（信号与信息处理专业论文）测井网络通信终端的设计与实现.pdf

摘要 摘要 近些年来，计算机网络正推动着测井数据的传输技术朝网络化方向发展。随 着成像测井仪器的研制和投入使用，测井数据量的不断增加，以及测井作业的恶 劣环境，这也为研究和开发一种效率高，可靠性好，通用性强的测井网络传输系 统提出了更高要求。本文将嵌入式技术应用在测井传输系统中，将测井仪器通过 以太网接入到测井传输网络，直至接入i n t e r n e t ，地面的主机可以与下井的每个测 井仪器建立一个网络连接进行通讯，从而实现最大限度的共享测井数据，提高信 息实时处理的能力。 测井通信终端除了实现测井仪器与地面主机之间数据传输，测井仪器与井下 遥传仪器之间网络时间同步的主要功能外，同时还要求通信终端可工作在高温高 压的井下环境。本文基于上述目标，深入了解目前测井技术的发展现状，结合嵌 入式系统的特点，详细介绍了以太网技术的相关知识，设计了以a r m 处理器和 f p g a 为硬件平台；利用1 0 b a s e 2 接口的以太网技术和t c p i p 协议栈实现测井数 据传输的系统整体设计方案。其中主要内容包括以下方面： 1 系统架构方面，本文详细分析了系统设计的功能要求，设计了符合测井环 境的系统总体结构。 2 硬件平台设计方面，本文着重考虑了井下恶劣环境对系统性能的影响，本 文选用了t i 公司生产的一款基于a r m 7 内核的t m s 4 7 0 r 1 v f 4 8 c 处理器，并且完 成了各个功能模块的硬件设计和调试。 3 软件平台方面，本文移植了v c o s i i 操作系统，分析了中断处理过程。 在操作系统的基础上，完成了t c p i p 协议栈l w l p 的移植。编写了底层网络驱动 函数。 4 应用层业务方面，本文研究分析了网络时间同步管理协议，详细阐述了基 于t c p 的数据传输模块和基于u d p 的时间同步管理模块的实现过程，完成了时间 戳的f p g a 程序设计。 最后对设计进行了软硬件测试，结果表明，本文设计达到了测井传输系统的 要求。 关键词：测井，以太网，操作系统，l w l p ，时间同步 a b s t r a c t a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，c o m p u t e rn e t w o r k i n gh a sb e e nf a c i l i t a t i n gt h ep r o c e s sw h i c ht h e i n t e m e tt e c h n o l o g yi su s e dt od e v e l o pt h ed a t at r a n s m i s s i o ns y s t e mi n t h ew e l ll o g g i n g h o w e v e r ，d u et ot h ee f f e c t so fs e v e r ee n v i r o n m e n ta n dt h eb u l kd a t at r a n s r n i s s i o nf r o m i m a g i n gl o g g i n gt o o l s ，t h ew e l ll o g g i n gt r a n s m i s s i o ns y s t e mb a s e do nn e t w o r k i n gp u t f o r w a r dh i g h e rr e q u i r e m e n tf o re f f i c i e n c yo ft h et r a n s m i s s i o n ，t h er e l i a b i l i t ya n dt h e u n i v e r s a l i t y t 1 1 i sp a p e ra p p l i e dak i n do fe m b e d d e de t h e m e tt e c h n o l o g yt ot h ew e l l l o g g i n gt r a n s m i s s i o ns y s t e m ，w h i c hm a k em u l t i - u s e r sb ea b l et os h a r ew e l l - l o g g i n gd a t a a n di m p r o v et h ea b i l i t yo ft h er e a l - t i m ep r o c e s s i n go fi n f o r m a t i o nw h e nl o g g i n gt o o l a c c e s si n t e m e tt h r o u g he t h e m e tu s i n gn e t w o r kc o n n e c t i o nw i t l lr e m o t eh o s t s n el o g g i n gc o m m u n i c a t i o nt e r m