（系统工程专业论文）新型遥传测井仪接口电路的设计.pdf

西北工业人学硕士学位论文 摘要 摘 要 遥传测井仪在数控生产测井系统中有着重要作用，它的功能是将井下温度、 压力等参数的测量数据传递到地面仪器。 本文的工作目的是针对传统的遥传测井 仪故障率高， 仪器总线功耗大， 无法实现与石英晶体压力计连接等缺点， 升发一 种新型的可靠性高、功耗低的遥传测井仪。 本文对新型遥传测井仪的设计原理及其数据传输机制进行了说明， 对新型遥 传测井仪接口电路的设计进行了重点介绍。对于压力参数测量接口电路的设计， 本文提出了利用石英压力计进行压力测量并使用 f p g a对石英压力计的输出值 进行处理的解决方法， 大大提高了压力测量精度。 另外文中还对一些参数如流量、 节箍的测量进行了特殊处理。 论文最后还探讨了用单片 f p g a来代替遥传短节和测量接口电路来实现井 下数据采集处理系统的方案。 这种方案可使整个遥传测井仪仅由f p g a 、 传感器 电路及少许外围电路构成， 而不再需要单片机和复杂的外围电路， 使遥传测井仪 大为简化，系统的可靠性高且易于维护。 仿真试验表明， 新型遥传测井仪接口电路的设计方法是实际可行的， 它是对 传统遥传测井仪的较大改进。 关键词:数 控 生 产 测 井 系 统 石 英 压 力 计 f p g a 西北工业大学硕十学位论文 ab s t r a c t t e l e m e t r y l o g g in g i n s t r u m e n t ( t l i ) s e r v e s i m p o r ta n t f u n c t i o n i n c o m p u t e r i z e d p r o d u c t i o n l o g g i n g s y s t e m .i t i s u s e d t o u p li n k m e a s u r e d a t a o f d o w n h o l e s u c h a s t e m p e r a t u r e , p r e s s u r e t o s u r f a c e in s t r u c t i o n s . t h i n k i n g t h e t r a d i t i o n a l t e l e m e t r y t o o l s m a n y b a r r i e r s , g r e a t p o w e r w a s t e o n t o o l b u s a n d i n a b i l i t y t o c o n n e c t t o t h e q u a r t p r e s s u r e tr a n s d u c e r , a n e w k i n d o f t l i h a v e b e e n d e v e l o p e d i n t h i s p a p e r . t h e d e s i g n t h e o r y a n d d a t a t r a n s m i t io n m e t h o d o f t h e n e w t l i a r e e x p l a i n e d i n t h i s p a p e r , b u t i n t e r f a c e d e s i g n o f t h e n e w t l i t a k e a s t r e s s . f o r d e s i g n o f p r e s s u r e m e a s u r e i n t e r f a c e , a n e w w a y i s s h o w e d w h ic h u s e s q u a rt p re s s u r e t r a n s d u c e r t o m e as u r e p r e s s u r e a n d u s e s f p g a t o h a n d l e o u t p u t d a t a o f q u a rt p re s s u re t r a n s d u c e r , i t h as e n h a n c e p r e c i s i o n o f p r e s s u r e m e as u r e g r e a t l y . a g a i n , s o m e s p e c i a l m e a n s a r e t a k e t o d e a l w i t h fl u x a n d o t h e r p a r a m e t e r . i n t h e l a s t , a n e w m e t h o d i s d i s c u s s e d i n t h i s p a p e r , w h i c h c o u l d u s e f p g a t o r e a l i z e d o w n h o l e s y s t e m o f d a t a c o l l e c t i o n a n d m a n a g e m e n t r e p l a c e t e l e m e t r y g a g e a n d