許 磊，顧慶水，王 振

(1.中海油田服務(wù)股份有限公司 河北 三河 065201；2.電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院 四川 成都 611731)

·開發(fā)設(shè)計(jì)·

基于CAN總線的單芯遙傳采集控制模塊研制

許 磊1，顧慶水2，王 振1

(1.中海油田服務(wù)股份有限公司 河北 三河 065201；2.電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院 四川 成都 611731)

為提高單芯測井系統(tǒng)井下儀器總線傳輸速率，采用CAN總線作為井下儀器總線，設(shè)計(jì)了一種井下遙傳儀器采集控制模塊。該模塊以TMS320F28335處理器及其內(nèi)部集成的CAN控制器為核心，采用主從和競爭兩種模式相結(jié)合的采集控制機(jī)制，完成對(duì)各測井儀器節(jié)點(diǎn)的控制和數(shù)據(jù)處理。采集控制模塊已經(jīng)成功應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)測井系統(tǒng)中，傳輸速率達(dá)1Mb/s，實(shí)際應(yīng)用效果良好，大大提高了生產(chǎn)測井的效率和可靠性。

CAN總線；單芯測井；總線協(xié)議

0 引 言

儀器總線實(shí)現(xiàn)井下測井儀器和遙傳儀器之間的數(shù)據(jù)通訊，測井過程中，井下測井儀器需要通過儀器總線將數(shù)據(jù)上傳到遙傳儀器，遙傳儀器再將這些測井?dāng)?shù)據(jù)調(diào)制到傳輸電纜上，繼而通過電纜到達(dá)地面，由地面設(shè)備進(jìn)行解調(diào)處理。根據(jù)測井通訊系統(tǒng)的特點(diǎn)，儀器總線傳輸速率一般要遠(yuǎn)大于遙傳儀器數(shù)據(jù)傳輸速率。隨著技術(shù)進(jìn)步，單芯測井系統(tǒng)的遙傳儀器傳輸速率已達(dá)到200 kb/s以上，而傳統(tǒng)的單芯測井系統(tǒng)儀器總線數(shù)據(jù)傳輸速率往往在100 kb/s左右，已經(jīng)不能滿足單芯測井儀器對(duì)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨骩1]。同時(shí)，大數(shù)據(jù)量儀器和高采樣率儀器的組合測井，也對(duì)采集控制機(jī)制提出更高要求，因此設(shè)計(jì)一種高速率、高可靠性儀器總線以及采集控制機(jī)制成為迫切需要。本文研制的遙傳采集控制模塊，以CAN總線作為井下儀器總線，可實(shí)現(xiàn)1 Mb/s通訊速率，耐溫可達(dá)20 ℃，同時(shí)可靈活實(shí)現(xiàn)不同種類測井儀器的組合測井。

1 CAN總線特點(diǎn)

CAN總線由Bosch公司開發(fā)，有效支持分布式控制和實(shí)時(shí)控制，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和嵌入式工業(yè)控制局域網(wǎng)，是ISO國際標(biāo)準(zhǔn)化的串行通信總線[2,3]。CAN總線特點(diǎn)如下：

1)通訊速率高，在通訊距離不超過40 m的情況下，最高可達(dá)1 Mb/s的通訊速率。

2)掛接節(jié)點(diǎn)數(shù)多，最多可以達(dá)到110個(gè)節(jié)點(diǎn)。

3)通訊介質(zhì)為雙絞線，結(jié)構(gòu)簡單、可靠。

4)多主工作方式，網(wǎng)絡(luò)上任意節(jié)點(diǎn)可以在任意時(shí)刻發(fā)起通訊，向其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，各個(gè)節(jié)點(diǎn)可以設(shè)置不同的優(yōu)先級(jí)，并且采用非破壞性位仲裁總線結(jié)構(gòu)機(jī)制，通信方式靈活，滿足實(shí)時(shí)性要求。

