張國戰(zhàn)

(中國電子科技集團公司第二十二研究所 河南 新鄉(xiāng) 453003)

0 引 言

近年來，隨著石油測井儀器向成像系統(tǒng)發(fā)展，數(shù)據(jù)傳輸量增加，相應(yīng)地對井下儀器總線也提出了更高的技術(shù)要求。將以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于井下儀器總線，能夠更好地滿足高速成像測井系統(tǒng)高速率和多采樣率的數(shù)據(jù)傳輸需求，對于成像儀器的高可靠、集成化、可視化、網(wǎng)絡(luò)化、實時化具有重要意義。由于井下環(huán)境惡劣(高溫高壓)以及井下儀器貫通線數(shù)量有限，以太網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)不能采用星型網(wǎng)絡(luò)的連接方式。因此，設(shè)計一種高溫網(wǎng)絡(luò)總線接口模塊顯得尤其重要。該模塊選擇以同軸電纜作為傳輸介質(zhì)的10BASE-2連接方式(總線型以太網(wǎng)的一種)[1]。各井下儀器通過同一根同軸電纜并聯(lián)，同軸電纜的兩端各使用一個50 Ω終端電阻進行匹配。這種連接方式的優(yōu)點在于如果一支井下儀器出現(xiàn)問題，不會影響其他井下儀器的正常工作。

1 電路設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)測井傳輸系統(tǒng)是網(wǎng)絡(luò)化的遙測系統(tǒng)，主要包括地面子網(wǎng)和井下子網(wǎng)兩個部分，如圖1所示。地面子網(wǎng)由地面主機、深度系統(tǒng)和地面路由器等組成；井下子網(wǎng)由井下路由器和NCU模塊組成[2]。這兩個子網(wǎng)通過地面路由器和井下路由器相互連接起來。

圖1 網(wǎng)絡(luò)測井傳輸系統(tǒng)示意圖

NCU模塊與井下儀器的采集模塊相連，主要完成數(shù)據(jù)的采集傳輸以及對井下儀器的控制，可以滿足井下儀器多采樣率的要求，提高井下儀器的縱向分辨率，是井下儀器的重要組成部分。隨著探井深度的不斷增加，溫度、壓力的環(huán)境愈加惡劣，通過器件的篩選以及對NCU模塊的優(yōu)化設(shè)計來實現(xiàn)175 ℃甚至更高溫度下穩(wěn)定可靠的運行。

NCU模塊的硬件主要包括四部分，分別是主控部分、外部存儲部分、網(wǎng)絡(luò)接口部分、外部接口部分，其中外部接口部分指的是NCU模塊通過SPI接口與井下儀器采集模塊交換數(shù)據(jù)。電路構(gòu)成如圖2所示。

圖2 NCU模塊電路構(gòu)成

NCU模塊的主控部分CPU選用ADI公司工業(yè)級的處理器ADSP-BF518，該處理器是高集成度片上系統(tǒng)解決方案，頻率最高可達400 MHz，片內(nèi)包括116 KB存儲器，標(biāo)準(zhǔn)接口豐富[3]。ADSP-BF518通過SPI與井下儀器采集模塊互連。ADSP-BF518通過EBIU接口與網(wǎng)絡(luò)芯片CS8900A-IQ3Z相連訪問以太網(wǎng)；通過EBIU接口與16位寬的 2M byte靜態(tài)外部存儲器SRAM互連。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧(LWIP)緩存、數(shù)據(jù)緩存等由ADSP-BF518片內(nèi)存儲器和外部存儲器SRAM提供。

NCU模塊的網(wǎng)絡(luò)接口部分包括網(wǎng)絡(luò)接口芯片CS8900A、外設(shè)78Q8392L。其中網(wǎng)絡(luò)接口芯片CS8900A為Cirrus Logic公司的工業(yè)級以太網(wǎng)控制器[4]。

2 程序設(shè)計

NCU模塊的程序設(shè)計包括測井?dāng)?shù)據(jù)的采集和網(wǎng)絡(luò)通訊的實現(xiàn)兩部分。數(shù)據(jù)采集部分指的是主控芯片ADSP-BF518通過SPI接口定時地獲取井下儀器的數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)通訊部分指的是TCP/IP協(xié)議棧的移植和網(wǎng)絡(luò)接口芯片CS8900A驅(qū)動程序的實現(xiàn)。