i n a ln o to n l ya c h i e v et h ea b i l i t yo ft h ed a t a t r a n s m i s s i o nb e t w e e nl o g g i n gt o o l sa n dr e m o t eh o s t sa n dt i m es y n c h r o n i z a t i o nb e t w e e n l o g g i n gt o o l sa n dt e l e m e t r yi n s t r u m e n t s ，b u ta l s oc a l lw o r kn o r m a l l yu n d e rh ig h t e m p e r a t u r ea n dh i g hp r e s s u r e b a s e do nt h i st a r g e t ，t h i sp a p e rp r e s e n t e dt h ec u r r e n t t e n d e n c ya b o u tl o g g i n gt e c h n o l o g yi nd e t a i la n de x p l a i n e dt h ee t h e r n e tt e c h n o l o g yw i t l l e m b e d d e ds y s t e m a p p l y i n gt h ee t h e m e ta c c e s sm o t h o db y10 b a s e 2 ，i ti sp r o p o s e d t h a tt h es y s t e ma r c h i t e c t u r ei sb a s e do nt h eh a r d w a r e 、i ma r m p r o c e s s o ra n df p g a t h ec o n t e n t so ft h i st h e s i sa r eo u t l i n e da sf o l l o w s ： 1 i ns y s t e ma r c h i t e c t u r e ，t h i st h e s i sa n l y z e dt h er e q u i r m e n to ft h i sd e s i g ni nd e t a i l a n dp r o p o s e das y s t e ms o l u t i o ns u i t a b l ef o rl o g g i n ge n v i r o n m e n t 2 i nh a r d w a r ep l a t f o r m ，t h i st h e s i ss e l e c t e dt m s 4 7 0 r 1 v fp r o c e s s o rb a s e do n a r m 7a n di m p l e m e n t e dt h eh a r d w a r em o d u l ed e s i g n 3 i ns o f t w a r ep l a t f o r m ，t h i st h e s i sd e s c r i b e dt h ep r o c e s so fp o r t i n gp , c o s i ia n d l w i pa n dd e v e l o p e dt h ed r i v e rp r o g r a mf o rn e t w o r k i n gi n t e r f a c e 4 o nt h em o d u l eo fa p p l i c a t i o nl a y e r , t h i st h e s i ss t u d i e da n da n l y z e dt h ep r o t o c o l o ft i m es y n c h r o n i z a t i o n 砀ed a t at r a n s m i s s i o nm o d u l eb a s e do nt c pa n dt h et i m e s y n c h r o n i z a t i o nm o d u l eb a s e do nu d p w e r ea c c o m p l i s h e d ，n l ei m p l e m e n t a t i o no f t i m e s t a m pi nf p g a w a sp r e s e n t e d a b s t r a c t a tl a s t ，t h i st h e s i sg a v es o m er e s u l t sb yt e s t i n gt h es y s t e m t h er e s u l t ss h o w nt h a t t h i sd e s i g nm e tt h en e e df o rw e l ll o g g i n gc o