（测试计量技术及仪器专业论文）成像系统通信短节的调制解调器设计.pdf

中文摘要 硕士生：梁喜梅( 签名)美乏叠毯 指导教师：鲁保平( 签名) 名主骆暂鸯年 张家田( 签名) 舾 摘要 e x c e l l 2 0 0 0 是一种比较先进的成像测井系统，仪器在工作时，其电缆遥测系统d i t s 中的数字通信模块d 4 t g 将井下仪器的测量数据和状态上传到地面仪器，并将地面仪器 发出的控制命令参数下传至各个下井仪，是数据传输的咽喉要道和仪器工作的控制器， 它的研制对于生产以及研制成套仪器都具有十分重要的意义。 针对课题的要求，本文主要研究了下行数据的解调和上行数据的调制，以实现地面 设备与井下仪器之间的通信。根据通信系统的总体要求，论文首先设计了井下调制解调 电路：接收电路、数字到模拟信号的转换和放大电路，以实现下行数据的预处理和上行 数据的编码转换和发射；其次利用硬件描述语言v e r i l o gh d l 和原理图法实现了算法设 计：主要是下行的1 5 5 3 b 曼彻斯特解码算法和上行的n r z 码转换成双极性码的调制算 法，实现了数据之间的转换；最后通过硬件电路进行数据传输实验，根据实验结果验证 了设计的合理性和正确性。 关键词：电缆遥测系统曼彻斯特编解码调制的双极性二进制码 论文类型：应用基础与应用技术研究 n 英文摘要 s u b j e c t ：t h ed e s i g no fm o d e m i ni m a g i n gl o g g i n gs y s t e mc o m m u n i c a t i o nu n i t s a b s 。i r a c i e x c e l l - 2 0 0 0i sam o r ea d v a n c e di m a g i n gl o g g i n gt o o l ，w h e nt h ee q u i p m e n ti sw o r k i n g ， t h ed i g i t a lc o m m u n i c a t i o n sm o d u l ed 4 t gi nt h ec a b l et e l e m e t r ys y s t e md i t su p l o a d st h e d a t aa n ds t a t u sm e a s u r e db yt h ed o w n h o l ei n s t r u m e n t st ot h eg r o u n d ，a n dd o w n l o a d st h e c o n t r o lc o m m a n dp a r a m e t e r ss e n d e db yt h eg r o u n d b a s e de q u i p m e n tt ot h ee a c hs u b s u r f a c e t o o l ，t h ed 4 t gi si m p o r t a n tc h a n n e lo ft h ed a t at r a n s m i s s i o na n dt h ec o n t r o l l e ro ft h e i n s t r u m e n tw o r k i n g ，i t sr e s e a r c hf o rt h ep r o d u c t i o na n dt h er e s e a r c hf o rt h ec o m p l e t es e t so f e q u i p m e n ti so fg r e a ts i g n i f i c a n c e a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so ft h ei s s u e ，t h i sp a p e rs t u d i e st h ed e m o d u l a t i o nf o rt h e d o w n l o a dd a t aa n dt h em o d u l a t i o nf o rt h eu p l o a dd a t a , a c h i e v et h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e n t h eg r o u n d b a s e de q u i p m e n ta n dt h ed o w n h o l et o o l s a c c o r d i n gt ot h eg e n e r a lr e q u i r e m e n t so f c o m m t m i c a t i o ns y s t e m s ，a tf i r s t ，t h ep a p e rc o m p l e t e dt h ec i r c u i td e s i g no ft h es u b s u r f a c e m o d e m ，i