5)每幀信息具備CRC校驗(yàn)以及其它的檢錯(cuò)措施，誤碼率極低，并且在節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)嚴(yán)重不可恢復(fù)錯(cuò)誤時(shí)，關(guān)閉節(jié)點(diǎn)，從而不影響整個(gè)總線正常功能。

2 單芯測井系統(tǒng)井下總線結(jié)構(gòu)

單芯測井系統(tǒng)井下部分由遙傳短節(jié)和測井儀器組成，遙傳短節(jié)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的調(diào)制和解調(diào)，以及井下儀器的數(shù)據(jù)采集控制。井下測井儀器通過CAN總線掛接到遙傳短節(jié)，由遙傳短節(jié)的采集控制模塊進(jìn)行采集控制和數(shù)據(jù)處理[4]。

采集控制模塊和調(diào)制解調(diào)模塊間通過串行通信接口(SCI)和多通道緩沖串行口(McBSP)接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，其中下行數(shù)據(jù)由于數(shù)據(jù)量小，且速率要求低，通過SCI實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)下發(fā)；上傳的測井?dāng)?shù)據(jù)量大且傳輸速率要求高，在模塊內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)打包后寫入FIFO進(jìn)行緩沖，然后通過McBSP接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳。

單芯井下測井系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 井下測井系統(tǒng)示意圖

調(diào)制解調(diào)模塊完成電纜信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)功能，下行采用FSK調(diào)制方式，速率為700 b/s，上行采用OFDM調(diào)制方式，速率大于200 kb/s[5]。

采集控制模塊是單芯遙傳短節(jié)的重要組成部分，主要負(fù)責(zé)完成井下測井儀器的采集控制和數(shù)據(jù)上傳等功能。

地面下發(fā)的數(shù)據(jù)分兩大類：

1)儀器控制命令：進(jìn)行FSK調(diào)制后，通過電纜下發(fā)到遙傳的通訊模塊，進(jìn)行解調(diào)后，由SCI接口發(fā)送到采集控制模塊，然后通過CAN總線發(fā)送給指定儀器。

2)采集控制命令：又稱服務(wù)表，包含需要采集的儀器號(hào)、采樣率、數(shù)據(jù)長度、超時(shí)時(shí)間等信息。服務(wù)表由采集控制模塊解析，根據(jù)解析結(jié)果控制井下所有掛接的儀器按照約定的采樣率進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

井下上傳數(shù)據(jù)分兩大類：1)儀器的命令或狀態(tài)返回信息；2)需要上傳的儀器采集數(shù)據(jù)。

3 采集控制模塊設(shè)計(jì)

3.1 采集控制模塊硬件電路

采集控制模塊采用TI高溫芯片TMS320F28335-HT實(shí)現(xiàn)，此款芯片是TI在控制領(lǐng)域推出的浮點(diǎn)高性能信號(hào)處理芯片，主頻最高可達(dá)150 MHz；具備32位浮點(diǎn)運(yùn)算單元，內(nèi)部采用獨(dú)立程序總線和數(shù)據(jù)總線的哈佛架構(gòu)，具備CAN協(xié)議模塊，性能優(yōu)越、接口方便，非常適合復(fù)雜井下測井環(huán)境[6]。

TMS320F28335集成了增強(qiáng)型CAN控制器，與CAN2.0B標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議完全兼容。DSP內(nèi)嵌的CAN模塊是一個(gè)完全功能的CAN控制器，包含傳送信息的處理、接收管理和幀存儲(chǔ)功能，支持標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀兩種格式。帶有32個(gè)完全可配置郵箱和定時(shí)郵遞功能，能夠?qū)崿F(xiàn)靈活穩(wěn)定的串行通信接口。

采集控制模塊功能示意框圖如圖2所示。

圖2 采集控制模塊功能示意框圖

CAN總線是個(gè)開放的系統(tǒng)，其標(biāo)準(zhǔn)遵循ISO的OSI七層模型，而CAN的基本協(xié)議只有物理層和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。DSP集成的CAN控制器模塊提供完整的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，要使用CAN總線組網(wǎng)，必須額外提供物理層驅(qū)動(dòng)芯片，單芯測井系統(tǒng)儀器總線選用TI公司的SN65HVD233作為總線收發(fā)器，其外圍電路設(shè)計(jì)圖如圖3所示。