m m u n i c a t i o ns y s t e m k e y w o r d s ：w e l ll o g g i n g ，e t h e r n e t ，o p e r a t i n gs y s t e m ，l w l p , t i m es y n c h r o n i z a t i o n i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 论文使用授权 年月日 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 虢盘扛翩繇一鳖一 日期：年月 日 第一章绪论 第一章绪论 众所周知，能源是人类生存和发展的重要物质基础，特别是对石化能源的需 求更加明显。石油天然气资源同时也是国民经济健康发展的重要保障。近些年来， 世界石油价格不断上扬，极大地刺激了各国政府在石油测井方面的投入，同时带 动了石油电子仪器的需求。我国的石油测井仪器虽然取得了较快的发展，但和世 界先进水平相比，仍然存在一定差距。国外著名的测井仪器生产供应商，如斯伦 贝谢、哈里波顿、阿特拉斯等著名公司的石油测井仪器在8 0 年代就已经先后推出 了成像测井功能，如阿特拉斯的e c l i p s 。5 7 0 0 测井系统，斯伦贝谢的m a x i s 5 0 0 测井系统，哈里波顿的e x c e l l 2 0 0 0 测井系统，占据了测井仪器的高端市场。因 此，对石油电子仪器进行深入研究和开发，有着重要的现实意义和实用价值【l 】【2 1 。 1 1 课题研究背景 测井又称“井中地球物理勘探”，是物理探矿的一种方法，是钻孔中使用的地球 物理勘探方法的通称。测井是将地质信息转换成物理信号，然后再把物理信号反 演回地质信息的一种技术。测井技术主要利用声、电、核、磁等学科原理，在高 温、高压的井筒环境下对地层和油气动态进行测量，测量的参数随井深的变化绘 制成曲线或图像，通过测试结果对地质结构进行全面解释和分析，从而判断油气 层位置和其他矿藏的位置。从1 9 2 7 年法国s c h l u m b e r g e r 兄弟创造出第一种原始的 电测井装置以来，测井技术取得了巨大的发展。 随着成像测井系统的研制和开发，使得石油测井仪器不断向高集成化、高可 靠性、高时效化方向发展。成像测井系统是为了适应复杂油气藏勘探开发的需要 而发展起来的专门技术，在信息采集的规模、精度、信息传输、数据处理以及地 质解释应用等方面都将测井技术的发展推到一个新的阶段。成像测井系统在实现 上采用了许多新技术、新方法，如多媒体技术、数据通信的新技术、三维成像、 核磁共振技术等其他行业的新技术，成像测井系统的发展代表当今测井技术的前 沿。成像测井系统与传统测井系统相比，获得的数据量大大增加，这也为数据传 输系统的传输速率提出了更高的要求【3 1 。 2 0 世纪末，计算机网络的高速发展推动了测井方式的变革。进入2 1 世纪，逐 电子科技大学碗士学位论文 渐形成了以数据共享，提供油藏实时解决方案的网络测井技术。世界上几个著名 的油田服务公司正在努力实现新技术的转型，如斯抡贝谢、哈里波顿、# 日特拉斯 等从2 0 世纪9 0 年代末即己开始概念设计。哈里波顿公司即将投入使用的以s p e r r y s u n 的i n s i t e 为核心的测井系统，其设计理念正是试图采用互联网技术，实现测井 数据采集，处理，分析和解释，实现油藏解决方案的实时化和动态化，其意义在 于可以及时的为石油公司提供决策依据，加快勘探开发进程，显著降低作业成 本增加投资回报。在测井技术7 5 年的发展历史中，测井采集传输系统已经经历了 4 次技术革命，正在兴起的网络测并则是第五代1 4 】，具体发展过程如表1 1 所示。 表卜l 测井采集传输系统的发展过程 第1 代模拟记录测井系统单任务作业指令单向传递 第2 代数字记录测井系统单任务作业指令单向传递 第3 代数字控制测井系统单任务作业指令双向传递 第4 代成像测井系统多任务作业指令双向传递，资料滞后解释 第5 代网络测井系统多任务作业指令双向传递资料信息共享解释 随着嵌入式技术的深入发展，利用嵌入式系统的通用性，可裁剪性，使得网 络测井与嵌入式技术相结合成为可能。由于作者所在实验室承担的高速数据测井 传输系统需要网络化的传输要求，因此，本文尝试利用嵌入式微处理器和以太网 t c p i p 协议栈的方法来对狈4 井传输系统网络化要求进行研究和探讨。 下面对测井传输系统总体构架做简要的介绍。 电：喾 ； 一。 图1 - 1 测井传输系统总体构槊 测井传输系统是网络化的遥控遥测系统，网络采用e t h e m c t - t c p 口技术，地 面主机可以与井下每个仪器建立一个t c p 连接，相当于在地面主机与每个仪器之 间分另建立一条虚拟的通信线路，从而实现地面主机与仪器之间的直接通信。通 过采用时间- 深度融合技术，最终得到对应地层深度的井下采集数据。测井传输系 统总体结构如图1 1 所示。 第一章绪论 该系统主要包括地面子网和井下子网两个部分，这两个子网通过地面路由器 和井下路由器相互连接起来。