n c l u d et h er e c e i v e rc i r c u i t ，d i g i t a lt oa n a l o gc o n v e r t e ra n da m p l i f i e rc i r c u i t , t o a c h i e v e dt h ep r e - p r o c e s s i n go fd o w n l i n kd a t aa n dc o d es w i t c h i n ga n dt r a n s m i s s i o no fu p l o a d d a t a t h e n , u s i n gh a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g ev e r i l o gh d la n ds c h e m a t i cm e t h o d t oa c h i e v e t h ed e s i g no f a l g o r i t h m ，m a i n l yd o w n l i n k15 5 3 bm a n c h e s t e rc o d ed e m o d u l a t i o na l g o r i t h ma n d u p l i n km o d u l a t i o na l g o r i t h mo fn r zc o d es w i t h c h e dt o d u a lp o l a rc o d e ，a c h i e v e dt h e c o n v e r s i o nb e t w e e nd a t a f i n a l l y , p e r f o r m e dd a t at r a n s m i s s i o ne x p e r i m e n tt h r o u g ht h e h a r d w a r ec i r c u i t ，v e r i f i e dt h ed e s i g ni sr e a s o n a b l ea n dc o r r e c tb yt h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n t k e yw o r d s ：c a b l et e l e m e t r ys y s t e m m a n c h e s t e rc o d em o d u l a t e dd u o b i n a r yc o d e t h e s i s ：a p p l i e db a s i ca n dt e c h n o l o g ys t u d y i 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油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已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：三脚 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 学。 论文作者签名：辫 导师签名：孥颦墼4 l 日期：矽r d f 们 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 第一章绪论 1 1 项目研究背景及意义 第一章绪论 目前，随着石油勘探区块的减少，必须采用更为先进的测井设备进行勘探，以获得 准确的地层信息。e x c e l l 一2 0 0 0 是h a l l i b u r t o n 公司先进的综合性成像组合测井平台，能够 完成声成像、电成像、核磁共振测井及三孔隙度、三电阻率、自然伽马、井径井斜、自 然电位等测井项目。此系统具有使用范围广、功能强大、速度快、组合灵活等特点，其 成像测井资料可以用于识别裂缝，进行地应力分析、构造分析、研究沉积特征等，能够 解决比常规测井更多的地质问题，从而为油田的二次采油、三次采油等降低成本、提高 产量。仪器在工作时，数字通信模块d 4 t g i l 】将井下仪器的测量数据和状态上传到地面 仪器，并将地面仪器发出的控制命令参数下传至各个下井仪，可以说，d 4 t g 是数据传 输的咽喉要道和仪器工作的控制器【2 】。 由于地下高温、高压、高腐蚀性环境，仪器会出现故障从而需要修理。但由于技术 上的一些原因，仪器中的某些关键部分，如通信模块d 4 t g 中的b c u 电路板等，一旦 烧坏，无法维修，只能予以更换。但此电路板不但价格昂贵，而且到货周期长，一般时 间为4 , - 8 个月，严重影响生产。而这个模块的损坏使得整串仪器无法工作，因此，研制 成像测井仪的数字通信系统至关重要，其研制成功可以极大的减少成像系统怠工时间， 降低成本，提高生产效率。 