梁喜梅李 震郗富昭

(1.西安石油大學光電油氣測井與檢測教育部重點實驗室 陜西西安)(2.中國石油集團測井有限公司長慶事業(yè)部 陜西西安) (3.東方地球物理公司海上勘探事業(yè)部 天津)

Excell-2000成像測井儀數(shù)字通信系統(tǒng)的接口設(shè)計

梁喜梅1李 震2郗富昭3

(1.西安石油大學光電油氣測井與檢測教育部重點實驗室 陜西西安)(2.中國石油集團測井有限公司長慶事業(yè)部 陜西西安) (3.東方地球物理公司海上勘探事業(yè)部 天津)

文章闡述了Excell-2000測井系統(tǒng)通信模塊的構(gòu)成、工作原理,介紹了井下調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計和數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換實現(xiàn)。井下調(diào)制解調(diào)器的成功研制,可以實現(xiàn)地面設(shè)備與井下通信模塊的通信連接,對成像測井儀通信系統(tǒng)的成功研制具有重要的意義。

成像測井系統(tǒng);調(diào)制解調(diào)器;編碼

0 引 言

Excell-2000成像測井系統(tǒng)是目前世界上較為先進的測井設(shè)備,它對探井的勘探、油井的監(jiān)測、檢測和制定油田開發(fā)方案都提供了更加先進、準確地手段。儀器在工作時,數(shù)字通信模塊D4TG將井下儀器的測量數(shù)據(jù)和狀態(tài)上傳到地面儀器,并將地面儀器發(fā)出的控制命令參數(shù)下傳至各個下井儀,可以說,D4TG是數(shù)據(jù)傳輸?shù)难屎硪篮蛢x器工作的指揮官。

1 數(shù)字通信系統(tǒng)的接口設(shè)計

Excell-2000通信系統(tǒng)接口電路如圖1所示,主要由三部分組成:地面調(diào)制解調(diào)器(D2MP)、數(shù)字井下通信模塊(D4TG)和遠程通信設(shè)備(RTU)。

其工作過程是地面系統(tǒng)將相關(guān)指令和數(shù)據(jù)通過地面調(diào)制解調(diào)器下傳至D4TG中的調(diào)制解調(diào)器,總線控制單元(BCU)將數(shù)據(jù)及指令通過1553B總線發(fā)送至相應(yīng)的RTU,由RTU控制對應(yīng)的儀器進行工作,并將數(shù)據(jù)回傳到BCU,BCU進行譯碼并通過地下的調(diào)制解調(diào)器上傳到地面。要進行數(shù)字通信系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計,關(guān)鍵電路原理框圖如圖1中的虛線部分(D4TG)所示[1]。

1.1 地面調(diào)制解調(diào)器

圖1 數(shù)字通信系統(tǒng)的接口框圖

D2MP的主要功能有兩個:首先,它對通過D4TG上傳的DITS信號進行解碼,將其轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)為主機進行進一步的處理;其次,D2MP也執(zhí)行對下傳命令的編碼,驅(qū)動命令碼的下傳,并放大主機到D4TG的信號,使信號能與測井電纜相匹配,以便能使下傳命令得以正常實現(xiàn)。它的主要作用是轉(zhuǎn)換合適的數(shù)字信號給地面計算機接口,同時也轉(zhuǎn)換合適的模擬信號到測井電纜,以便控制井下儀器的操作,為了實現(xiàn)此目的,處理過程中必須校正測井電纜的變形,而且對于不同電纜長度、電纜類型和井下溫度,信息會有許多不同的變化。對于低速9.06kHz的下傳數(shù)據(jù)是較容易處理,但對于高速上傳數(shù)據(jù),變形的信號是很難恢復(fù)的。因此,D2MP接收部分必須能處理三種不同類型的信號,包括噪聲、衰減及連續(xù)數(shù)據(jù)間的干擾,才能有效地獲得有用的測井數(shù)據(jù)[3]。

1.2 D4TG井下通信單元

D4TG由井下調(diào)制解調(diào)器(SSM)和總線控制單元(BCU)組成。SSM在D4TG與地面系統(tǒng)之間提供下傳命令或數(shù)據(jù),BCU控制上傳信息,地面系統(tǒng)利用下傳命令設(shè)置上傳信息的速率,并且下載總線命令表到BCU,然后BCU再根據(jù)命令表定義來上傳一定順序的數(shù)據(jù)。另外,命令表在儀器刻度、測井和射孔時也可控制BCU和RTU的操作模式。BCU根據(jù)總線命令表從儀器串中采集數(shù)據(jù),且編譯成上傳數(shù)據(jù)格式,然后D4TG以每50ms上傳一次數(shù)據(jù)到地面系統(tǒng)。