为了将井下仪器接入井下予网中，本文需要研制一 种具有井下环境特点的嵌入式网络通信终端，一方面实现大容量的测井数据的网 络化实时传输，另一方面建立井下子网的时间基准，实现井下仪器与井下遥传仪 器之间的时间同步，为时间深度融合提供条件。 1 2 课题研究任务 通过对测井技术发展趋势的研究，本文研究设计了基于嵌入式系统的测井网 络通信终端( n e t w o r kc o m m u n i c a t i o nu n i t ，以下简称n c u ) 。该系统充分利用t i 公司 3 2 位嵌入式微处理器低功耗，耐高温，高性能的特点，在u c o s i i 嵌入式操作系 统的平台上，利用1 0 b a s e 2 接口的以太网技术和t c p i p 协议栈，实现了测井仪 器与地面主机之间的数据传输，另一方面，利用网络时间管理协议( s n t p ) ，实现 了井下仪器与井下遥传仪器之间的时间同步功能，并且满足了测井作业环境下工 业以太网稳定性的要求。使网络测井的理念成为现实，促进了网络化测井传输系 统的研究、开发和应用。 本文主要论述基于嵌入式系统的测井网络通信终端的硬件和软件设计。 ( 1 ) 研究分析了现有的嵌入式以太网技术知识，根据测井作业环境的特点，我 们制定了基于嵌入式系统的测井网络通信终端的总体方案； ( 2 ) 硬件平台方面，利用p o w e r p c b 和o r c a d 等e d a 工具，完成了基于a r m 7 处理器的测井网络通信终端的硬件设计； ( 3 ) 软件平台方面，深入分析了u c o s i i 嵌入式操作系统源代码，结合实际的 硬件平台，完成了u c o s i i 在a r m 7 处理器上的移植工作； ( 4 ) 研究分析了精简t c p i p 协议栈l w i p 的工作原理，结合以太网接口控制芯 片c s 8 9 0 0 a ，编写了网络协议栈的底层驱动程序，从而真正完成了u c o s i i 和l w l p 软件系统在嵌入式硬件平台上的代码移植； ( 5 ) 实现了测井数据传输功能和网络时间同步管理，利用协议栈的a p i 函数， 编写了基于t c p 和u d p 的应用层服务程序； ( 6 ) 在f p g a 芯片上利用v e r i l o g 语言，完成了时间戳的数据解析和逻辑接口 设计，实现了将井下仪器接入井下局域网的功能。 3 电子科技大学硕士学位论文 1 3 论文结构安排 本论文总体结构安排如下： 第章主要介绍测井技术的背景知识和课题主要研究工作。 第二章论述了嵌入式系统，嵌入式处理器和嵌入式以太网的相关知识。 第三章根据系统设计要求和井下仪器通信特点，提出了测井通信终端的总体 设计方案，结合系统总体结构，概述了嵌入式处理器的工作特点和f p g a 芯片的 特点，详细介绍了系统主要功能模块的硬件实现过程。 第四章主要介绍软件平台的实现过程。分析研究了系统的启动流程，具体论 述了u c o s i i 和l w i p 在t m s 4 7 0 r 1 v f 处理器上的移植过程，介绍了网络驱动程 序的实现过程。 第五章主要介绍了应用软件的设计。详细阐述了基于t c p 的数据传输模块和 基于u d p 的时间同步管理模块的实现过程，论述了时间同步处理的f p g a 程序设 计，最后给出了系统的调试方法和测试结果。 第六章对本文的研究工作进行了总结，对进一步的研究工作提出了建议。 4 第二章嵌入式系统体系结构 第二章嵌入式系统体系结构 嵌入式系统是指以应用为核心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应 系统对功能、体积、实时性、稳定性和功耗严格要求的专用计算机系统。相比通 用的个人计算机系统，把嵌入到对象体系中并实现对对象体系智能化控制的计算 机，称作嵌入式计算机系统。其具体结构如图2 - 1 所裂5 1 。 三 2 1 嵌入式系统的特点 图2 - 1 嵌入式系统结构框图 1 ) 嵌入式系统通常是面向特殊用途的嵌入式处理器，具有低功耗，体积小， 集成度高等特点。 2 ) 嵌入式系统有很强的个性化特征，一般要针对硬件进行软件平台的移植， 嵌入式系统的升级换代也是和具体产品同步进行。 3 ) 硬件和软件都必须高效率的设计，精简各个模块的冗余部分，减少存储资 源的开销。一般没有应用软件和系统软件和明显区分，不要求其功能设计和实现 上过于复杂。 4 ) 具有实时性的操作系统是嵌入式软件的基本要求。用户选择适用的r t o s 软件系统，这样既保证了程序执行的实时性，可靠性，并减少开发时间，提高了 工作效率。 5 电子科技大学硕士学位论文 2 2 嵌入式操作系统概述 嵌入式实时操作系统是应用软件的基础和开发平台，它的出现增强了应用软 件的可移植性，提高了嵌入式系统的开发效率。近几年来嵌入式实时操作系统得 到飞速发展，支持的功能模块也越来越多：如文件系统，t c p i p 网络系统，g u i 图形系统等。下面将介绍几种典型的嵌入式操作系统【6 1 。 ( 1 ) v x w o r k s 嵌入式实时操作系统 v x w o r k s 是w i n d r i v e rs y s t e m s 公司推出的嵌入式实时操作系统。