从数据传输的角度来说，目前国产的e i l o g 0 5 测井系统的电缆传输速度最高为 3 0 0 k b p s ，通信方式为半双工方式，传输时间间隔为8 0 m s ，本课题研究的传输速度最高 达到2 1 7 k b p s ，但通信方式为全双工方式，传输时问问隔为5 0 m s ，从因此，如果研制成 功，则此成果在国内处于领先水平。 从长远的角度看，由于世界三大测井公司不再出售其测井仪器，转而以出租测井仪 器或提供测井服务来获得利润，因此，研制自己的测井仪器是一个迫在眉睫的任务。对 于组合测井仪器，通信短节是各个仪器之间、地面系统和井下仪器数据传输的通道。通 信组合仪研制成功，便可以以此为基础，挂载自己的测井仪器，再研制地面系统，最终 研制成功具有自主知识产权、功能先进的成像测井系统。 成像测井仪的通信系统的研制主要包括完成调制解调器、总线控制单元以及遥测单 元的设计，而本课题就是研究此通信系统中的井下调制解调器的设计，是此通信系统中 的重要环节，其设计完成，可以实现数据的传输，即可以接收地面仪器的数据命令，对 其进行解调下传至b c u 单元，并且将井下仪器的数据和状态按一定格式上传至地面设 备的d 2 m p 。井下调制解调器的成功研制，可以实现地面设备与井下通信模块的通信连 接，对成像测井仪通信系统的成功研制具有重要的意义。 两安石油人学硕+ 学位论文 1 2 研究现状 由于通信系统是控制命令和相关数据传输的咽喉要道，国外三大测井公司历来都十 分重视测井电缆数字通信系统的研究，每个公司都发展了具有自己特色的通信系统，在 国内，许多公司和研究所都一直跟踪国外先进技术，以国外先进仪器为基础开发自有的 测井软硬件平台，如h h 2 5 3 0 、s d z 2 0 0 0 、s d z 3 0 0 0 、e i l o g 0 5 等系统，下面分别予以叙 述。 1 2 1 国外技术发展概述1 3 , 4 , 5 , 6 1 a s c h l u m b e r g e r 电缆通信系统 s c h l u m b e r g e r 公司的电缆通信系统称为c t s ，是所有井下仪器与地面计算机测井系 统之间统一的数据传输系统，数据传输速率达到1 0 0 k b s 。在井下采用了类似计算机系统 的设计思想，即在c t s 与各井下仪器之间安排了3 条串行总线( d a b ) ，进行信息交换。 d t b 总线由下行信号线d s i g 、上行时钟线u c l k 和上行数据线u d a t a g o 三根线构 成。这样，地面中央处理机把每个井下仪器( 包括c t s ) 看成是它的外部设备，在电缆上 传送的信息有中央处理机给井下发送的指令和井下仪器向上传送的数据，但二者在时间 上是隔开的，即地面与井下之间的信息传递是采用半双工方式进行的。 c t s 是在计算机指令的控制下进行数据采集、格式编排和传输的，在每一帧的上行 数据和下行指令中均含有帧同步字f s p ( 在一帧之首) 和循环冗余校验码c r c ( 在一帧之 尾) 。c t s 是由地面遥测模块t c m a 和井下遥测单元t c c a 两部分组成的。各井下仪 器都与井下总线相连，分别有规定的地址码。计算机首先向井下发送指令，指令中含有 井下仪器的地址码，当井下仪器在指令中识别出自己的地址码后，就执行该指令，并把 数据传送至井下总线上，然后按一定格式进行编码，再经由测井电缆传输至地面。 m a x i $ 5 0 0 是s c h l u m b e r g e r 公司最新一代产品，大量采用了基于p c 的模块式平台， 优点是可从市场上购买的相应的硬件和操作系统，所以适用性更广泛。其数据传输速率 达到5 0 0 k b s ，使得成像测井仪采集和传输数据的能力有了非常大的进步。 b b a k e ra t l a s 电缆通信系统 a t l a s 公司的电缆通信系统的发展可分为三个阶段：a m ip c m ，m a n c h e s t e rp c m ， w t s ( a m i m a n c h e s t e r3 5 1 0 ，3 5 1 4 ) 。 ( 1 ) 第一代为a m i ( a l t e r n a t em a s ki n v e r s i o n ) 通信系统，它采用的是a m i 脉冲编码调 制技术，p c m 数据的发送和接收是由地面计算机来控制的，更确切地说是由地面计算机 利用声波测井的逻辑信号启动的。它只能用来与双侧向仪器组合测井，传输速率为4 k b s ， 包含1 0 个数据道( 4 个脉冲道，6 个模拟道) 。总体上来讲，这种数据传输方法和性能是 比较初级的，代表产品为3 5 0 2 0 3 、3 5 0 6 。 ( 2 ) 第二代为m a n c h e s t e r i7 】通讯系统，它工作在命令响应模式。当它接收到地面采集 2 第一章绪论 系统的命令后开始采集传输数据，与a m i3 5 0 6 不同的是它的数据编码方式，在 m a n c h e s t e r 数据编码中，令每个周期中心上升沿表示为“l ，每个周期中心下降沿表示 为“0 ”，这样，它便具有消除长串的“l 或“o 时直流成分的优点。