张国战

(中国电子科技集团公司第二十二研究所 河南 新乡 453003)

0 引 言

近年来，随着石油测井仪器向成像系统发展，数据传输量增加，相应地对井下仪器总线也提出了更高的技术要求。将以太网技术应用于井下仪器总线，能够更好地满足高速成像测井系统高速率和多采样率的数据传输需求，对于成像仪器的高可靠、集成化、可视化、网络化、实时化具有重要意义。由于井下环境恶劣(高温高压)以及井下仪器贯通线数量有限，以太网拓扑结构不能采用星型网络的连接方式。因此，设计一种高温网络总线接口模块显得尤其重要。该模块选择以同轴电缆作为传输介质的10BASE-2连接方式(总线型以太网的一种)[1]。各井下仪器通过同一根同轴电缆并联，同轴电缆的两端各使用一个50 Ω终端电阻进行匹配。这种连接方式的优点在于如果一支井下仪器出现问题，不会影响其他井下仪器的正常工作。

1 电路设计

网络测井传输系统是网络化的遥测系统，主要包括地面子网和井下子网两个部分，如图1所示。地面子网由地面主机、深度系统和地面路由器等组成；井下子网由井下路由器和NCU模块组成[2]。这两个子网通过地面路由器和井下路由器相互连接起来。

图1 网络测井传输系统示意图

NCU模块与井下仪器的采集模块相连，主要完成数据的采集传输以及对井下仪器的控制，可以满足井下仪器多采样率的要求，提高井下仪器的纵向分辨率，是井下仪器的重要组成部分。随着探井深度的不断增加，温度、压力的环境愈加恶劣，通过器件的筛选以及对NCU模块的优化设计来实现175 ℃甚至更高温度下稳定可靠的运行。

NCU模块的硬件主要包括四部分，分别是主控部分、外部存储部分、网络接口部分、外部接口部分，其中外部接口部分指的是NCU模块通过SPI接口与井下仪器采集模块交换数据。电路构成如图2所示。

图2 NCU模块电路构成

NCU模块的主控部分CPU选用ADI公司工业级的处理器ADSP-BF518，该处理器是高集成度片上系统解决方案，频率最高可达400 MHz，片内包括116 KB存储器，标准接口丰富[3]。ADSP-BF518通过SPI与井下仪器采集模块互连。ADSP-BF518通过EBIU接口与网络芯片CS8900A-IQ3Z相连访问以太网；通过EBIU接口与16位宽的 2M byte静态外部存储器SRAM互连。网络协议栈(LWIP)缓存、数据缓存等由ADSP-BF518片内存储器和外部存储器SRAM提供。

NCU模块的网络接口部分包括网络接口芯片CS8900A、外设78Q8392L。其中网络接口芯片CS8900A为Cirrus Logic公司的工业级以太网控制器[4]。

2 程序设计

NCU模块的程序设计包括测井数据的采集和网络通讯的实现两部分。数据采集部分指的是主控芯片ADSP-BF518通过SPI接口定时地获取井下仪器的数据。网络通讯部分指的是TCP/IP协议栈的移植和网络接口芯片CS8900A驱动程序的实现。

2.1 数据采集接口程序设计

NCU模块与井下仪器采集模块通过SPI接口进行通讯，NCU模块端工作在主模式下，井下仪器采集模块端工作在从模式下，SPI通讯为主从式。每次上行数据前面都有一个下发的命令，通讯过程简介如下：

上电后NCU模块通过接收地面软件发送的开始测井命令来启动定时器，然后启动定时发令/取数时序，周期性地向井下仪器获取测井数据。当地面软件下发专有命令时，NCU模块会在发令/取数周期完成后，转发专有命令。地面软件向NCU模块发送停止测井命令，可以关闭定时器，终止发令/取数过程。流程图如图3所示。通过此程序设计，可以实现井下仪器的多采样率。

图3 数据采集接口流程图

2.2 TCP/IP协议栈的移植

为了实现测井数据的网络化传输，并且通过地面主机接入因特网，就必须遵循网络通信协议，即TCP/IP协议[5]。LwIP协议栈占用空间小、可裁剪、效率高并且开源，适合作为NCU模块的网络协议栈[6]。

2.2.1 LwIP协议栈优点

LwIP是一款开源的TCP/IP协议栈，是TCP/IP协议的典型代表。LwIP在保证嵌入式产品拥有完整TCP/IP功能的同时，又能保证协议栈对处理器资源的有限消耗。因此LwIP具有自己独到的一套数据包和内存管理机制，支持应用程序与TCP/IP协议栈运行在同一个进程中，可利用低水平的、基于回调函数的API编程接口，使应用程序的代码和 TCP/IP 协议栈的代码很好地结合起来。程序的执行机制是以回调函数为基础的事件驱动，同时回调函数也被TCP/IP 代码直接调用[7]。采用此种模式编程，可以有效地提高代码的执行效率和整个系统的稳定性。