遙傳儀器端設(shè)計(jì)一個(gè)總線終端匹配電阻，120 Ω。而儀器端不設(shè)計(jì)這個(gè)終端電阻，在整個(gè)測井儀器組合串的最下端安裝一個(gè)120 Ω終端電阻的堵頭，實(shí)現(xiàn)CAN總線的阻抗匹配。

圖3 CAN總線外圍電路設(shè)計(jì)圖

CAN總線外圍電路設(shè)計(jì)注意芯片SN65HVD233的RS管腳，此管腳功能為設(shè)置芯片功能模式(高速、斜率控制及低功耗待機(jī)模式)選擇，將此管腳接地，選用高速模式。

3.2 采集控制模塊軟件實(shí)現(xiàn)

3.2.1 采集控制機(jī)制

采集控制模塊主要實(shí)現(xiàn)采集控制機(jī)制，針對(duì)當(dāng)前的實(shí)際測井需要，一般有三種采集控制機(jī)制：

1)完全主從模式：也就是地面下發(fā)服務(wù)表后，采集控制模塊按照服務(wù)表計(jì)算各個(gè)儀器的采樣率，然后順序控制儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和上傳。此種模式控制簡單，對(duì)地面軟件下發(fā)服務(wù)表的設(shè)計(jì)要求較高，很難解決高采樣率儀器和大數(shù)據(jù)量儀器的組合問題。

2)完全競爭模式：就是儀器按照自己的采樣率通過競爭得到總線后，上傳數(shù)據(jù)。此種模式對(duì)儀器和遙傳控制模塊要求較高，井下儀器需要具備不同優(yōu)先級(jí)，數(shù)據(jù)處理機(jī)制較為復(fù)雜，而且需要額外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片，不利于降低功耗以及減小儀器尺寸。

3)混合模式：結(jié)合主從模式和競爭模式優(yōu)點(diǎn)，由采集控制模塊控制各支儀器的數(shù)據(jù)采集和發(fā)送，同時(shí)，井下儀器具備不同的優(yōu)先級(jí)，在組合測井需要時(shí)，采集控制模塊可以同時(shí)發(fā)送多個(gè)數(shù)據(jù)采集和發(fā)送的命令，井下儀器根據(jù)各自的優(yōu)先級(jí)競爭儀器總線，優(yōu)先級(jí)高的儀器數(shù)據(jù)先傳，優(yōu)先級(jí)低的儀器數(shù)據(jù)后傳。

本應(yīng)用采用混合模式，混合模式最大優(yōu)勢是解決大數(shù)據(jù)量測井儀器和高采樣率測井儀器組合問題，而且結(jié)合了完全主從和完全競爭兩種模式的優(yōu)點(diǎn)，兼顧設(shè)計(jì)復(fù)雜度和儀器組合需要。

3.2.2 采集控制機(jī)制軟件實(shí)現(xiàn)

采集控制機(jī)制軟件實(shí)現(xiàn)主要包括兩大部分：

1)主函數(shù)循環(huán)處理部分，此部分代碼主要實(shí)現(xiàn)下行數(shù)據(jù)的接收和解析、服務(wù)表解析、井下儀器的采集控制、CAN總線命令的發(fā)送、上行數(shù)據(jù)打包以及FIFO數(shù)據(jù)上傳等。

2)CAN中斷數(shù)據(jù)處理部分，此部分代碼實(shí)現(xiàn)CAN總線數(shù)據(jù)的接收、接收緩沖區(qū)內(nèi)存管理、接收數(shù)據(jù)打包和校驗(yàn)、測井?dāng)?shù)據(jù)寫入FIFO等。

采集控制軟件程序流程圖如圖4所示。

圖4 采集控制軟件程序流程圖

幾個(gè)關(guān)鍵部分的說明：

1)服務(wù)表的解析：根據(jù)地面下發(fā)的服務(wù)表中的各支儀器采樣率，計(jì)算出本次儀器采集時(shí)間間隔的最小公倍數(shù)，設(shè)置定時(shí)器中斷。