代表产品为3 5 0 4 3 5 0 8 、 2 2 2 2 。 ( 3 ) 第三代为w t s 电缆遥传系统，它结合了a m i 和m a n c h e s t e r 两种方式，被称为 a m im a n c h e s t e r 或m a n c h e s t e r l i 。它仍然是用电平的由高到低的变化代表“1 ”，由低到 高的变化代表“o ，但它是由正负交替的脉冲组成数据，使用了3 种传输模式m 2 、m 5 、 m 7 ( t m 7 ) 。m 2 为双向传输模式，既可以向井下传输命令，又可以向地面传输数据；而 m 5 、m 7 则只用来向地面传输数据。t r u em 7 ( t m 7 ) 是在m 7 模式的基础上改进而来的 一种传输模式。 w t s 通讯模式在数据传输上效率是很高的，总的向上传输速率可以达到2 2 8 k b s ， 完全满足了成像测井系统数据量大的要求。 c h a l l i b u r t o n 电缆通信系统 d i t s 是哈里伯顿公司开发的测井电缆遥测系统，该系统现已应用于e x c e l l 2 0 0 0 成像测井仪中。此数字通信系统包括远程通信设备0 t t u ) 、1 5 5 3 仪器总线，数字井下通 信模块( d 4 t g ) 和地面通信接口( d 2 m p ) 等四个部分。 r t u 是井下通信系统和仪器电子测量部分之间的接口。每一种仪器都有它自己的 r t u 地址，通过1 5 5 3 总线与d 4 t g 连接，可以进行双向通讯。d 4 t g 作为仪器总线控 制器可以在地面系统和r t u 之间进行双向通信连接，它由井下调制解调器( s s m ) 和总线 控制单元( b c t 0 组成。b c u 根据总线命令表从仪器串中采集数据，编译成上传的数据格 式，然后以5 0 m s 一帧通过井下调制解调器上传至地面系统。d 2 m p 将上传的信号译码 成串行数据，便于进一步处理，而且放大从d 2 m p 到d 4 t g 的信号，使信号能够与测井 电缆相匹配。 当前，h a l l i b u r t o n 公司推出的新型测井系统称为i q 快速测井平台，使用了a d s l 通讯方式，该通讯方式对所有外设均分配i p 地址，以计算机网络的数据通信方式进行传 输，大大提高了性能。 i q 系统使用了1 0 m 以太网总线在地面系统与井下仪器之间进行通讯。地面测井计 算机网络可直接与井下测井仪器网络进行对话，井下每一支仪器可看作是另外的计算机， 和地面计算机一样，分配有其独立的p 地址，例如：地面计算机的口地址区间： 1 0 1 0 1 1 1 0 1 0 1 1 2 8 ；井下仪器的口地址区间：1 0 1 0 1 1 2 9 l o 1 0 1 2 5 5 。目前，地面计 算机分配的口地址是1 0 1 0 1 1 ，属于静态i p 地址，不能被改变。要实现地面与井下之 间的通讯，必须通过路由器来连接，地面路由器的m 为l o 1 0 1 1 2 ，井下路由器的口为 1 0 1 0 1 1 2 9 。地面测井计算机会发送包含有地址表的数据包，地面路由器若是检测到其目 的地是井下网络，则将数据包通过已建立好的连接发送到井下路由器中，井下路由器收 到数据后将其发送到井下仪器上，这样，相应的仪器就和地面之间建立起了连接，可以 3 西安石油大学硕士学位论文 进行数据和命令的传送了。 1 2 2 国内技术发展概述 为了发展具有自主知识产权的国产成套测井装备，打破国外测井装备的垄断局面， 中国石油天然气集团公司2 0 0 1 年启动成套测井装备( e i l o g 一0 5 ) 的研制，2 0 0 5 年1 月通过 验收。其取得的测井资料经与国外同类仪器测井资料对比，在重复性、一致性及可靠性 等方面达到了设计要求。e i l o g 0 5 成套测井装备有地面系统、数据传输系统、组合测井 仪以及测井资料分析与评价软件等四部分组成。下面结合本课题重点介绍其数据传输系 统中的遥传短节： e i l o g 0 5 高速电缆传输系统的主要功能是将井下仪器的测量数据和状态上传到地面 仪器，并将地面仪器发出的控制命令参数下传至各个下井仪，主要技术指标如下： ( 1 ) 调制方式：c o f d m ，下发q p s k ，上传：q a m ，编码方式t c m ； ( 2 ) 传输速率：3 0 0 k b p s ，误码率优于1 0 。； ( 3 ) 帧频：8 0 m s 每帧，对应于1 2 5 h z ； ( 4 ) 配接下井仪器：c a n 总线仪器，d t b 总线仪器。 e i l o g 0 5 高速电缆传输系统的主要关键技术在于包含在遥传短节中的电缆调制解调 器和井下仪器总线两个部分，井下的遥传短节的总体框图如图1 1 所示。 图1 - 1e i l o g 一0 5 井下遥传短节的原理框图 调制解调器是整个系统的关键，其主要功能是完成以电缆为媒介的数据传输，系统 采用通讯领域先进的c o f d m ( c o d e do r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 编码正 交频分复用技术，并增加了t c m 编码纠错和出错重发机制完成电缆数据传输，速度最 高达到3 0 0 k b p s 。 