基于FPGA的石油測井控制系統

摘要：針對石油測井儀器須將地下傳感器發(fā)送的不同數量級信號進(jìn)行識別并恢復原始數值，從而方便地面分析地下情況，本文介紹了一種基于FPGA和DSP的石油測井控制系統的軟硬件設計與實(shí)現的新方法，采用FPGA芯片EP1C6T144C8進(jìn)行主要時(shí)序控制，DSP做算法運算，不依靠GPIO而用數據總線(xiàn)來(lái)控制放大模式位。調試以及現場(chǎng)試驗結果表明，該系統能夠準確的實(shí)現對整支測井儀器的控制，并且恢復原始數據。
關(guān)鍵詞：EP1C6T144C8；數據總線(xiàn)；FPGA；DSP；GPIO

隨著(zhù)測井技術(shù)的日益發(fā)展，針對地質(zhì)構造的復雜性，以及傳感器采集信號數量級的差異，對測井儀器實(shí)時(shí)性，可靠性以及運算速度要求的不斷提高，為了能夠實(shí)時(shí)準確的實(shí)現整只測井儀器的控制以及原始數據的恢復，本研究利用FPGA和DSP為主要芯片設計完成了測井控制系統。本研究采用數據總線(xiàn)和地址總線(xiàn)共同傳輸放大倍數狀態(tài)位，從而節省了DSP有限的外部接口，經(jīng)驗證該方法穩定性的實(shí)現了數據的恢復和硬件的簡(jiǎn)化。

1 方案設計
兼顧本系統的處理速度以及功耗與擴展需要，本系統采用ALTERA公司的Cyclone系列EP1C6T144C8型FPGA作為本系統的主要邏輯控制器，該芯片完全可以適合測井系統的處理速度，功耗和擴展性完全滿(mǎn)足系統需要。
針對石油測井儀器采集端采集的數據有不同的放大倍數，FPGA和DSP數據處理端要根據不同的放大倍數恢復原始數據，由于FPGA的GPIO接口有限，EP1C6T144C8有70個(gè)I／O，DSP芯片TMS320F28335地址線(xiàn)20根，數據總線(xiàn)16根，片選信號3個(gè)，寫(xiě)和讀使能3個(gè)，XREADY信號1個(gè)，XCLO CKOUT時(shí)鐘1個(gè)，FPGA要產(chǎn)生的控制信號16個(gè)，跑馬燈信號6個(gè)，加起來(lái)還剩4個(gè)I／O，即用于放大倍數位的I／O不夠，為了達到采集速率要求和簡(jiǎn)化電路要求，故采用數據總線(xiàn)和地址總線(xiàn)共同傳輸放大倍數狀態(tài)位，從而節省了DSP有限的外部接口，以至于可是完全放棄GPIO接口的應用。

2 系統硬件設計
整個(gè)系統以FPGA為邏輯時(shí)序控制芯片，DSP為算法運算芯片，主要有3個(gè)模塊組成，包括DSP和FPGA模塊，電源模塊，CAN收發(fā)模塊。系統詳細構成如圖1所示。

2．1 控制信號硬件設計
系統由FPGA產(chǎn)生測井儀器的控制信號，包括掃描模式信號，復位信號，采集時(shí)鐘信號，三電平控制信號等?？刂菩盘栍布O計如圖2所示。

其中多路開(kāi)關(guān)芯片為HI1—5051，該芯片有+15 V和-15 V電平，通過(guò)control3和control4來(lái)控制多路開(kāi)關(guān)的開(kāi)和關(guān)，從而輸出所需要的三電平，實(shí)現命令字的發(fā)送。放大器由兩個(gè)三極管2N2222組成，由control1和control2控制基極的輸入，從而控制開(kāi)斷，生成所需要的updata go信號，同時(shí)updatago也承載著(zhù)由接口輸入的數據，連著(zhù)三極管的集電極，經(jīng)過(guò)比較器LM111，輸入到FPGA進(jìn)行處理。
2．2 放大倍數運算硬件設計
系統由DSP進(jìn)行算術(shù)運算，由FPGA將數據傳入DSP，計算出測井儀器不同數據的放大倍數，并發(fā)送到FPGA，由FPGA按一定時(shí)鐘發(fā)送到下一短節進(jìn)行識別，從而控制測井儀器的精確動(dòng)作。原電路由DSP產(chǎn)生不同的放大倍數，分由GPIO的邏輯1或0來(lái)發(fā)送到FPGA，根據不同的GPIO口定義不同的放大倍數然后完成下發(fā)。當放大倍數過(guò)多時(shí)，FPGA的GPIO口就不夠用了，為了減少GPIO口資源的浪費，本系統采用直接由數據總線(xiàn)發(fā)送，這樣既減少了資源浪費，又提高了發(fā)送效率。
放大倍數運算硬件設計如圖3所示。