2.1 數(shù)據(jù)采集接口程序設(shè)計

NCU模塊與井下儀器采集模塊通過SPI接口進行通訊，NCU模塊端工作在主模式下，井下儀器采集模塊端工作在從模式下，SPI通訊為主從式。每次上行數(shù)據(jù)前面都有一個下發(fā)的命令，通訊過程簡介如下：

上電后NCU模塊通過接收地面軟件發(fā)送的開始測井命令來啟動定時器，然后啟動定時發(fā)令/取數(shù)時序，周期性地向井下儀器獲取測井?dāng)?shù)據(jù)。當(dāng)?shù)孛孳浖掳l(fā)專有命令時，NCU模塊會在發(fā)令/取數(shù)周期完成后，轉(zhuǎn)發(fā)專有命令。地面軟件向NCU模塊發(fā)送停止測井命令，可以關(guān)閉定時器，終止發(fā)令/取數(shù)過程。流程圖如圖3所示。通過此程序設(shè)計，可以實現(xiàn)井下儀器的多采樣率。

圖3 數(shù)據(jù)采集接口流程圖

2.2 TCP/IP協(xié)議棧的移植

為了實現(xiàn)測井?dāng)?shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)化傳輸，并且通過地面主機接入因特網(wǎng)，就必須遵循網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，即TCP/IP協(xié)議[5]。LwIP協(xié)議棧占用空間小、可裁剪、效率高并且開源，適合作為NCU模塊的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧[6]。

2.2.1 LwIP協(xié)議棧優(yōu)點

LwIP是一款開源的TCP/IP協(xié)議棧，是TCP/IP協(xié)議的典型代表。LwIP在保證嵌入式產(chǎn)品擁有完整TCP/IP功能的同時，又能保證協(xié)議棧對處理器資源的有限消耗。因此LwIP具有自己獨到的一套數(shù)據(jù)包和內(nèi)存管理機制，支持應(yīng)用程序與TCP/IP協(xié)議棧運行在同一個進程中，可利用低水平的、基于回調(diào)函數(shù)的API編程接口，使應(yīng)用程序的代碼和 TCP/IP 協(xié)議棧的代碼很好地結(jié)合起來。程序的執(zhí)行機制是以回調(diào)函數(shù)為基礎(chǔ)的事件驅(qū)動，同時回調(diào)函數(shù)也被TCP/IP 代碼直接調(diào)用[7]。采用此種模式編程，可以有效地提高代碼的執(zhí)行效率和整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.2.2 LwIP協(xié)議棧的移植

LwIP協(xié)議棧內(nèi)部使用一個名為netif的網(wǎng)絡(luò)接口結(jié)構(gòu)來描述各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，通過函數(shù)netif->input和netif->output完成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的接收和發(fā)送。網(wǎng)絡(luò)接口程序主要實現(xiàn)以下功能：CS8900A的初始化，數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收，以及以CS8900A的中斷服務(wù)[8]。

網(wǎng)絡(luò)接口驅(qū)動函數(shù)的實現(xiàn)如圖4所示,下面將著重分析這些函數(shù)的實現(xiàn)流程。

圖4 網(wǎng)絡(luò)接口驅(qū)動函數(shù)的結(jié)構(gòu)

1)cs8900_netif_init() 該函數(shù)在管理網(wǎng)絡(luò)接口結(jié)構(gòu)netif時被調(diào)用。主要完成netif結(jié)構(gòu)中某些字段的初始化，并調(diào)用cs8900_low_level_init完成CS8900A的初始化。

2)cs8900_output() cs8900_output為數(shù)據(jù)包發(fā)送函數(shù)，該函數(shù)將內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)pbuf描述的數(shù)據(jù)包發(fā)送出去，過程實現(xiàn)如圖5所示。

圖5 向CS8900A發(fā)送數(shù)據(jù)包流程

3)cs8900_low_level_init() 該函數(shù)主要用來完成CS8900A參數(shù)初始化以及復(fù)位，并配置協(xié)議棧網(wǎng)絡(luò)接口管理結(jié)構(gòu)netif中與CS8900A屬性相關(guān)的字段。

4)cs8900_isr() 該函數(shù)是系統(tǒng)的網(wǎng)卡中斷處理函數(shù)，在主函數(shù)main中被調(diào)用。主函數(shù)時時查詢有無數(shù)據(jù)包需要處理，當(dāng)接收到有效數(shù)據(jù)包時，立即調(diào)用ethernetif_input函數(shù)進行處理。