1.2.1 井下調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計

Excell-2000通信系統(tǒng)主要部分包括地面調(diào)制解調(diào)器、井下調(diào)制解調(diào)器、總線控制單元(BCU)、以及各個儀器的遙測單元(RTU)。其工作過程是地面系統(tǒng)將相關(guān)指令和數(shù)據(jù)通過地面調(diào)制解調(diào)器下傳至D4TG中的調(diào)制解調(diào)器,總線控制單元(BCU)將數(shù)據(jù)及指令通過1553B總線發(fā)送至相應(yīng)的RTU,由RTU控制對應(yīng)的儀器進行工作,并將數(shù)據(jù)回傳到BCU,BCU進行譯碼并通過井下的調(diào)制解調(diào)器上傳到地面。由此可見,井下調(diào)制解調(diào)器的主要功能就是完成數(shù)據(jù)的傳輸,即通過接收下行數(shù)據(jù)并對其進行解調(diào)和對上行數(shù)據(jù)進行調(diào)制并將其發(fā)射至地面設(shè)備來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸功能,其功能框圖如圖2所示[2]。

圖2 井下調(diào)制解調(diào)器原理框圖

井下調(diào)制解調(diào)器接收電路接收來自地面設(shè)備下傳的數(shù)據(jù)和命令,經(jīng)1553B解碼器進行解碼下傳至BCU中的處理器中;井下調(diào)制解調(diào)器上傳井下儀器的數(shù)據(jù)字和狀態(tài)字,經(jīng)發(fā)射電路對其進行調(diào)制,傳輸至地面設(shè)備。

1.2.2 總線控制單元

BCU有兩個基本功能:首先,BCU從地面設(shè)備接收下傳命令和數(shù)據(jù),并將下傳數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成RTU可以識別的形式,然后發(fā)送指令到RTU;其次,BCU通過1553總線采集RTU的數(shù)據(jù),并編譯成一定的數(shù)據(jù)格式:字、塊、幀,最后以一定的順序上傳至SSM。

1.3 遠程通信設(shè)備RTU

RTU是儀器電子測量部分和DITS井下通訊系統(tǒng)D4TG的儀器通信接口。每一種儀器都有各自的RTU地址,通過1553儀器總線與D4TG連接,并且是雙向通訊。即D4TG可從RTU請求數(shù)據(jù)或傳輸命令,如改變儀器的操作狀態(tài),包括張收井徑、刻度、測井等。另外,RTU也可通過1553總線傳輸數(shù)據(jù)到D4TG。由于儀器串中每一個儀器都有自己的RTU地址,如補償中子儀器(DSN)地址是51H,高分辨率感應(yīng)儀器(HRI)地址是02H,這種傳輸特性允許D4TG能分別和儀器總線中的每一個儀器通信,且儀器串中所有RTU都與唯一的儀器總線相連,這樣,D4TG可僅命令儀器串特定儀器傳送數(shù)據(jù),且僅響應(yīng)請求地址的儀器的命令[3]。

2 算法設(shè)計思想

井下調(diào)制解調(diào)器的算法設(shè)計主要有兩種:一種是下行曼徹斯特解碼算法的設(shè)計實現(xiàn),另一種是對BCU傳至SSM的上行NRZ碼數(shù)據(jù)調(diào)制算法的設(shè)計實現(xiàn),因此井下調(diào)制解調(diào)器的通信模塊的劃分如圖3所示。

圖3 通信系統(tǒng)模塊劃分

2.1 下行解調(diào)算法的設(shè)計

曼徹斯特碼是一種自時鐘碼,即曼切斯特編碼中已經(jīng)包含了時鐘信息,它是利用信號的上下跳變來表示要傳遞的信息的。由于這種特性,因此在解碼的時候需要使用鎖相環(huán)來分離時鐘從而得到時鐘信息以確定跳變發(fā)生在什么時候,再對上下跳變進行判斷。

對于碼元的檢測,這里采用一種簡單的方法來實現(xiàn)鎖相環(huán)技術(shù),如圖4所示,將采樣速率提高到碼元速率的8倍,同時由于編碼時鐘為碼元速率的2倍,因此,在一個碼元對應(yīng)的時間段內(nèi)中可以有8個采樣值,同時在跳變沿的前后各有4個采樣值。為了提高檢測概率,對于4個采樣值,拋棄第一和第四位,以第二和第三位作為檢測的有效值,然后將跳變沿前后的值進行對比,得到最終的碼元檢測結(jié)果。對于同步頭,占用了3個比特位,則對應(yīng)的檢測采樣值為24個,區(qū)別在于采樣值數(shù)量的多少,方法是一樣的。

