综合化测井数据采集系统设计【精品论文】 .pdf

综合化测井数据采集系统设计 李安宗 中国石油大学资源与信息学院北京市昌平邮编：1 0 2 2 4 9 摘要：综合化测井数据采集系统的硬件设计采用了可靠性较高的t a m p a c t p c i 总线结构以及 f p g a 等技术，软件采用了实时操作系统v x w o r k s ，保证了系统的实时性和可靠性能够满足测井 采集的要求。e o m p a c t p c i 总线具有优良的性能和较低的价格，正在成为一种被广泛应用的高性 能工业总线架构。本文介绍了数据采集系统的结构以及c o m p a c t p c i 总线的接口设计方法，分析 了多任务采集软件的功能及设计方法。系统已在现场应用，验证了设计方案是可行的。 关键词：测井；数据采集；c o m p a c t p c i 总线；实时多任务 一、引言 随着油气田勘探和开发难度的加大，油公司对地球物理信息的需求不断增加，对测井资 料的质量提出了更高的要求，因此服务公司的测井装备必须具备更高的性能才能满足日益增 长的用户需求。同时随着测井技术的不断发展，更多的新方法、新仪器逐渐投向市场，而 现有的测井系统在许多方面已不能满足新方法、新仪器的要求，这也要求不断地提升测井系 统的水平，研制新型具有国际先进水平的测井系统。基于以上需求，中国石油天然气集团公 司立项研究开发了综合化测井地面系统。 近年来，随着高可靠系统需求的不断增加，c o m p a c t p c i 总线正在迅速成为一种通用的、 被广泛支持的高性能工业总线架构。它以很高的系统带宽，坚固、模块化设计的欧规卡式封 装以及开放的软件支持成为电信、数据通讯、医学、工业控制与自动化应用领域的理想平 台。v x w o r k s 是美国w i n d r i v e r 公司的一种嵌入式实时操作系统( r t o s ) ，提供了高效的 实时多任务调度、中断管理、实时的系统资源以及实时的任务间通信，目前已应用在航空、 航天、医疗、通信等可靠性要求高的领域。 石油测井地面系统是一种以车载计算机为核心的野外实时数据采集、处理系统，系统应 适应野外恶劣环境的需要和测井作业的时效性要求，可靠性高，维修方便。测井作业时对系 统采集的实时性和可靠性要求较高，因此，在综合化测井地面采集系统的设计中，硬件采用 了可靠性较高的e o m p a e t p c i 总线结构以及f p g a 等技术，软件采用了实时操作系统v x 。 w o r k s ，保证了系统的实时性和可靠性，从而能够满足测井采集的要求。 ， 二、采集系统的硬件设计 m m p a c t p c i 规范是由p i c m g ( p c i i n d u s t r i a lc o m p u t e r m a n u f a c t u r e s g r o u p ，p c i 工业 计算机制造商联盟) 制定的一种开放式的规格，它定义了基于p c i 总线方式的更加坚固耐 1 2 用的p c i 版本，用于工业和嵌入式应用。c o m p a c t p c i 规范在电气、逻辑和软件功能方面， 与p c i 标准完全兼容，提供更高的数据传送速度。其板卡安装在支架上，并使用标准的欧 卡外形。c o m p a c t p c i 总线是三种技术的集成：即通用p c i 局部总线( 1 0 c a lb u s ) 的高性能， 安装牢固的欧卡结构，接触可靠的针孔连接器( p i n a n d s o c k e tc = 0 n n e c t o r ) 。 p c i 局部总线是一种地址和数据复用的高性能3 2 6 4 位总线，它在高度集成的外围控制 器件、外围捶件板和处理器存储器之间作为互连机构使用。连接到p c i 总线上的设备分为 主控和目标两类，p c i 支持多主系统。