调制解调器和井下仪器的互联由井下仪器总线完成，设计中采用广泛使用的c a n 总线，仪器接口简洁明快，同时配有与c t s 遥传系统兼容的d t b 总线接口。 从国内外数据通信的现状可以看出，通信具有以下几个特点： 4 第一章绪论 从速度上看，由于测井技术的进步，需要采集的数据越来越多，对上传速率要求越 来越高； 从通信方式看，编码方式采用可靠性高的方式，如曼彻斯特码，双相位相移键控码 等编码，它们对时钟的宽容度高，可以达到2 0 3 0 ； 从数据传输的体系结构上看，采用成熟的、符合国际标准的计算机网络体系结构。 1 3 本课题的研究工作 本课题是研究成像测井仪的数字通信系统中的井下调制解调器的设计与实现，主要 完成的工作如下： ( 1 ) 设计了下行信号的接收电路； ( 2 ) 设计了上行信号的数字到模拟信号的转换和放大电路； ( 3 ) 实现了1 5 5 3 b 曼彻斯特码解码； ( 4 ) 实现了寄存器中的数据读出控制； ( 5 ) 实现了n r z 码到调制的双二进制码的转换。 全文的构架如下： 第一章为绪论，主要介绍了论文的背景以及国内外的研究现状。 第二章介绍了测井传输信息基础知识。首先，介绍了h a l l i b u r t o n 电缆通信系统，接 下来介绍了常用的编码调制方式，并且介绍了哈里伯顿的测井电缆遥传系统d i t s 的下 传命令和上传数据格式以及1 5 5 3 b 总线特点。 第三章介绍了本论文所涉及的一些器件知识以及软件开发和下载集成环境的相关应 用。 第四章介绍了调制解凋器的设计方案。简单介绍了系统的总体设计方案，对系统的 总体功能进行分析，着重描述了调制解调的电路原理：信号接收电路和对双极性编码的 转换以及发射电路。 第五章介绍了系统的算法设计解调算法和调制算法，并进行了实验测试。讲述 了曼码编码和解码的原理、数据调制的基本原理以及它们的仿真设计实现；通过数据传 输实验验证了设计的正确性。 第六章结论。对全文进行了总结并提出了后续研究方向。 两安石油大学硕：f ：学位论文 第二章测井信息传输基础 2 1h a l l i b u r t o n 公司电缆通信系统1 8 , 9 1 e x c e l l 2 0 0 0 成像测井系统使用的数字通信系统包括远程通信设备( r t t d 、15 5 3 仪 器总线，数字井下通信模块( d 4 t g ) 和地面通信接e i ( d 2 m p ) 等四个部分。其系统框图如 图2 1 所示。 地面设备 地面调制解调器 jl d o w n l i n k u p l i n k 1r r c v rx m t r 井下调制解调器 上t 总线控制单元 b c u d 4 t g ji 司黼 1 5 5 3 b 总线 二r t u 蒜 1r 圊黼 图2 - 1e x c e l l 2 0 0 0 的数字通信系统原理框图 ( 1 ) r t ur t u 是仪器电子测量部分和井下通信系统之间的接i z l 。每种仪器都有其 自己的r t u 地址，通过1 5 5 3 b 总线与d 4 t g 连接，可以进行双向通讯，d 4 t g 可以从 r t u 请求数据或传输命令，r t u 可以通过1 5 5 3 b 总线传输数据到d 4 t g 。 6 第二章测井信息传输基础 但) 1 5 5 3 总线 1 5 5 3 总线用于连接r t u 和总线控制单元b c u ，以曼切斯特编码进 行数据传输，且变压器之间是相互绝缘的，这样，即使一支仪器出现故障，整个系统仍 然可以继续工作。 ( 3 ) d 4 t gd 4 t g 作为仪器总线控制器可在地面和r t u 之间进行双向通信连接，它 由井下调制解调器( s s m ) 和总线控制单元( b c u ) 组成。s s m 接收地面仪器的数据和命令， b c u 根据总线命令表从仪器串中采集数据，编译成上传数据格式，然后以5 0 m s 一帧通 过s s m 上传到地面系统。 ( 4 ) d 2 m p 主要有两个功能，一是将上传的信号译码成串行数据，以便主机的进一 步处理，二是放大从d 2 m p 到d 4 t g 的信号，使信号能与测井电缆相匹配。 当前，h a l l i b u r t o n 公司推出的新型测井系统称为i q 快速测井平台，使用了a d s l 通讯方式，该通讯方式对所有外设均分配i p 地址，以计算机网络的数据通信方式进行传 输，大大提高了性能。 本课题所要研究的调制解调器就是d 4 t g 中的井下调制解调器，它能够完成地面与 井下的数据传输，即通过s s m 接收地面的数据、命令进行解调，提交给b c u 单元，并 将井下仪器的数据和状态等数据按一定格式上传至地面的d 2 m p 。 2 2 常用的编码调制方式【1 0 1 为了时分多路传输大量的测井信息，充分利用测井电缆的频带宽度，提高信息传输 速率，各种测井的数字化信息，先要进行编码和调制，再经电缆传至地面。