对多种处理 器内核提供支持，如x 8 6 、m o t o r l am c 6 8 x x x 、p o w e r p c 、m i p s 等。它可在这些 c p u 平台上提供统一的接口和一致的运行特点，已被广泛的应用在通信，医疗， 消费电子，航天等各种领域中。 ( 2 ) i t c o s - i i p c o s 一口是一个可裁剪，源码开放的，可固化，可移植的抢占式实时多任 务内核，主要面向中小型嵌入式系统，具有执行效率高，占用空间小，可移植性 强等特点。 ( 3 ) w i n c e 操作系统 w i n d o w sc e 是针对有限资源的平台而设计的多线程，多任务的操作系统。它 支持w i n 3 2 a p i 子。提供与p c 机相似的爨面操作，使得对w i n d o w s 熟悉的用户能 够较快的学会使用。 ( 4 ) l i n u x l i n u x 是一种免费的，源代码开放的操作系统。l i n u x 的系统界面和编程接口 与u n i x 很类似。l i n u x 拥有现代操作系统所有的内容：实现抢占式多任务处理， 具有虚拟内存管理，内存保护，支持t c p i p 协议族，符合p o s i x 标准，支持许多 3 2 位和6 4 位的c p u 。 2 3 嵌入式处理器概述 嵌入式处理器由内核和其他功能模块构成。处理器可以被设计成具有多种功 能，满足不同用户对功耗，速度等要求的多种处理器核。目前主流的3 2 位嵌入式 微处理器系列主要有a r m 系列，m i p s 系列，p o w e r p c 系列等嗍u o 。 ( 1 ) m i p s 系列 m i p s 是世界上很流行的一种r i s c 处理器。m i p s ( m i c r o p r o c e s s o rw i t h o u t 6 第二章嵌入式系统体系结构 i n t e r l o c k e dp i p e ds t a g e s ) 的意思是“无互锁流水级的微处理器，其原理是尽量利 用软件办法避免流水线中的数据相关问题。m i p s 指令体系( i s a ) 从最早的m i p s ii s a 开始发展，到现在的m i p s 3 2 和m i p s 6 4 结构，其所有版本都是与前一个版 本兼容的。在m i p si i i 的i s a 中，增加了6 4 位整数和6 4 位地址；在m i p si v 和 m i p sv 的i s a 中，增加了浮点数的操作等。近年来，m i p s 处理器以其高性能的 处理能力被广泛应用于宽带接入，路由器，电视，游戏，调制解调设备等领域。 ( 2 ) p o w e r p c 系列 p o w e r p c 是m o t o r o l a 公司的产品。p o w e r p cr i s c 处理器实现性能增强的最主 要原因就在于修改了指令处理设计，采用了超标量处理器设计和调整内存缓冲器 的设计方法，p o w e r p c 内核的主要特点如下： 独特分支处理模块可以让指令预取效率明显提升，即使指令流水线上出现 跳转指令，也不会影响到其运算单元的运算效率。 超标量设计。定点和浮点运算单元以及分支单元都有自己独立的指令集并 可独立运行。 可处理字节非对齐的数据存储。 同时支持大端小端模式。 ( 3 ) a r m 内核系列 a r m 公司是一家专门从事芯片i p 设计与授权业务的英国公司，其产品有 a r m 内核以及外围接口。a r m 内核是一种3 2 位r i s c 微处理器，具有功耗低， 性价比高和代码密度高等特点。目前，a r m 处理器已广泛应用在移动通信，机顶 盒，工业控制，手持p c 等领域。 到目前为止，a r m 公司的系列产品主要a r m 7 、删9 、a r m l 0 e 、x s c a l e 、 a r m l l 和c o r t e x 等。其中a r m 7 t d m i 是嵌入式处理器的主力产品之一。本文选 用的t i 公司t m s 4 7 0 r 1 v f 处理器，就是采用了a r m 7 t d m i 内核。 a r m 7 t d m i 处理器具有t h u m b 体系结构。t h u m b 指令的宽度只有a r m 指令 的一半，因此可以获得较高的代码密度。作为a r m 7 t d m i 内核，既能执行3 2 位 的a r m 指令集，又能执行1 6 位的t h r o b 指令集，因此准许用户以子程序段为单 元，在同一个地址空间使用t h u m b 和a r m 指令集混合编程。在存储空间有限的 系统中，可以选择合适的编程方案。a r m 7 t d m i 内核支持7 种操作模式： 用户模式：正常的程序运行状态。 f i q 模式：快速中断处理，用于支持高速数据传送通道处理。 i r q 模式：用于一般中断处理。 7 电子科技大学硕士学位论文 未定义模式：处理未定义指令的异常。 管理模式：用于操作系统的保护模式。 数据访问终止：用于虚拟存储及存储保护。 系统模式：运行特权操作系统任务。 