2.2.2 LwIP协议栈的移植

LwIP协议栈内部使用一个名为netif的网络接口结构来描述各种网络设备，通过函数netif->input和netif->output完成网络数据包的接收和发送。网络接口程序主要实现以下功能：CS8900A的初始化，数据包的发送和接收，以及以CS8900A的中断服务[8]。

网络接口驱动函数的实现如图4所示,下面将着重分析这些函数的实现流程。

图4 网络接口驱动函数的结构

1)cs8900_netif_init() 该函数在管理网络接口结构netif时被调用。主要完成netif结构中某些字段的初始化，并调用cs8900_low_level_init完成CS8900A的初始化。

2)cs8900_output() cs8900_output为数据包发送函数，该函数将内核数据结构pbuf描述的数据包发送出去，过程实现如图5所示。

图5 向CS8900A发送数据包流程

3)cs8900_low_level_init() 该函数主要用来完成CS8900A参数初始化以及复位，并配置协议栈网络接口管理结构netif中与CS8900A属性相关的字段。

4)cs8900_isr() 该函数是系统的网卡中断处理函数，在主函数main中被调用。主函数时时查询有无数据包需要处理，当接收到有效数据包时，立即调用ethernetif_input函数进行处理。

5)low_level_input() 该函数从CS8900A中获取数据，并将数据放入pbuf结构中供内核使用。CS8900A在完整地接收到一个以太网数据包后，递交至上层函数ethernetif_input进行处理。

6)ethernetif_input() 该函数的主要功能是将CS8900A接收到的数据包提交给协议栈，然后解析该数据包的类型(IP包或ARP包)，最后将该数据包递交给相应的上层。实现过程如图6所示。

图6 网络接收函数实现过程

3 实验与测试

将NCU模块通过带BNC接口的交换机与主机连接起来，NCU模块与交换机之间用特性阻抗为50 Ω的同轴电缆相连(10BASE-2连接方式，理论传输速率为10 Mbps)，主机与交换机用网线相连，如图7所示。其中主机IP设置为10.10.1.150，NCU模块IP为10.10.1.xxx(xxx范围为180～254)。

图7 NCU模块与主机连接示意图

3.1 高温实验

为了验证NCU模块的可靠性，在高温实验室将NCU模块放入电热恒温鼓风干燥箱中,温度升至175 ℃后，连续工作4 h，实验过程中进行ping命令操作，保证主机与NCU模块时时通讯，测量NCU模块3.3 V和-9 V的电压电流值，实验数据见表1。

表1 NCU模块电压电流变化趋势

由实验数据可知，3.3 V和-9 V电流常温下分别为200 mA和55 mA左右，并随着温度的升高而增加；温度到达176.5 ℃后(温度不再升高的情况下)，电流不再增加。高温实验4 h，电流仍分别为324 mA和58 mA左右。由此看出，随着温度的升高，NCU模块的功耗也随之增加，但温度到达175 ℃左右功耗不再增加。

3.2 传输速率测试

在同一网段分别进行TCP和UDP连接。网络链接建立后，由NCU模块以50 ms定时方式周期性地向主机发送数据，传输速率与数据包大小的关系见表2。

表2 数据传输速率与数据包关系

由实验数据可知，TCP和UDP传输速率随着数据包的增大而提高。数据包大小为5 120 Bytes时，传输速率分别达102 KB/s和103 KB/s,速率与数据包大小成正比。

4 结 论

通过以上试验及对数据的分析，得到以下结论：

1)NCU模块的功耗随着温度的升高而逐渐增加，当温度到达175 ℃后功耗不再增加，满足工作指标。

2)发送数据包越小，传输速率越慢；数据包越大，传输速率越快。

3)传输数据包大小相同时，UDP速率比TCP的快。

以上结论表明，NCU模块在高温175 ℃下能够长时间稳定工作，并且传输速率达到工程测井要求。产品已应用到中电科二十二所研制的SDZ-8000系统中，主要开展裸眼井电缆测井(含钻输)任务，累计完成2 000余井次作业，NCU模块连续工作8 000 h无故障，并在青海共和县地区“GH-01”井进行高温验证，完成两次全井段测量，经历了4 004 m、193 ℃井温，仪器外壳最高181 ℃，仪器内部最高176 ℃的考验，验证了NCU模块的温度性能及稳定性，试验数据得到了甲方单位的认可，深受甲方和相关方好评，市场反应良好。