下面介绍几 种电缆测井中常用的信号编码调制方式： 2 2 1 脉冲编码调制方式( p c m ) p c m 是双极性码( 见图2 - 2 ) ，优点是不含直流成分，易于传输。在测井信息采用数 字传输初期，普遍采用p c m 调制方式。 眦 厂 _厂 p c m 图2 - 2 p c m 编码方式 2 2 2 曼彻斯特码( m a n c h e s t e ru ) 曼彻斯特码是用位元中部的电平跳变来表示“0 ”和“1 的，电平由低到高的跳变 7 西安石油大学硕： = 学位论文 代表“0 ”，由高到低的跳变代表“1 。当传输一连串“l 和“0 时，不存在直流成分。 除此之外，接收端还可以利用所接收到的信号的跳变沿来恢复传输的时钟。 位周期 ilii iiilii iliiiliiiii 命令字 厂 几厂 | 1 厂 几厂 n 几几几几r 、- ，、， 命令同步。数据奇偶位( 奇校验) 0 011 0 10011 0 011011 位周期 f il i iiiiiliiiiiiiliif 矗字 厂 n 厂 几厂 几厂 nn 厂 几厂 几 ，、， 数据同步 数据奇偶位( 奇校验) 图2 - 3 曼彻斯特码波形图 图2 3 是一个2 0 位曼彻斯特字的波形图。前三位为同步字，紧跟着的1 6 位为数据， 最后是奇偶校验位。根据在同步位中部电平跃变方向，可区分数据同步或命令同步，因 而得知所带的1 6 位是数据或是命令。 它是一种双极性编码信号，分别用上升沿和下降沿来表示，它主要是用在下传指令、 数据( w 6 模式) 和仪器1 5 5 3 总线。 2 2 3 双相位相移键控( b p s k ) 调制 经b p s k 调制后的波形如图2 4 所示。“0 只在位边界处有电平跳变，而“1 ”在位边 界和位中央都有电平跳变。对o 来说，有1 8 0 度的相移，对1 来说则无相移，b p s k 调制只 有0 。和1 8 0 0 两种相移。 o1 1 o 1 i l 0olo n r z 图2 _ 4b p s k 波形图 8 第二章测井信息传输基础 八八 wvw 图2 - 5b p s k 数字1 言号和调制后的波形对比 从2 5 的图中可以更清晰的看到数字信号的o 和1 对应的调制完成的波形的相位关 系。使用b p s k 的调制方式有以下好处： ( 1 ) 这是一种“自时钟码 ，它无需单独的时钟道和精确的时间传输。时钟瞬时频率 即使有较大的变化( 2 0 3 0 ) ，也不会影响所传输的数据码值。 ( 2 ) b p s k 波形中没有直流成分，易于传输和处理。 ( 3 ) b p s k 调制能有效利用电缆的频带宽度，其位速率与最大传输率之比为1 。 2 2 4 双二进制码( d ) 、调制的双二进制码( m d ) 及不调制变形双二进制 码( u m d ) 方式 d i t s 系统的上传数据用调制的双二进制码，当数据上传速率为2 1 7 6 k b s 时，用不 调制变形双二进制码。 图2 - 6 给出载波为5 4 4 k h z 时不同传输速率的双二进制码和调制双二进制码的波形。 双二进制码是用不同电平来表示“0 ”和“1 ”的，“0 总是用零电平表示，而“1 ”用正 电平或负电平表示。其规律是：相邻两个“l ”之间“0 ”的个数如为偶数，后一个“1 与前一个“l ”的极性相同；反之，相邻两个“1 之间“o ”的个数为奇数，后一个“l 的极性与前一个“1 相反。 对于调制双二进制码，还是用零电平表示“o ，而“1 以载波频率表示，在图2 6 中，载波频率为5 4 4 k h z 。从图中可以看出，当传输速率等于载波频率时，一个完整的 载波周期就代表一个“1 ”，载波的相位取决于双二进制码的极性。当传输速率为2 7 2 k b s 时，两个完整的载波周期代表一个“l ，其余类推。当传输速率为1 0 8 8 k b s 时，由于双 二进制码的一位仅占载波的半个周期，不能被其完整地调制。这是调制双二进制码的一 种特殊情况，其波形如图2 - 6 所示。图2 6 的最下方为不调制变形双二进制码的波形。 这种码的特点是，用同样的带宽，可传输两倍数据量。也就是说，在带宽为0 - 1 0 8 8 k h z 时，传输速率可达2 1 7 6 k b s 。所花代价是信噪比降低，在接收端恢复信号要更困难一些。 9 西安石油入学硕士学位论文 ( 配10 8 黼8 k b 蚂p s ) 叶俨 li 调制的双二进制码悱 双二进制码 ( 5 4 4 k b p s ) 洲一1r hh 厂 双二进制码 ( 2 7 2 k b p s ) 黼啪配粼蚂 nr n 卜 nhn 厂 不调制2 变1 7 鬓6 双k b 盂p s 进制码厂 _ 1 广，v 图2 - 6 各种双二进制码波形图 2 3 七芯测井电缆的传输模式i l o , l l i 测井作业常用的电缆有七芯电缆、单芯电缆和同轴电缆等。单芯电缆主要用于生产 测井。七芯电缆主要用于勘探测井，使用非常广泛，亦可取代单芯电缆进行生产测井。 七芯电缆的通带宽度大约为1 5 0 k h z ，使用它来传输正弦信号要比传输数字信号效果要好 的多，因此，要把要传输的数字信号进行调制之后传输。