大多数应用程序在用户模式下执行，当出现异常时，系统自动执行相关寄存 器的保存工作，然后进入特定的异常模式。 2 4 嵌入式以太网的应用 随着嵌入式技术的迅猛发展，基于嵌入式系统的互联网应用也越来越普及。 以太网是一种基于基带总线的局域网。在工业控制领域，一种最广泛的网络传输 方案就是利用t c p i p 协议与以太网相结合的方法，使得远程设备与现场仪器及时 共享资料信息，提高了数据实时处理的能力。网络协议部分已经得到了很好解决， 但是对于工业现场仪器的网络接入成了最为关键的环节。利用嵌入式系统体积小， 功耗低，可靠性高和实时性强等特点，使用基于嵌入式系统的网络接入终端成为 了工业控制现场比较合适的方案n 妇n 副。 2 4 1 以太网概述 以太网最初由美国施乐公司的p a l oa l t o 研究中心于1 9 7 5 年研制成功的。以 太网是一种技术成熟并且使用最为广泛的局域网。采用基带传输，也就是说，网 络接口芯片直接给信道发送数字信号，不会像a d s l 和电缆调制解调器系统那样 将信号搬移到其他的频带上。以太网的数据采用曼彻斯特编码，其特点是利用多 址访问协议c s m a c d 解决信道争用的问题。下面着重介绍以太网的物理层和数 据链路层协议。 2 4 2 以太网物理层 在以太网协议( i e e e 8 0 2 3 ) 中，数据采用曼彻斯特码( m a n c h e s t e r ) 在信道中 传输。m a n c h e s t e r 编码是一种物理层操作而不是链路层操作，数据1 表示为高电平 跳到低电平，数据0 表示为从低电平跳变为高电平。m a n c h e s t e r 码是一种典型的使 用自同步法保持位同步的线路码型。由于发送适配器和接收适配器的时钟没有精 确同步，通过每一比特位中间的跳变沿，接收主机可以将它的时钟与发送主机的 8 第二章嵌入式系统体系结构 时钟同步，从而接收方能够对每个别特进行定位，并且确定是0 还是1 。m a n c h e s t e r 编码的频谱中存在着很强的定时分量，它不受信源统计特性的影响，它能够利用 两个不同相位的二进制新码分别对每个二进制数据源比特进行取代，与用高、低 电平表示的非归零二进制码( n r z 码) 相比，在连“0 ”或连“1 ”的情况下更易于提取同 步时钟信息，又无直流漂移，具有较强的抗干扰能力，而且编译码过程比较简单。 2 4 3 数据链路层 对于链路层而言，主要包含两种截然不同类型的网络链路：广播链路和点对 点链路。以太网就是广播链路层技术的例子。在以太网协议中，数据链路层负责 对以太网帧进行操作，包括逻辑链路控s j j ( l l c ) 子层和媒体访问控n ( m a c ) 子层。 m a c 子层由数据拆装和媒体访问管理两个模块组成，完成数据帧的封装、解封、 接收和发送的功能。协调多个接收和发送节点对一个共享广播信道的访问由媒体 访问管理模块实现，这也就是以太网中采用的c s m a c d ( c a r r i e rs e n s em u l t i p l e a c c e s sw i t hc o l l i s i o nd e t e c t i o n ) 协议。 c s m a c d 协议具有争用型随机访问和分布式介质访问控制的特点，这种协议 的工作过程完全是随机的，不预先建立每个结点传送信息的先后顺序，同时又能 够使网络中的多个节点可以共享传输介质。其操作过程分为两个阶段：发送数据 之前和发送数据过程中的争用期。 在发送数据帧之前，节点先利用总线监听算法( c s m a ) 进行载波监听，它是一 种“先听后讲”算法，以确定总线上是否有其它的站点正在发送数据，即在9 6 比特 时间内，信道上没有发现有信号能量，就认为信道空闲，开始发送数据。节点在 发送完数据的- d , 段时间内，存在碰撞的可能性，称为争用期( 以太网的争用期为 5 1 2 u s ) 。如果在争用期内与其他节点发生冲突，则正在传输的每个节点停止传输 它的数据，发出4 8 比特的阻塞信号来加强冲突，目的是通知链路上各个节点冲突 已经发生，然后利用退避算法随机延时一段时间重新争用链路，再开始新轮的 数据帧传送。 。 2 4 4m a c 层帧结构 以太网帧在实际传输过程中需要经过物理层的进一步封装，包括数据流开始 和结束的定界符、空闲信号等等。以太网地址是一个指明特定站或一组站的标识。 以太网地址是6 字节( 4 8 比特) 长。 9 电子科技大学硕士学位论文 i e e e8 0 2 3 x 帧结构如图2 2 所示。一个以太网帧包含6 个域： 1 ) 前同步码( 8 字节) ：包括7 个字节的帧前导码( p r e a m b l e ) 0 x 5 5 和1 个字节帧 起始定界符( s f d ) 0 x d 5 ，最后2 位是连续的1 ，表示数据链路层帧的开始。 2 ) 目的地址( d a ) ( 6 字节) ：目的地址可以是单播地址或广播地址。 3 ) 源地址( s a ) ( 6 字节) ：该字段标识了传输数据帧节点的m a c 地址。 4 ) 类型长度域( 2 字节) ：该字段准许以太网多路复用网络层协议。