积；2个UART接口分别由软核在FPGA内部生成，其中一个UART接口作为超级终端接口用于调试和监视主控板系统工作情况，另外一个UART接口通过外部驱动电路扩展成MWD通讯接口总线。M-LVDS总线即多点低压差分信号总线，通过采用小摆幅的差分信号实现快速的数据传输，而且具有低功耗和出色的抗噪性能。为提高安全性，CAN和MWD接口均采用隔离驱动方式。

图2 基于Nios II的嵌入式主控电路板结构框图

Nios II处理器通过Avalon［8］总线接口与各种外部设备进行连接，FPGA内部的UART接口核以及SDRAM控制器核在Altera公司的SOPC Build－er开发软件中均有集成，可以直接调用。该设计中SJA1000接口控制器核和M-LVDS扩展总线内核为用户自己设计，按照Avalon接口规范，采用VHDL语言编写控制接口逻辑。

3 功能扩展板卡设计

功能扩展板卡通过M-LVDS总线与主控电路板连接，图3所示的多通道阵列信号源板是本测试台架的主要功能扩展板。多通道阵列信号源板采用Altera公司的FPGA（EP2C8T144）作为核心控制芯片，采用具有DAC寄存器同步更新功能的高速DAC（AD5541A，16bit，1Msps）作为精密波形发生器，少量的波形数据预先存储在EPCS4配置芯片中，大量的动态变化的波形数据由上位机下发给主控板，然后主控板通过M-LVDS总线下载到多通道阵列信号源板的FPGA内部缓存中。信号源板上设有板地址拨码开关，这样多块信号源板就可以一起并联使用，模拟更多接收站的输出信号。为提高输出信号的质量，DAC接口、幅度控制接口和继电器驱动接口全部采用高速光电隔离。通过采用隔离继电器整列实现热插拔功能，提高了测试的安全性和便利性。

为了模拟不同源距和间距的声系，各通道波形信号的输出起始时间参数和各通道之间的延时参数均可设置，图4为Tektronix DPO3034示波器采集的多通道阵列信号源板输出的四通道波形，4个通道输出的波形原始数据为存储在EPCS4配置芯片中的同一道波形数据，各通道间相对延时为40μs。

图3 多通道阵列信号源板结构框图

图4 多通道阵列信号源板输出波形图

4 嵌入式前端软件设计

前端机软件在uClinux 2.6系统平台上实现，包括驱动程序和应用程序2部分，驱动程序实现CAN和M-LVDS总线实时高速通讯等任务，应用程序则完成实时性要求不高的任务。嵌入端程序架构见图5。其中，网络通讯模块实现嵌入端与PC端以太网socket连接功能，命令响应及板卡接口模块的功能为响应PC机下传命令并对相应调试板卡进行控制及操作，CAN驱动接口和M-LVDS驱动接口实现与对应驱动程序的异步消息接口及数据交换功能。前端机软件采用模块化设计，为各种调试板卡设计了程序接口，便于功能扩展。

图5 嵌入端软件系统架构示意图

uClinux中的设备可以分为3类：字符设备、块设备和网络设备［9］。该软件中CAN驱动程序和M-LVDS驱动程序为字符型设备。为实现大量通讯数据的快速实时收发功能，以及实现驱动程序与应用程序快速数据和信息交换，驱动程序中设计了专门的系统缓存和中断处理，驱动程序在中断驱动下自动操作数据缓存完成数据的收发，然后使用kill＿fasync（＆async＿queue，SIGIO，POLL＿IN）函数向应用程序发出SIGIO异步通知请求，应用程序接收到异步通知后通过ioctl（）函数调用只读取或提供数据即可，这样提高了通讯速率及程序运行效率。

5 主机应用软件设计

上位机软件是调试台架系统的控制核心，基于Visual Studio.Net开发平台，通过以太网控制嵌入式前端机执行所有测试功能，系统架构见图6。上位机软件的底层为基于TCP／IP协议的数据通讯模块，使用 Winsock套接字和 Windows完成端口模型编程实现，完成测试系统控制命令、工作状态和测试数据的收发。上位机软件主要实现仪器调试和现场测试2类功能，其中仪器调试类功能主要包括电源监控、实时声波时差处理算法验证、随钻声波测井仪器硬件板卡功能检测等，现场测试类功能主要包括仪器工作参数设置和波形数据读取。

图6 主机软件系统架构示意图

实时声波时差处理算法可靠性验证是该调试台架的重要功能。其操作流程为，上位机软件先从文件中读取已知时差结果的波形数据下发至前端机后由多通道阵列信号源输出波形，MWD接口同时启动仪器工作开始采集信号源产生的波形然后进行时差处理，前端机再通过MWD接口读取声波时差处理结果并上传，上位机将收到的随钻声波测井仪器实时处理的时差计算结果和实际的时差值进行比对，通过这种方法可以测试井下实时时差处理算法的准确性和抗干扰性能。

6 结 论

（1）随钻声波测井仪器调试台架是随钻声波测井仪器研制、生产和现场使用过程中的重要专用设备。相对于目前常用的基于ARM技术的嵌入式系统平台，采用基于Nios II软核技术构建的随钻声波测井仪器调试台架嵌入式前端系统，软硬件均采用模块化设计并且可以联合设计，调试方便且具有更高的开发效率。

（2）嵌入式前端主控软件基于开源的uClinux系统平台，通过专门开发的带有中断响应功能的设备驱动程序，结合异步通知请求等技术，实现了大量通讯数据的快速实时收发功能。

（3）多通道阵列信号源为验证井下实时声波时差处理算法提供了便利，前端机采用M-LVDS扩展总线，减少了主控板与各功能板卡之间的连线并提高了总线抗干扰能力，便于功能扩展。

［1］鞠晓东，成向阳，卢俊强，等.基于嵌入式架构的测井仪器调试台架系统设计 ［J］.测井技术，2009，33（3）：270-274.

［2］Altera Corporation.Nios II Processor Reference Handbook［EB／OL］.http：∥www.altera.com／literature／hb／nios2／n2cpu＿nii5v1.pdf，2011.

［3］Altera Corporation.Nios II Software Developer’s Handbook［EB／OL］.http：∥www.altera.com／literature／hb／nios2／n2sw＿nii5v2.pdf，2011.

［4］Altera Corporation.SOPC Builder User Guide［EB／OL］.http：∥www.altera.com／literature／ug／ug＿sopc＿builder.pdf，2010.

［5］Altera Corporation.Cyclone II Device Handbook［EB／OL］.http：∥ www.altera.com／literature／hb／cyc2／cyc2＿cii5v1.pdf，2008.

［6］NXP Semiconductors.SJA1000Data Sheet［EB／OL］.http：∥ www.nxp.com／documents／data ＿sheet／SJA1000.pdf，2010.

［7］DAVAICOM Semiconductor，Inc.DM9000AData Sheet［EB／OL］.http：∥www.davicom.com.tw／userfile／24247／DM9000A-DS-F01-030311.pdf，2011.

［8］Altera Corporation.Avalon Interface Specifications［EB／OL］.http：∥www.altera.com／literature／manual／mnl＿avalon＿spec.pdf，2011.

［9］Jonathan Corbet，Greg Kroah-Hartman，Alessandro Rubini.Linux Device Drivers［M］.3rd Edition.U.S.A.：O’Reilly，2005.