2)上行數(shù)據(jù)發(fā)送：當(dāng)檢測到FIFO有數(shù)據(jù)后，進(jìn)行上行數(shù)據(jù)發(fā)送，通過McBSP接口發(fā)送給調(diào)制解調(diào)模塊。由于電纜速率小于CAN總線速率，此部分注意流量控制，只有調(diào)制解調(diào)模塊空閑時(shí)才能發(fā)送數(shù)據(jù)幀。

3)CAN接收中斷處理：在CAN中斷中主要根據(jù)接收到的儀器數(shù)據(jù)長度和地址，動(dòng)態(tài)分配各個(gè)緩沖內(nèi)存，同時(shí)將儀器數(shù)據(jù)按照上行協(xié)議格式進(jìn)行打包。同時(shí)當(dāng)某支儀器數(shù)據(jù)傳輸完畢時(shí)，產(chǎn)生寫入FIFO標(biāo)志和參數(shù)，便于在程序主循環(huán)中將儀器數(shù)據(jù)寫入FIFO，然后釋放本支儀器的數(shù)據(jù)緩存。

3.2.3 應(yīng)用層協(xié)議

為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽繙?zhǔn)確，設(shè)計(jì)一套應(yīng)用層協(xié)議是必要的。由于單芯遙傳采集控制模塊有兩個(gè)接口，一個(gè)跟調(diào)制解調(diào)模塊通訊，簡稱上接口，一個(gè)跟井下儀器總線通訊，簡稱下接口，根據(jù)兩個(gè)接口的不同特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了兩種應(yīng)用層協(xié)議格式。

上接口通訊協(xié)議為遙傳儀器的調(diào)制解調(diào)模塊和采集控制模塊間的通訊協(xié)議，分下行命令和上行數(shù)據(jù)，采用統(tǒng)一的協(xié)議格式，協(xié)議格式如圖5所示。

圖5 上接口協(xié)議格式

協(xié)議字段說明：

同步頭：作為一幀數(shù)據(jù)的開始，固定為0x47474747；

數(shù)據(jù)類型：用來表示本次上傳數(shù)據(jù)的類型，如輔助信息、狀態(tài)信息、錯(cuò)誤檢測、測井?dāng)?shù)據(jù)等；

數(shù)據(jù)長度：表示整個(gè)上傳數(shù)據(jù)幀的字節(jié)數(shù)；

儀器地址：井下每支儀器都有不同的地址，便于采集控制以及總線競爭；

子屬性：具體指示本幀數(shù)據(jù)代表的意義；

時(shí)間戳：地面時(shí)間和井下時(shí)間保持同步，井下儀器數(shù)據(jù)返回到遙傳采集控制模塊的時(shí)候，采集控制模塊要將時(shí)間戳填充到儀器數(shù)據(jù)幀對(duì)應(yīng)的字段，地面根據(jù)這個(gè)時(shí)間戳，進(jìn)行時(shí)間-深度映射，將測井?dāng)?shù)據(jù)對(duì)應(yīng)到相應(yīng)深度的地層；

數(shù)據(jù)體：下行命令參數(shù)或上行數(shù)據(jù)；

狀態(tài)：這個(gè)用以表示本次儀器數(shù)據(jù)的狀態(tài)，比如是否超時(shí)，是否接收錯(cuò)誤或者不完整等；

和校驗(yàn)：對(duì)本次儀器采集數(shù)據(jù)的整體校驗(yàn)，地面軟件接收到數(shù)據(jù)后對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行校驗(yàn)，判斷數(shù)據(jù)是否正確接收。

下接口通訊協(xié)議為采集控制模塊和井下各儀器間的通訊協(xié)議，分下行命令和上行數(shù)據(jù)，采用統(tǒng)一的協(xié)議格式，協(xié)議格式如圖6所示。