圖4 1553B的解碼方法

曼徹斯特解碼的過程也可分為三部分:(1)同步字的檢測,并辨別其同步字類型;(2)對曼碼形式的數(shù)據(jù)進行解碼;(3)將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為并行數(shù)據(jù),并進行奇偶校驗。利用硬件描述語言Verilog實現(xiàn)1553B解碼技術(shù),通過仿真軟件Active-HDL、集成開發(fā)環(huán)境Libero對其進行編譯、綜合。

2.2 調(diào)制算法的設(shè)計

根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸速率的不同,上傳的數(shù)據(jù)格式也不同。當數(shù)據(jù)傳輸速率為 13.6kb/s、27.2kb/s、54.4 kb/s、108.8kb/s時,上傳的數(shù)據(jù)格式為調(diào)制的雙二進制碼,而數(shù)據(jù)傳輸速率為217.6kb/s時,上傳的數(shù)據(jù)格式為不調(diào)制變形雙二進制碼。在設(shè)計中,采用三級編碼實現(xiàn)雙二進制調(diào)制編碼,即NRZ碼通過三級編碼成為調(diào)制的雙二進制碼。可編程邏輯器件輸出的數(shù)據(jù)為調(diào)制的雙二進制碼,被發(fā)送到D/A轉(zhuǎn)換電路中。其編碼邏輯框圖如圖5所示。

圖5 雙二進制編碼邏輯框圖

可編程邏輯器件主要根據(jù)輸入NRZ數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)時鐘、載波時鐘調(diào)制輸出MMSB、M2SB和MLSB到D/A轉(zhuǎn)換電路中。編碼器的組成包括一個邏輯門、兩個D觸發(fā)器、一個數(shù)據(jù)編碼器和一個調(diào)制器。

NRZ數(shù)據(jù)經(jīng)過一個反相緩沖器輸入到一個兩輸入的異或門,異或門的輸出DFLOP1作為第一個D觸發(fā)器的輸入,當數(shù)據(jù)時鐘啟用后,NRZ數(shù)據(jù)通過D觸發(fā)器輸出,第一個觸發(fā)器的輸出QFLOP1作為異或門的另一個輸入端。QFLOP1和QFLOP2通過異或門形成LSB信號,通過與門形成MSB信號。信號LSB和MSB進入一個數(shù)據(jù)編碼器產(chǎn)生雙二進制碼 EMSB、E2SB和ELSM,后經(jīng)調(diào)制器調(diào)制為調(diào)制的雙二進制碼MMBS、M2BS和MLBSS。

利用三級編碼原理圖法實現(xiàn)上行信號調(diào)制的功能,即將NRZ碼轉(zhuǎn)換為調(diào)制的雙二進制碼,同樣通過仿真軟件、集成環(huán)境對其進行編譯、下載,驗證調(diào)制技術(shù)設(shè)計的合理性。

3 結(jié)束語

本文通過對Excell-2000測井系統(tǒng)的通信模塊的理解、分析,掌握了其工作原理,了解了D4TG是整個測井系統(tǒng)的關(guān)鍵,并重點介紹了D4TG中井下調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計原理和算法設(shè)計,實現(xiàn)了數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換、傳輸,對于研制一種可以代替 Excell-2000的D4TG工作的成像測井儀的數(shù)字通信系統(tǒng)非常重要。

[1] Halliburton.DITS4TELEMETRYGAMMA(D4TG)Field OperationsManual,2001(資料)

[2] Halliburton.DITS4TELEMETRYGAMMA(D4TG)Field OperationsManual,2001(資料)

[3] 林興春,胡 濤,何志平.淺析 EXCELL-2000成像測井系統(tǒng)的通信環(huán)節(jié)[J].石油儀器,2002,16(3)

P631.8+1

B

1004-9134(2010)03-0005-03

2009-08-31 編輯:高紅霞)

梁喜梅,女,1984年生,碩士研究生,2006年畢業(yè)于西安石油大學測控技術(shù)與儀器專業(yè)獲工學學士學位,現(xiàn)在西安石油大學電子工程學院光電油氣測井與檢測教育部重點實驗室攻讀碩士研究生。郵編:710065