5)low_level_input() 該函數(shù)從CS8900A中獲取數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)放入pbuf結(jié)構(gòu)中供內(nèi)核使用。CS8900A在完整地接收到一個以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包后，遞交至上層函數(shù)ethernetif_input進行處理。

6)ethernetif_input() 該函數(shù)的主要功能是將CS8900A接收到的數(shù)據(jù)包提交給協(xié)議棧，然后解析該數(shù)據(jù)包的類型(IP包或ARP包)，最后將該數(shù)據(jù)包遞交給相應(yīng)的上層。實現(xiàn)過程如圖6所示。

圖6 網(wǎng)絡(luò)接收函數(shù)實現(xiàn)過程

3 實驗與測試

將NCU模塊通過帶BNC接口的交換機與主機連接起來，NCU模塊與交換機之間用特性阻抗為50 Ω的同軸電纜相連(10BASE-2連接方式，理論傳輸速率為10 Mbps)，主機與交換機用網(wǎng)線相連，如圖7所示。其中主機IP設(shè)置為10.10.1.150，NCU模塊IP為10.10.1.xxx(xxx范圍為180～254)。

圖7 NCU模塊與主機連接示意圖

3.1 高溫實驗

為了驗證NCU模塊的可靠性，在高溫實驗室將NCU模塊放入電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中,溫度升至175 ℃后，連續(xù)工作4 h，實驗過程中進行ping命令操作，保證主機與NCU模塊時時通訊，測量NCU模塊3.3 V和-9 V的電壓電流值，實驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 NCU模塊電壓電流變化趨勢

由實驗數(shù)據(jù)可知，3.3 V和-9 V電流常溫下分別為200 mA和55 mA左右，并隨著溫度的升高而增加；溫度到達176.5 ℃后(溫度不再升高的情況下)，電流不再增加。高溫實驗4 h，電流仍分別為324 mA和58 mA左右。由此看出，隨著溫度的升高，NCU模塊的功耗也隨之增加，但溫度到達175 ℃左右功耗不再增加。

3.2 傳輸速率測試

在同一網(wǎng)段分別進行TCP和UDP連接。網(wǎng)絡(luò)鏈接建立后，由NCU模塊以50 ms定時方式周期性地向主機發(fā)送數(shù)據(jù)，傳輸速率與數(shù)據(jù)包大小的關(guān)系見表2。

表2 數(shù)據(jù)傳輸速率與數(shù)據(jù)包關(guān)系

由實驗數(shù)據(jù)可知，TCP和UDP傳輸速率隨著數(shù)據(jù)包的增大而提高。數(shù)據(jù)包大小為5 120 Bytes時，傳輸速率分別達102 KB/s和103 KB/s,速率與數(shù)據(jù)包大小成正比。

4 結(jié) 論

通過以上試驗及對數(shù)據(jù)的分析，得到以下結(jié)論：

1)NCU模塊的功耗隨著溫度的升高而逐漸增加，當(dāng)溫度到達175 ℃后功耗不再增加，滿足工作指標(biāo)。

2)發(fā)送數(shù)據(jù)包越小，傳輸速率越慢；數(shù)據(jù)包越大，傳輸速率越快。

3)傳輸數(shù)據(jù)包大小相同時，UDP速率比TCP的快。

以上結(jié)論表明，NCU模塊在高溫175 ℃下能夠長時間穩(wěn)定工作，并且傳輸速率達到工程測井要求。產(chǎn)品已應(yīng)用到中電科二十二所研制的SDZ-8000系統(tǒng)中，主要開展裸眼井電纜測井(含鉆輸)任務(wù)，累計完成2 000余井次作業(yè)，NCU模塊連續(xù)工作8 000 h無故障，并在青海共和縣地區(qū)“GH-01”井進行高溫驗證，完成兩次全井段測量，經(jīng)歷了4 004 m、193 ℃井溫，儀器外殼最高181 ℃，儀器內(nèi)部最高176 ℃的考驗，驗證了NCU模塊的溫度性能及穩(wěn)定性，試驗數(shù)據(jù)得到了甲方單位的認可，深受甲方和相關(guān)方好評，市場反應(yīng)良好。