长度域被 用来指示有效数据的字节数，数据范围1 5 0 1 6 5 5 3 5 的值用来标识类型域，而从0 到1 5 0 0 的所有值则保留为长度域的赋值。 7 b y t e 1b y t e 6 b y t e 6 b y t e 2 b y t e 4 6 - - 15 0 0b y t e 4 b y t e 帧前导码p r e a m b l e 帧起始定界符s f d 目的地址d a 源地址s a 长度类型l e n g t h t y p e 数据d a t a 帧校验码c r c 图2 - 2i e e e8 0 2 3 帧格式 5 ) 数据域( 4 6 1 5 0 0 字节) ：数据域封装了通过以太网传输的高层协议信息。以 太网的最大传输单元( m t u ) 为1 5 0 0 字节。由于c s m a c d 算法的限制，要保证这 个域至少包含4 6 字节，如果不足，则高层协议必须执行某些填充算法，将数据报 填充到4 6 字节。 6 ) 帧校验码( 4 字节) ：接收节点执行循环冗余校验( c r c ) ，是从目的地址开始 到数据域结束这部分的校验和，并验证映射的结果是否和帧校验码的内容相等。 2 5 本章小结 本章介绍了嵌入式系统的相关技术知识，对嵌入式操作系统和处理器做了详 细介绍。根据嵌入式网络应用的需要，分析了以太网技术的各层协议的特点，为 课题的设计做了很好的知识储备。 1 0 第三章测井通信终端总体架构 第三章测井通信终端总体架构 3 1 测井通信终端设计要求 为了连接测井仪器与井下以太网，本文需要设计一种满足井下环境的测井通 信终端。一方面，该通信终端应该为测井仪器提供数据传输接口，在地面主机与 测井仪器之间实现可靠的数据传输；另一方面，实现测并仪器与井下遥传仪器之 间的时间同步功能。 3 1 1 实时性要求 测井网络通信终端是高速测井传输系统的重要组成部分。首先需要完成以太 网数据传输功能，地面主机能够与井下仪器建立t c p 连接。随着成像测井技术的 发展，井下数据量日益增大，现有传输仪器和方法逐渐成为数据传输的瓶颈，限 制了成像测井仪器的开发、测井组合和测井测速，这就需要提高数据传输系统各 个环节的传输能力。其次，由于高速测井传输系统采用了基于时间驱动的测井机 制，本文还需要实现高精度的时间同步功能，保证测井数据的准确性。 3 1 2 测井工作环境的要求 根据测井项目的特点，测井系统一般工作在野外或者深海的恶劣环境中，整 套测井系统必须经受高温、高压的外部环境考验，并且，测井系统子模块较多， 测井工作需要各个子系统的配合完成，子系统之间的连接器件容易受到测井工作 时振动因素的影响。因此，我们必须考虑使用耐高温，低功耗的电子器件，应该 采用带紧锁的接插器件提高系统稳定性，根据项目需要，电路板宽度应小于5 5 厘 米，长度小于2 0 厘米，才能满足实际测井工作的要求。 3 1 3 兼容性要求 由于测井仪器种类的多样性，本文必须为井下仪器提供可扩展的数据通信接 口，满足不同数据格式的传输要求。 电子科技大学硕士学位论文 3 2 总体方案设计 鉴于以上功能要求，结合第二章图2 1 所示的嵌入式系统总体架构的设计原则， 我们采用模块化的设计思想，对于本文的实现方案作出如下考虑： ( 1 ) 核心处理模块主要由嵌入式处理器构成。本文应该根据低功耗、耐高温、 高性能的测井环境要求选择合适的处理器。 ( 2 ) 网络接口模块将测井仪器通过以太网接入到测井传输网络，直至接入 i n t e m e t 。由于井下的恶劣环境，网络接口不能沿用办公环境下的连接方式，像传 统的r j 4 5 一类连接器，在井下的高温高压环境下极易损坏。因此，本文最终选择 了基于同轴电缆作为传输介质的1 0 b a s e 2 连接方式。 ( 3 ) 考虑到测井仪器的更新换代，所用的数据通信接口方式各不相同，为了提 高对测井仪器的兼容性，本文利用f p g a 芯片为测井仪器提供灵活的数据通信接 口。通过编写接口的控制逻辑电路，可以与任意接口的测井仪器进行数据通信。 ( 4 ) 时间同步模块是为了满足高速数传系统的测井要求，本文利用s n t p 应用 层协议，采取客户机与服务器的方式，达到与井下遥传仪器之间的时间同步。 ( 5 ) 软件平台方面，没有使用超循环模式和前后台的控制模式，取而代之的是 选择了源代码开放的嵌入式实时操作系统, c o s i i 。该操作系统强大的任务管理 能力可以很好的调度各个功能模块协调工作，具有很好的实时性和可靠性。由于 g c o s i i 不具备网络协议的功能，为了满足网络传输的要求，必须添加t c p i p 协议 程序。目前，应用广泛的精简协议栈有如下几种，如u l p 、b s dt c p i p 、l w i p 、 t i n y t c p 等，这类协议栈源代码公开，可自由裁剪，其代码和使用相关信息可从相 关参考网站获取。最终本文选用了l w 口作为运行在g c o s i i 上的t c p i p 协议栈。 3 3 测井通信终端硬件结构设计 在上述系统架构的分析中，不仅要完成可靠的数据传输，还应考虑到测井作 业的恶劣环境对系统的影响，所以在器件选型上着重考虑所有芯片的功耗和耐温 等性能指标。