基于FPGA的测井仪器系统

刘雨++颜瑾++李博

摘要：针对测井应用中受电缆自身特性、井下高温、高压及振动等恶劣环境影响[1]，限制了通信带宽及通信距离。本文提出采用HDB3编码方式提出测井数据高速传输的设想及实现方案。该设计对编译码模块的原理进行分析，优化设计方法，以FPGA为核心单元，完成高速的编译码器，实现井下与PC机高速数据交互，实际应用表明，该系统具有全双工、无中继的特性，在油田应用领域具有极大的研究价值。

关键词：HDB3编码；FPGA；测井数据传输

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）32-0245-02

测井应用的新发展受电缆自身特性、制造工艺的限制，同时由于井下高温、高压、冲击、振动和井下空间狭小等恶劣环境的影响，测井电缆数据表现为传输速率低，信号衰减、失真也比较严重，而且数据容量、带宽亦有限[2]。由此可见，解决测井数据传输中实际遇见的以上问题是改善测井数据传输效果的关键，而HDB3编码方式不仅具有时钟恢复和更好的抗干扰性能，而且能校验错误并纠正，极大的提高通信速率，降低误码率，适用于油田长距离信道传输通信，又由于专用集成电路及相应匹配的外围中小规模集成芯片来实现HDB3编码。因此，基于FPGA的编码测井技术研究具有极其重大的现实意义。

1 测井系统总体结构

整个测井仪器系统由三大部分组成：地面设备、模拟电缆以及井下设备。整体系统结构如图1所示。

本系统主要为了实现井下设备与地面设备全双工通信，通信介质依靠电缆，为了实现这一目的具体系统原理框图如图2所示。井下设备与地面设备依靠电缆总线相连，分别有规定的地址码。PC可向井下发送指令，并把数据送至电缆总线上，经井下接受单元处理再传至井下设备。井下仪器的数据被井下遥测单元调制成双相位信号，编成HDB3编码后，经测井电缆传输至地面设备。

2 硬件结构框图

测井仪器系统地面设备包括PC机、接收器II、发送器I以及解码、均衡等部分构成，井下设备包括井下检测变送设备（如温度变送器）、微控制处理器、接收器I、发送器II以及解码、均衡等部分组成，系统总体构架如图3。

测井仪器系统的电源采用一个成熟的开关电源，输入范围80-240VAC，既可以适应测井托撬使用的110VAC，又可以适应实验室的 220VAC；电源输出+5V，通过CPU板的电源电路，产生+3.3V和+1.5V，分别供给MCU和FPGA。电源输出的+12 V和-12V，用于信号调理板的模拟电路部分[3]。

主核板主要包括FPGA、微处理器和匹配的外设。FPGA完成HDB3编解码功能，作为 MCU的外设挂在 MCU 的外部总线上[4]。FPGA选用Alter公司 Cyclone 系列的EP1C6T1443。MCU选择意法半导体的 STM32F103VGT6。

3 HDB3编译码器的设计方案

3.1 编码器设计思路

HDB3编码规则优势即：当NRZ码中出现4连“0”串时可能出现误判，而HDB3编码破坏第4个连“0”用“V”来代替，又当出现两个“V”之间有偶数个“1”时，需要将靠后“V”的前面一小段中第一个“0”变为“B”。为了便于分辨出“V”和“B”标志在不断不断单双极性变换中，采用“00”标记“0”，“01”标记“1”，“10”标记“B”，“11”来标记“V”[5]。

单双极性变换的实现：在实际应用中，FPGA端口的输出电压只有正极，而无法识别“-1”。因此要得到所需HDB3编码的结果，需定义“00”、“01”、“10”来分别表示“0”、“–1”、“+1”。可将插“B”模块后输出的“00”、“01”、“10”、“11”組合转换

为“00”、“01”、“10”组合，再通过“00”、“01”、“10”控制四选一数字开关的地址来选择输出通道，就可以实现0、-B、+B。从而将FPGA目标芯片的标识性输出转换成双极性信号，最终实现HDB3非归零编码。设计HDB3编码的流程图4所示为：

3.2 译码器的设计思路

由译码规则可知，V码是为了解决4连零现象而插入的，而B码总是出现在V码之前，且只相隔2个“0”，因此只要在接收到的信号中找到V码并将其和前面的3位代码全部复原成“0”即可完成解码过程。其关键在于检测并去掉破坏符号“V”和“B”。其译码设计流程图如图5：

4 总结与展望

电缆作为测井仪器系统的通信介质，极大地限制了通信速率和传输距离。本文以FPGA为主核，采用HDB3编码方式，依靠整形、AGC、均衡等电路成功还原了经电缆后的衰减信号，达到了解码要求，实现了全双工、无中继的特性，极大的改善通信速率，降低了误码率。同时，该系统可以集成到不同的通信系统中，在测井系统领域中具有一定使用价值。

参考文献：

[1] 王泉.测井电缆传输系统中的编码方法研究[D].荆州：长安大学，2013.

[2] Stephen Prensky.测井及底层评价技术最新进展[D].国外测井技术，2016，37（4）：13-17.

[3] 黄美传.基于ARM技术的智能工程测井系统主机的研究与设计[D].成都：成都理工大学，2013.

[4] 李敏，基于FPGA的测井系统模拟仪器设计[J].计算机与通信技术，2013，27（1）：79-80.

[5] 黄琳，一种基于Sip的高温测井仪器高速数据采集系统[J].半导体体技术，2016，41（10）：779-783.