在接收端再把接收的信号进行 解调，恢复到原来的数字信息。 七芯电缆由七根缆芯组成，缆芯7 在中央，其外围分别为缆芯1 到缆芯6 。测井电 缆的最外层是钢丝编织成的电缆皮，用以增强电缆的抗拉能力。每根缆芯都有一定电阻 值，此值与电缆长度成正比，还与缆芯的直径和材料有关，一般7 0 0 0 米电缆的电阻值在 1 5 0 , - - 2 5 0 f l 范围内。测井电缆的电阻将会造成测井信号传输的损失。另外，每根缆芯都 具有一定的固有电感，七根缆芯平行排列数千米，分布电容很大，各缆芯相互之间的“串 1 0 第二章测井信息传输基础 音干扰不可忽视。所有这些因素都会造成电缆上的传输信号发生畸变。当在某一缆芯 上传输信号时，其余六根缆芯上都要出现感应信号，其幅度、极性和相位各不相同。因 此，任何缆芯上的瞬时电压值，就是加在它上面的电压信号与其它六根缆芯对它感应的 电压的矢量和。 根据测井信息传输系统的要求，图2 7 所示为七芯电缆传输模式，七根缆芯除了要 传输信息外，还要同时向井下仪器供电；恰当地组合这些缆芯，便可减少供电回路与信 号传输回路之间以及被传信号之间的相互干扰。常见的七种电缆传输模式，各种模式的 特点如下： 电 模式4 模式2模式3 式6 模式5 模式7 图2 7 七芯电缆传输模式 模式1 ：由于把外围六根缆芯并联使用，与缆皮构成回路，这种模式的缆芯电阻最 小，分布电容却最大，带宽最小。这是一种不对称的模式，很少采用。 模式2 ：由于缆芯2 、3 和缆芯5 、6 相距较远，相互间绝缘性能好，适于做电源通 道。这种接法对缆皮来说是对称的，故可减少供电缆芯对其它缆芯的串音干扰。 模式3 ：这种模式对信号驱动的要求比较复杂，一般不采用。 模式4 ：这是两种信号的非平衡驱动方式，很少采用。 西安石油大学硕+ 学位论文 模式5 ：与模式2 相似，只不过电缆是交叉相连。模式5 可与模式2 相配合，作为 另一种向井下供电的模式。由于模式5 的频带较宽，故常用做信息传输通道。 模式6 ：此种接法的缆芯电阻值较低，传输速率高，频带亦较宽，可用来传输数据 命令。 模式7 ：缆芯7 居中，与缆皮间的分布电容最小。因此，模式7 具有最平坦的传输 特性，适合用来传输速率高的信息。 e x c e l l 2 0 0 0 成像测井系统使用的传输方式为模式方式【9 】，此模式通过七芯电缆实 现最小交叉干扰来传输信号和电源。 2 4d i t s 数据传输方式1 3 l d i t s 表示d i g i t a li n t e r a c t i v et e l e m e t r ys y s t e m ，是哈里伯顿公司开发的全双工交互式 遥测系统，它主要由井下遥传短节d 4 t g 和地面调制解调面板d 2 m p 以及测井软件组成。 在d i t s 中，地面设备与d 4 t g 之间的数据传输方式主要有两种形式：一种是地面设备 下传至d 4 t g 的数据命令，另一种为d 4 t g 上传至地面的数据。 2 4 1 下传数据命令格式 d i t s 的下传命令是“非同步 式的，即在任何时刻都可以下传命令。下传指令和数 据通过遥测处理单元( t p u ) 处理，经( d 2 m p ) 编码、信号驱动放大，以w 6 模式向下传送 至d 4 t g 。此种传输采用模式w 6 ，利用两组3 芯电缆l 、3 、5 和2 、4 、6 传输数据，通 过地面与井下模式变压器将信号传送到井下，其缆芯电阻低，传输速度高，波段宽。下 行数据采用这种到达d 4 t g 。 从d 2 m p 到d 4 t g 向下传送的数据是速率为9 0 7 k b s 的m a n c h e s t e r 数据格式，下传 的字包含2 0 位，前三位是同步位，紧跟着是1 6 位命令字或数据字，最后一位是奇偶校 验位，根据在同步位中部电平跃变方向，可分出为数据同步或命令同步，因而得知所带 的1 6 位是数据或是命令。上升沿代表数据字，下降沿代表命令字。图2 - 8 是向下传输的 数据帧格式。 日王王口工正旺工 i 同步字卜一命令字一霾篡 同步字卜一数据字霾鏖 图2 - 8 下行命令钙改据字 1 2 第二章测井信息传输基础 2 4 2 上传数据格式 当d 4 t g 把相关指令和数据发送给r t u 后，r t u 控制对应的仪器工作，并将对应 的数据回传给d 4 t g ，数据格式包括状态字和数据字，最大数据是3 2 个字。它的字长仍 是2 0 位，前三位是同步位，紧接着是1 6 位信息位和一位奇偶校验位。同部位的位元中 间的电平变化决定了一个字是状态字还是数据字，上升沿代表数据字，下降沿代表状态 字，上行字的格式如图2 - 9 所示。 在每一帧上行数据中，最开始是1 4 个固定的字：两个同步字，三个b c u 状态字， 两个套管接箍定位字，一个伽马字和六个加速度字。信息模块是由r t u 状态字，r t u 数据字和b c u 板的状态组成的。其格式如图2 1 0 所示。 l 望旦! 唑璺塑! 