基于以上考虑，经过反复对比，本文选用t i 公司的一款3 2 位的 a r m 7 t d m i 内核的t m s 4 7 0 r 1 v f 4 8 c 嵌入式处理器，选用c s 8 9 0 0 a 以太网接口 芯片来接收和发送网络数据帧，外部扩展s r a m ，使用f p g a 芯片完成时间同步 处理和必要的译码逻辑电路的功能。本文硬件结构如图3 1 所示，电路板实物图参 见附录。下面将分别介绍本文主要模块的硬件设计过程。 1 2 第三章测井通信终端总体架构 a u i 转m 呵c 电路k = ) i 井下遥传仪器 时间同步il c s 8 9 0 0 a 测试接口jl f f p g a | ( = 1 ) it m $ 4 7 0 r 1 4 8 cl ( = )s r 枷 测荮仪器l 广王z 产么一 接口 i j t a g i 串口调试 图3 - 1 硬件电路总体结构 3 3 1t m s 4 7 0 r 1v f 4 8 c 嵌入式处理器 t m s 4 7 0 r 1 4 8 c 是t i 公司生产的基于a r m t t d m i 内核的3 2 位精简指令集处 理器，该处理器具有大容量的片内f l a s h ，为汽车电子和高温环境下的工业控制 领域提供了高性能和低功耗的处理器解决方案。t m s 4 7 0 r 1 v f 4 8 c 处理器包括如下 的片上资源，处理器总体结构如图3 2 所示【1 5 】。 1 ) 采用1 8 v 供电的a r m 7 t d m i 内核，具有代码密度高并兼容1 6 位t h u m b 指令 集的特点，含有i c e 在线仿真调式功能。 2 ) 片内包含1 m b y t e s 的高速f l a s h 存储器。由于不需要外接程序存储器，因 此可以节省电路板的面积。具有f l a s h 加速模块和代码加密功能，片内f l a s h 共 有1 6 个页，在流水线模式下，可以进行6 4 位的数据操作，并且可以在6 0 m h z 的系统 时钟条件下进行单时钟周期访问。通过内部状态机，支持对f l a s h 的自动擦除和 编程。片内还包含6 4 k b y t e s 的高速s r a m ，可以在最高时钟速度下进行单周期访问 操作。 3 ) 系统管理模块( 完成地址译码，存储区保护，系统总线与外部总线管理，复 位与异常中断管理，中断有先级分配，系统时钟分配) 。 4 ) 2 个实时时钟计数器。 5 ) 中断扩展模块，支持多达6 4 个中断源和可编程中断优先级设置。 6 ) 具有d m a 模块，多达3 2 个通道控制。 1 3 电子科技大学硕士学位论文 7 ) 3 个s c i 端口，可配置为u a r t 传输和同步串口传输。 8 ) 5 个i i c 端口，2 个s p i 端口。 9 ) 外部存储器控制模块，可扩展2 个片选信号。 1 0 ) 看门狗，用于系统程序的定时与监控。 1 1 ) ( z p l l ) 不需要扩展外围电路的锁相环时钟设计。 f u n c t i o n a lb l o c kd i a g r a mf v f 4 8 c l 图3 - 2t m s 4 7 0 r 1 v f 4 8 c 处理器功能模块结构图 1 4 第三章测井通信终端总体架构 3 。3 。2 外部存储器扩展 t m s 4 7 0 r 1 v f 4 8 c 处理器内部包含1 m b y t e s 的高速f l a s h 存储器和6 4 k b y t e s 的s r a m ，片外可扩展两个片选空间。外部数据总线支持8 位和1 6 位数据宽度， 在1 6 位数据总线模式下，外部每个片选信号的最大寻址空间为1 m b y t e s 。该处理 器的理论寻址空间达到4 g b y t e s ，采用统一编址方式，将系统的各类存储器，外设， 系统控制寄存器等都映射到该地址空间。为了便于管理，又将地址空间分为若干 个存储器组。系统上电复位后，t m s 4 7 0 r 1 v f 4 8 c 的地址空间映射如图3 3 所示。 s y s t e mm o d u l ec o n t r o l r e g i s t e r p h e r i p h e r a lc o n t r o lr e g i s t e r r e s e r v e d i n a c e e s s i a b l e m e m o r yb a n k0 m e m o 巧b a n k0 m e m o 巧b a n k 0 彳 7 m e m o 巧b a n k0 i | 1 m b y t e ： u 一 图3 3 上电复位后地址空间映射 值得注意的是，处理器仅定义了f l a s h 存储器，系统控制寄存器，外设功能 控制寄存器的地址空间映射，外部片选空间和内部s r a m 地址空间是没有定义的， 这样可以使用户灵活的安排每个存储器组的基地址和空间大小。只需配置相应的 控制寄存器就可以实现地址空间的重新定义。从图3 3 还可以看出，1 m b y t e s 的 f l a s h 存储器组是镜像的分布在地址映射的低2 g b y t e s 范围内。也就是说，上电 复位后，一块f l a s