随钻电阻率数字信号处理模块研究

闫晶红

(大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院钻井工艺研究所，黑龙江大庆163000)

1 研究的目的及意义

水平井以其远高于直井的油气产量等特性逐步地取代直井成为当今最常用的钻井作业开发技术之一，它可以为石油公司带来高额的回报率。在水平井钻井技术当中，底层地质参数的随钻测量数据尤为重要，而随钻地层电阻率测量正是地层参数评价的重中之重。因为这个原因，随钻地层电阻率评价系统已经成为石油钻井行业的主要设备。而随钻地层电阻率评价系统的控制中枢，是其中的主控电路。主控电路中，数字信号处理模块用于数字信号的处理运算。当今数字电路处理技术领域中，DSP技术以其独到的优势成为应用最广泛的核心技术之一，与其他的技术方案相比，DSP在需要实时处理大量数字信息的场合中是最佳的选择。

2 电阻率数字信号处理模块的原理及结构

DSP（Digital Signal Processing）工艺的核心就是数字信号处理，它是通过单片机或其他通用的芯片设备，在芯片中，以数字信号的形式对信号进行采集、转换、过滤、估值、增益、压缩、识别等处理，最终得到所需要的信号强度及波形。

DSP芯片比其他类型的微处理器所具有优势的一点是，其对数字信号的处理速度快，而且及时性强于其他芯片。

DSP芯片相对于其他种类芯片来说，一般具有如下主要优点：

（1）可以进行加法运算和乘法运算，并且这2种运算可以在一个运算周期内完成。

（2）有独立的指令存储单元和程序存储单元，在访问指令的同时也能访问程序。

（3）通过数据总线，可以快速地访问RAM和ROM。总线访问速度快，响应速度快，同时性好。

（4）具有低消耗或无消耗的循环及指令转移访问地址的硬件支持。

（5）输出访问速度快，及时终止指令能力强。

（6）通过总线可以随机分配物理地址，在一个命令周期内，将各地址赋值给需要操作的各个模块单元。

（7）总线支持并行处理多个任务。

（8）支持指令按顺序操作，可以使读取指令、编译指令和完成指令等一系列操作同时进行。

DSP芯片在进行数据处理时，使用的模型是哈佛结构（如图1所示），相对于其他通用处理方法，如冯诺依曼结构（图2），它更先进的地方是可以将指令集和运算中所需要存储的中间数据分别存储在ROM和RAM中，同时可以给每个存储器独立的访问地址。总线的设计可以让整套系统运算效率提高，在访问指令集和数据存储器的时候可以同时进行，这样运算速度以及其数据交换量大大提高。

目前世界上能生产芯片的公司众多，其中能生产DSP芯片的公司主要有4家，他们分别是Texas Instru⁃ments公司（德州仪器）、Analog Devices公司（美国模拟器件）、Technologics（朗讯技术）公司和Motorola（摩托罗拉）公司4大公司。本文中选用的是美国模拟器件公司的ADSP2111芯片以及TMS2000芯片。以此作为电阻率测量短节主控电路板的数字信号处理器。

ADSP2111芯片的主要特点是采用了哈佛结构。它的主要优点在于，将指令集和计算数据分别存储在不同的寄存器中，通过总线可以进行并行和串行的访问。每一个指令和数据存储器都有独立的地址，访问效率以及数据交换效率大大提高。

图1 数字信号处理器的特殊结构

图2 普通处理器的结构

TMS2000系列DSP芯片在结构上相较于诺依曼模型做了2点改进[1]：第一个是将指令集集成在ROM中，各个功能模块在调用的时候会节省很多时间，也避免了指令冲突的可能。二是在调用各个指令集的时候，直接从RAM存储器中调用，避免重新读取重新加载的时间浪费，大大提高了执行效率[2]。

TMS2000芯片总线上最多可以支持并行6条命令同时运行，最少可以支持2条指令同时运行，这些指令都处于芯片内部程序的调控顺序指导之下。例如在一个三级流水线操作中，取指、译码和执行操作可以独立地处理，这可使指令执行能够完全重叠。这样就增强了处理器的处理能力。

在一般形式的FIR滤波器中，乘法是DSP的重要组成部分。在TMS2000系列中，由于具有专用的硬件乘法器，乘法可以在一个指令周期内完成。这样可以大量降低FIR的计算时间。

3 结论

本文通过系统地分析了DSP芯片在使用过程中的优点以及其运行的流程，为以后在电阻率短节中使用DSP芯片作为核心计算芯片打下了基础。

[1]Texas Instruments.TMS6000数据手册[Z].

[2]Texas Instruments.TMS2000数据手册[Z].