尘塑 ip a r i t y 图2 9 上行字格式 o v e r h e a do v e r h e a d f r a m e f i r s tb l o c ks e n c o db l o c k f r a m e 一nn寸 n f日 蕞簸蕞赫 赫 砖 _ _ n一 ci 赫t q 蓥 n 巽 鼍 毫t毫 鼍 鼍 赫曩i 谁 谁 稚勺 pt它 鼍 翟8 o 占乏 o o 墨意 事 毫 勺 c 疗 日 舞 三 o苫 三 盈 u e - 3 、u 苗 占；羞 - q 3 稚 卜 赫 勺 oo0oo o 羞弱 2臣 鼍2 苫 它 kk- - 。o 旦 旦 旦旦昱 磐 oo o gg量g g g 母 222222 量 旦皇旦里 皇 里 善 883 883 已 聪 uouoo u g oo 。 ht q 赫赫 鼍它 三三 鼍毫 oo旦兰 oo oo33一j c e - uuuo hh uu 2 51 5 5 3 b 总线特点i s , 1 2 1 图2 i o 上行帧格式 1 5 5 3 b 总线中的控制、数据流、状态报告和总线管理其实都是由三种类型字所提供 的。换句换说，1 5 5 3 b 中所传递的就是这三种类型的字，而作为1 5 5 3 b 接口中重要组成 部分的曼彻斯特解码器，就是要把通过1 5 5 3 b 总线传输的串行的曼彻斯特码数据格式转 换成并行的n r z 码格式，而那些串行的曼码格式字要严格遵守m i l s t d 1 5 5 3 b 总线协 议。 d 4 t g 使用的是有所修改的1 5 5 3 b 协议，同样定义了三种类型字。它们分别为： ( 1 ) 命令字 西安石油大学硕士学位论文 位时间f l 23456789 i ，。l l 1 2 1 1 3 叶5 ，7 均1 2 0 l 命之 萨氅既 同步头 t 瓜 远程终端地址 宁地址膜式位i 字计数方式码f 霎裴 黼蒯望堡粤 卜i 垌步头卜_ 一数据叫兰罢 状态字 i 枞鳓端吲引蓁i 嚣震 错 阻 窟 误 差 图2 i i 总线中三种类型字的格式要求 2 5 i 同步字 所有类型字的头三个码元被称作同步头，同步头的波形在转换跳变过程中，并没有 遵守曼彻斯特码的波形规律，它的跳变是发生在第二个码元的中部，这与曼码在本位中 间发生跳变的状况是不相同的。同步头波形的跳变非常清楚和明显，这样以来，当需要 解码去掉同步头的时候，解码器可以在每个字的开头重新完成同步，保持了数据传递的 稳定性。 1 5 5 3 b 总线定义了两种截然不同的同步字模式：命令状态同步字、数据同步字。 对命令状态同步头来说，在头一个位时和紧接着的一半位时里，波形是呈现正电平 1 4 第二章测井信息传输基础 的状态；而马上的跃变，使得同步波形在余下的一个半位时里都呈现负电平的状态。 对数据同步头来说，情况正好与命令状态同步头相反，在头一个半位时里，波形呈 现负电平状态；跃变后，在后一个半位时里，波形又呈现正电平状态。 2 5 2 命令字 命令字控制远程终端所要进行的动作，只有主动执行操作的总线控制器可以传送命 令字。字的开头就是我们前面介绍过的命令字同步头，它位于整个2 0 位字的头三位。接 下来是1 6 位信息位，它的详细定义可见图2 1 l 。由图可知第4 个位时( 位1 5 ) 为t r ( 发送接收) 位，这一位定义了信息流传递的方向，并且常常以远程终端为基准点，当 t r 为逻辑“1 ”是定义的发送命令，它说明远程终端的状态是发送数据；而当t r 为逻 辑“0 ”则被指定为接收命令，这说明远程终端已作好了接收数据的准备。 位1 4 8 ( 即第5 位时间到第1 1 位时间) 为7 位的远程终端地址位，设置被探测时 的远程终端地址。因为d 4 t g 不能对所有井下仪器的远程终端广播命令，每一个远程终 端必须被单独地探测，即远程终端地址明确了命令所意属的那一部分远程终端( 没有两 个远程终端是有相同地址的) 。远程终端地址有1 2 7 种可能。位1 4 和1 3 设置了测井仪器 的类型。电阻率测井仪为“o o ，声波测井仪为“0 1 ，核测井仪为“1 0 ，其他的测井仪 为“1 1 ”。其余位( 位1 2 8 ) ，设计为仪器的工作模式。例如，全声波测井仪的远程终端 地址为0 1 0 0 0 0 1 。 位7 5 ( 即第1 2 位时间到第1 4 位时间) 是子地址模式位，可以被设置为任何二进 制值从0 0 0 至1 1 0 并且不影响命令。如果子地址模式位全被设置为逻辑1 ( 1 1 1 ) ，它指 的是模式命令。当子地址模式位设置为任何逻辑组合除了l l l 时，接下来的5 位字计数 模式代码位指出了来自于测井仪需求的数据字的数量，根据远程终端的状态字的不例， 可以多达3 2 个数据字。字计数模式代码可以被设置为从0 0 0 0 1 至1 1 1 1 1 代表从第1 个 到3 1 个字。如果字计数模式代码位被设置为0 0 0 0 0 ，3 2 个字将跟迸。当子地址模式位 被设置为1 11 ，字计数模式代码位包含了发送到远程终端的模式代码。模式代码指的是 发送到远程终端的命令为4 位。远程终端检测模式代码并执行被要求的任务。 位4 ( 即第1 5 位时间) ，该位表明了只