其中寫(xiě)RAM中存放數據，RAM用的是雙端口RAM，由數據總線(xiàn)，地址總線(xiàn)，寫(xiě)使能，讀使能和寫(xiě)時(shí)鐘，讀時(shí)鐘等信號組成。讀RAM中存放由DSP運算得出的放大倍數，通過(guò)片選信號和讀、寫(xiě)使能信號控制數據的傳輸。本系統中／xzcs6控制寫(xiě)片選，即由FPGA寫(xiě)入DSP的數據存在／xz cs6片選的存儲映射區域。／xzcs7控制讀片選，即DSP下傳的放大倍數存放在DSP中由／xzcs7片選的存儲映射區域。
2．3 CAN總線(xiàn)硬件設計
在C28X DSP忠使用的增強型控制器區域網(wǎng)絡(luò )(eCAN)模塊與現行的CAN2．0標準兼容。它可使用已制定的協(xié)議在存在電子噪聲的環(huán)境中與其他控制器進(jìn)行串行通信。借助32個(gè)完全可配置的郵箱和事件標志(time-stamping)特性，eCAN模塊提供了一種具有通用性和魯棒性的串行通信接口。
系統除了計算放大倍數，還要將由井底傳過(guò)來(lái)的數據上傳到地面計算機進(jìn)行地況估計，該系統用CAN總線(xiàn)傳輸數據，CAN總線(xiàn)硬件設計如圖4所示。

該系統CAN傳輸速率為800K，由三電平的命令字決定傳輸數據模式。

3 系統軟件實(shí)現
3．1 DSP軟件實(shí)現
DSP把FPGA寫(xiě)過(guò)來(lái)的數據進(jìn)行分析，然后判斷出數據實(shí)際放大倍數，進(jìn)行還原，然后再將放大倍數發(fā)送到FPGA，具體步驟如下：
1)根據數據的放大倍數位，判斷數據實(shí)際數值，將6個(gè)極板數據進(jìn)行還原平均，算得平均值；
2)與門(mén)限比較，得出具體放大倍數，并寫(xiě)入到XZCS7片選映射存儲區域內；
3)將傳感器數據通過(guò)CAN發(fā)送到上位機；
這樣就將放大倍數存起來(lái)，當WE和XZCS7同時(shí)使能時(shí)，按FPGA的讀時(shí)鐘通過(guò)數據總線(xiàn)寫(xiě)入到FPGA中。這樣就省去了不同放大倍數由不同的GPIO控制的麻煩。
3．2 FPGA軟件實(shí)現
經(jīng)調試，系統控制和數據傳輸都完美實(shí)現，現只將放大倍數的形成時(shí)序寫(xiě)出，如圖5所示。

寫(xiě)使能信號WE和片選信號XZCS7共同決定放大倍數是否從DSP發(fā)送到FPGA，其中DADDR是地址，由于FPGA還要將放大倍數發(fā)送到位移位存儲總線(xiàn)寄存器CD4094中所存，其中D味鎖存端，START為CD4094的數據輸入，即放大倍數，CLK為鎖存時(shí)鐘。

4 系統驗證與結論
整支儀器組裝完成后，進(jìn)行聯(lián)調，不同的傳感器和不同的放大倍數，該系統都完整的精確的將數據恢復出來(lái)，并且傳到上位機，上位機結果如圖6所示。

數據首位表示不同的放大倍數，其中2表示放大2倍，RawView為原始數據。2E66代表4 V，與試驗所加電壓完美對應。對每個(gè)放大倍數都做了試驗，結果令人欣喜。

5 結束語(yǔ)
文中闡述了由FPGA和DSP采用數據總線(xiàn)傳輸放大倍數的方法，實(shí)現了石油測井系統放大倍數的發(fā)送和原始數據的恢復。