p c i 总线的一个熏要特点是存在配置空间，它提供一 种配置关联，这种关联适合于目前或将来的系统配置机制，从而实现参数自动配置。系统软 件通过读取配置空间中相应参数，即可确定p c i 总线上挂接了什么设备以及需要哪些资源， 通过对地址空间的重定位分配资源避免竞争，实现p c i 设备的即插即用“j 。 在综合化测井采集系统的设计中， c o m p a c t p c i 采集箱体内有前端采集机、 信号预处理板、信号采集板等。电缆信 号经过接线箱体的分配送到采集箱体， 采集箱体将各种信号送入不同的采集板 进行采集，通过前端机处理、计算后通 过网络送到主机。采集处理机采用的是 s b s 公司的基于c o m p a c t p c i 总线的嵌入 式计算机c t 7 ，其c p u 采用的是i n t i 丑 p e n t u m 7 5 0 。采集箱体充分考虑系 统设计的可扩展性，将c o m p a c t p c i 总线 图l 综合化测井采集系统组成框图 底板的i 0 信号级联，方便各种采集板之间信号的连接。采集系统的组成框图如图l 所示。 信号转接板是把采集箱体后面板的所有信号连接到采集箱体的底板上，以便对信号进行 采集。 信号预处理板主要完成b p s k 信号的预处理，生产测井w t c 信号的预处理，张力、 m m d 、自然电位等模拟信号的预处理，射孔采集的g r 、c c l 、液面信号的预处理等功能。 信号采集板是综合的测井数据采集与处理板，用d s p 和f p g a 技术实现。d s p 采用的 是t i 公司的t m s 3 2 0 v c 5 4 0 9 ，其体系结构采用修正的哈佛结构，程序与数据分开存放，内 部具有8 条高度并行的总线。片上集成有在片的存储器和在片的外设以及专门用途的硬件逻 辑，并配备有功能强大的指令系统，使得该芯片具有很高的处理速度和广泛的适应性。f p g a 采用的是a l t e r a 公司a c e x l k 系列的f p g a 芯片。它支持寄存器配平技术、流水线操 作、复制逻辑模块、使用l p m 函数等技术来提高其整体性能，在设计实现时针对其特点进 行了优化。 信号采集板的主要功能包括：普通a d 的采集功能、采样率为1 m 存储量为6 4 k 的高 速a d 的声波通道的采集功能、4 道1 6 位的计数器功能、深度采集的功能、l o o k b p s 遥传 信号采集的功能、w t c 遥传信号采集的功能、热插拔的功能、软件看门狗功能、手动复位 功能，印制板上留有测试点供检测用。信号采集板通过c o m p a c t p c i 总线实现与c p u 数据通 信，外部接口信号通过c o m p a c t p c i 白定义接口j 5 、j 4 实现与信号的预处理板通信。 信号采集板需要使用p c i 总线接口控制器和p c i 总线进行交互，在本应用系统设计时 采用的是p l x 公司的p c i9 0 5 4 芯片。p c i9 0 5 4 是一3 2 位3 3 m h z 的通用p c i 总线控制器 1 3 专f h j 芯片，符合p c i 规范2 2 版，突发传输速率达到1 3 2 m b p s 。p c i9 0 5 4 提供了i ，c i 总线、 e e p r o m 、l o c a i 。总线三个接口。l o c a l 总线支持复用月 复用的3 2 位地址数据，有三 种工作模式：m 模式、( ：模式和j 模式，在本系统实际数据采集时，将l o c a l 总线设置为 c 模式，这是一种目标设备模式。选用串行e e p r o mn m 9 3 c s 5 6 i 。作为p c i9 0 5 4 的配置 芯片，该芯片通过e e p r o m 接口和p c i9 0 5 4 相连。