圖6 下接口協(xié)議格式

協(xié)議字段說明：

同步頭：作為一幀數(shù)據(jù)的開始，固定為0x55AA55AA；

數(shù)據(jù)長度：本次數(shù)據(jù)幀的字節(jié)數(shù)；

子屬性：具體指示本幀數(shù)據(jù)代表的意義；

數(shù)據(jù)體：下行命令參數(shù)或上行數(shù)據(jù)；

和校驗(yàn)：對(duì)本次儀器采集數(shù)據(jù)的整體校驗(yàn)，地面軟件接收到數(shù)據(jù)后對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行校驗(yàn)，判斷數(shù)據(jù)是否正確接收。

4 測試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)室搭建儀器總線測試平臺(tái)進(jìn)行模塊測試，總線采用普通雙絞線，長度38m，總線上共掛接4個(gè)采集控制模塊，其中一個(gè)作為主節(jié)點(diǎn)，模擬遙傳儀器，其它3個(gè)作為從節(jié)點(diǎn)，模擬測井儀器。主節(jié)點(diǎn)控制3個(gè)從節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，主節(jié)點(diǎn)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析判斷，統(tǒng)計(jì)誤碼率。同時(shí)，為模擬大數(shù)據(jù)量和高采樣率儀器組合情況，主節(jié)點(diǎn)對(duì)其中兩個(gè)從節(jié)點(diǎn)的控制命令是同時(shí)發(fā)送的，由從節(jié)點(diǎn)根據(jù)自己的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行總線競爭。

幾次測試結(jié)果見表1。

表1 總線測試結(jié)果

通過實(shí)驗(yàn)，儀器總線在長度38 m通訊距離內(nèi)，通訊速率達(dá)1 Mb/s，而且儀器節(jié)點(diǎn)間的總線競爭比較可靠，整個(gè)采集控制模塊功能正常。

5 結(jié)束語

根據(jù)單芯測井系統(tǒng)需求，采用CAN總線作為儀器總線，研制的遙傳采集控制模塊，可實(shí)現(xiàn)通訊速率1Mb/s。主從控制和競爭相結(jié)合的混合采集控制模式，靈活高效地解決了大數(shù)據(jù)量和高采樣率測井儀器組合問題。實(shí)驗(yàn)證明，單芯遙傳采集控制模塊在傳輸速率和耐溫等方面穩(wěn)定可靠，完全滿足單芯高速測井系統(tǒng)的要求。同時(shí)，單芯遙傳采集模塊已經(jīng)完成超聲成像、多臂、GR、CCL、磁測厚等生產(chǎn)測井儀器的掛接，并在渤海進(jìn)行了多次超聲成像儀和多臂測井儀組合測井，取得了合格的測井資料，應(yīng)用前景廣闊。

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Development of Acquisition and Control Module for Single-core Cable Logging Remote Telemetry Instruments Based on CAN

XU Lei1， GU Qingshui2， WANG Zhen1

(1.ChinaOilfieldServicesLimited，Sanhe，Hebei065201，China； 2.SchoolofElectronicEngineering，UniversityofElectronicScienceandTechnology，Chengdu，Sichuan611731，China)

In order to improve the data transmission speed of down-hole instrument bus used in the single-core cable logging system, a new kind of acquisition-control module for the remote telemetry is designed with the CAN bus as the down-hole instrument bus. The TMS320F28335 and CAN are adopted as the core parts in this module, the control and data processing of all the logging instruments are realized by combining the master-slave and competitive mode as the acquisition-control mechanism. The module is used in the production logging system with a 1Mb/s transmission speed, which greatly improves the logging efficiency and stability, and achieves the required results.

CAN Bus; single-core cable logging; bus protocol

許 磊，男，1982年生，工程師， 2008年畢業(yè)于中國石油大學(xué)(華東)信號(hào)與信息處理專業(yè)，碩士學(xué)位，現(xiàn)從事測井儀器通訊、數(shù)據(jù)采集、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)等工作。Email：xulei13@cosl.com.cn

P631.83

A

2096-0077(2017)01-0033-04

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.01.008

2016-03-25 編輯：高紅霞)