p c i9 0 5 4 的长配置方式要求6 8 个字节 的信息，主要包括：设备识别号、供应商代码号、l o c a l 总线三个空问的性质、范围以及 基址等，这些配置信息内容一般要预先设计并用编程器事先写人配置芯片中。在计算机启动 时，系统将根据配置信息分配芯片所申清的资源。p c i9 0 5 4 作为一种桥接芯片，存i ，c i 总 线和l o c a l 总线之间有三种主要数据传输模式，在系统设计中，我们使用p c i t a r g e t 数据 传输模式对控制模块中的寄存器进行读写，也就是p c i 总线主设备通过p c i9 0 5 4 访问l o c a l 总线存储空间和i o 空间。9 0 5 4 1 1 c i 接口芯片的寄存器序列 f j 有一中断控制状态寄存 器，偏移地址为o x 6 8 h 。该寄存器可以使( 或禁止) c o m p a c t p c i 总线的中断，因此在进行中 断服务程序的配置时，必须设定该寄存器的内容，否则系统不能正常响应中断 2 3 。 三、系统采集软件设计 在综合化测井系统中，测井数据的采集由测井底层驱动层和测井数据交换层来实现。测 井底层驱动层完成测井数据的实际采集和各采集通道的控制；测井数据交换层完成测井数据 由前端到测井应用层的双向交互，将测井的硬件层隔离开，实现软件平台的分层设计j 。 实时采集处理任务运行在前端机上，其操作系统为多任务实时操作系统v x w o r k s 。在 设计时根据测井作业的要求，将实时处理软件分为几个不同的任务同时工作，可以有效保证 系统采集的实时性要求。前端机和主机之间的通讯方式采用网络通讯，传输速率为 l o o m b p s 。由于网络传输本身不具备实时性，因此在设计实现时把需进行实时处理的任务全 部放到v r k s 操作系统下运行。 根据测井数据采集的需要，实时多任务主要有：信号采集、深度采集与控制、命令交 互、反馈控制等，任务之间的通讯及同步采用信号量技术实现。 实时采集多任务的实现方式如下： ( 1 ) 首先进行系统的初始化工作，对各硬件通道及任务进行初始设置； ( 2 ) 启动命令交互任务，准备接收主机下发的各种控制命令； ( 3 ) 根据命令的要求，启动深度采集及时间采集任务，启动信号采集任务开始进行测井 数据的采集及控制； ( 4 ) 如系统下发有反馈控制命令，启动反馈控制任务进行各种控制作业。 各部分任务及主要控制软件的具体实现方式如下： 1 初始化任务 初始化任务包括网络初始化、c o m p a c t p c i 总线初始化、采集通道初始化等任务。前端 机开机后，首先启动网络传输的服务器，等待主机客户程序的连接申请。然后根据c o m p a c t p c i 的板卡配置信息自动配置各采集通道，完成系统的初始化任务。 2 网络服务器任务 网络服务器任务是前端实时采集软件的核心任务，它在系统初始化时启动，并一直处于 有效运行状态。它首先完成系统网络的基本设置，提供主机客户端连接的通道，然后进入到 1 4 网络监控状态，监听网络上的客户连接申清，并提供相应权限的网络服务。设汁时将客户端 权限分为两类，一类是既有接收权限，又有发送命令控制采集过程的权限；另一类是只有接 收数据的权限，不能向前端发送命令控制测井的采集过程。 网络连接目前设计了最多可同时有5 个客户端用户连接到系统中，系统设计时保留了两 个连接专用于控制测井过程，它具有两种权限。其余三个连接可由局域网中任意的计算机中 请，其权限只有接收数据权限。 3 命令交互任务 命令交互任务主要负责接收主机传送过来的各种控制命令，并将接收到的命令传给命令 解释器进行解释和处理，完成命令要求的各种控制过程。该任务在服务器接受客户的连接申 请后创建，在客户退出连接时取消。 4 命令解释器 命令解释器是响应系统控制过程的核心，它负责解释主机传送过来的所有命令和控制信 息，并执行这些操作过程。 5 实时采集任务 实时采集任务在启动测井采集功能时启动，它负责从各采集通道中采集测井原始数据， 并按不同的测井仪器的特点对原始数据进行预处理，之后通过网络传给主机。采集过程分为 按时问中断采集和按深度中断采集，根据不同的采样率和不同的采集方式的要求可以灵活使 用，两种采集方式也可同时使用，以保证系统采集过程的实时性和可靠性。 6 中断服务程序 硬件中断处理是实时系统设计的最重要、最关键的问题，由于中断通常对应着外部事 件，系统通过中断与外部事件交互。为了获得尽可能快的中断响应时间，v x w o r k s 的中断 处理程序运行在特定的上下文中。因此，中断处理不会涉及任何任务上下文的交换。 在系统设计中，采用了深度中断、定时中断和遥传中断，在每个中断对应的中断服务程 序中利用信号量同步数据的采集与控制过程，保证测井作业能按要求的顺序进行采集和处 理。 7 看门狗定时器 v x w o r k s 提供一个看门狗定时器( w a t c h d o gt i m e r ) 机制，允许任何c 函数与一个特定 的时间延迟相联系。在v x w o r k s 中，看门狗定时器作为系统时钟中断服务程序的一部分来 维护，因此通常与看门狗定时器相联系的函数以系统时钟中断级作为中断服务代码来执行。 在系统设计中，采用看门狗定时器实现定时采样方式。系统的采集时间可以在1 0 0 5 0 0 0 r o s 之阔由操作员任意设置。 8 信号量 v x w o r k s 信号量是提供任务间通信、同步和互斥的最优选择，它提供任务间的最快速 通信，也是提供任务间同步和互斥的主要手段。对于同步，信号量可以协调外部事件与任务 的执行。通用的二进制信号量能够满足两种类型的任务协调需要：瓦斥与同步。二进制信号 量需要的系统开销最小，因而特别适用于高性能的需求。二进制信号量可以看成一个标记： 对应的资源是可用( 满) 还是不可用( 空) 。当任务调用函数s e m t a k e ( ) 取一个信号量时， 其结果依赖于在调用的时刻信号量是否可用。如果此时信号量可用，调用s e m t a k e ( ) 的结 果使信号量变为不可用，任务继续执行；如果此时信号量不可用，调用s e m t a k e ( ) 的任务 进入一个阻塞队列，进入等待该信号量变为可用的阻塞状态 4 。 1 5 在实时采集任务实现时，定义了深度中断信号量、p c m 数据采集信号量、遥传采集信 号量以及命令交互信号量。通过信号量来同步整个测井数据采集过程，保证r 测井数据采集 的实时性和可靠性。 四、主机采集管理器与前端采集系统之间的通讯 测井地面系统采用的是计算机分布式处理的结构，由主机和前端机组成测井采集系统。 主机负责测井过程的操作和管理，前端机负责实时采集与处理任务。主机和前端机之间的主 要数据通讯通过以太网来完成，内容分为三种，具体定义如下： ( 1 ) 数据：数据是由前端机传送给主机的测井原始数据，测井原始数据的长度和类型是 根据此次测井作业的标识确定的，它是可变的，在每次选定测井作业的标识后确定。 ( 2 ) 命令：命令是由主机传送给前端机的各种控制测井过程的标记，命令的长度是确定 的，为3 2 个字节。 ( 3 ) 状态：状态是由前端机传送给主机的采集系统硬件状态，由3 2 个字节组成。 前端实时采集任务模块任务管理器启动后建立通讯连接，等待用户命令。主机通过向前 端任务模块发送初始化命令，由前端机完成与所选测井服务相关的专用采集接口板的初始 化，建立采集控制参数区、采集数据缓冲区和采集命令缓冲区，并按照服务设置的内容初始 化采集控制参数区，从而与前端机采集软件建立连接关系。 测井数据交换层采用以太网方式进行通讯，具体实现方式如下：前端机响应数据采集中 断从各采集接口板采集测井原始数据，经过数据麟理后放人测井通讯数据区中，通过已建立 网络连接的以太网传输数据；数据到达主机后发出采集事件，由主机的测井数据采集模块响 应这