m e as u r e i n t e r f a c e c i r c u i t , t h i s m e t h o d m a k e t h e w h o l e t l i c o m p o s e d o f f p g a , s e n s o r c i r c u i t a n d o t h e r c i r c u i t , i n s t e a d o f mc u a n d c o m p l e x e x t e r i o r c i r c u i t , s o b r i n g b r i e f n e s s , h i g h r e l i a b i l i t y a n d e a s y m a i n t e n a n c e t o t h e n e w t l i . s i m u l a t i o n t e s t h a s p ro v e d t h a t t h e d e s i g n m e t h o d o f n e w t l i .i s f e a s i b l e , i t i s a b e tt e r m e n t t o c o n v e n t i o n a l l o g g i n g i n s t r u m e n t . k e y w o r d s : c o m p u t e r i z e d p r o d u c t i o n l o g g i n g s y s t e m , q u a rt p re s s u r e t r a n s d u c e r , f p ga i t 西北工业大学硕 卜 学位论文第 t 章绪论 第一章绪论 1 . 1课题背景 石油是世界各国经济发展所必需的重要能源。我国作为石油消费大国，充 足的石油供应对国家经济的持续发展具有战略意义。为维持经济增长所需的石 油供应量，一方面我们需要从国外大量进口石油;另一方面，就需要我们努力 增强自 身的石油生产与供应能力，重点是提高我们的石油的勘测与开采水平。 石油开采的重要方面就是维持油井的高产和稳产，这就需要对井下油井环境进 行精确测量即测井，以准确判断井况，从而更好的监测和控制井下操作，提高 采油效率。 实际上，测井是一项技术，也是一门学科，其测量原理是在声学、光学、 电、 磁、 热、核等学科的 基础上建立的m 。 测井有广义和狭义之分，广义上的 测井就是指用仪器和电缆通过钻孔测量地层岩石或流体混合物不同的物理、化 学、电子等性质及其变化过程，以此来探明各种地下矿产资源如石油、 天然气、 煤、 金属、 放射性矿产的埋藏位置、 分布特征和储藏量. 通常所讲的测井是指狭 义上的测井，即油井测井，它是测井技术应用的一个主要方面。油井测井就是 在油田生产中通过测量油井的井况来获取油井中油、水、汽的组成含量及储油 层参数如压力、 温度等数据信息， 这些数据信息通过一定方式被传送到地面后， 现场人员即可把其和地质学知识结合起来进行测井解释以确定地层的物理参数 及流体性质等井况。例如:可以计算孔隙度、渗透率、含油饱和度和泥质含量 等参数;可以划分油气水层;对于复杂岩性地层，可识别岩性和裂缝;可了解 注水开发区块的水岩层情况，从而判断剩余油的分布情况;通过多井解释亦可 以对油藏类型、油水关系、产能和储量等进行综合研究。 基本的测井技术有存储式测井和遥传式测井之分。存储式测井技术的原理 为把存储式井下仪器随着管道或利用细钢丝绳收放进井下进行探测，测井时把 采集的数据存到r a m里，测井完毕之后，通过r s - 2 3 2串口与p c机通信，将 记录的数据回传到计算机中形成数据文件， 然后利用数控系统对数据进行处理、 西北工业大学硕 卜 学位论文第 t 章绪论 第一章绪论 1 . 1课题背景 石油是世界各国经济发展所必需的重要能源。我国作为石油消费大国，充 足的石油供应对国家经济的持续发展具有战略意义。为维持经济增长所需的石 油供应量，一方面我们需要从国外大量进口石油;另一方面，就需要我们努力 增强自 身的石油生产与供应能力，重点是提高我们的石油的勘测与开采水平。 石油开采的重要方面就是维持油井的高产和稳产，这就需要对井下油井环境进 行精确测量即测井，以准确判断井况，从而更好的监测和控制井下操作，提高 采油效率。 实际上，测井是一项技术，也是一门学科，其测量原理是在声学、光学、 电、 磁、 热、核等学科的 基础上建立的m 。 测井有广义和狭义之分，广义上的 测井就是指用仪器和电缆通过钻孔测量地层岩石或流体混合物不同的物理、化 学、电子等性质及其变化过程，以此来探明各种地下矿产资源如石油、 天然气、 煤、 金属、 放射性矿产的埋藏位置、 分布特征和储藏量. 通常所讲的测井是指狭 义上的测井，即油井测井，它是测井技术应用的一个主要方面。油井测井就是 在油田生产中通过测量油井的井况来获取油井中油、水、汽的组成含量及储油 层参数如压力、 温度等数据信息， 这些数据信息通过一定方式被传送到地面后， 现场人员即可把其和地质学知识结合起来进行测井解释以确定地层的物理参数 及流体性质等井况。例如:可以计算孔隙度、渗透率、含油饱和度和泥质含量 等参数;可以划分油气水层;对于复杂岩性地层，可识别岩性和裂缝;可了解 注水开发区块的水岩层情况，从而判断剩余油的分布情况;通过多井解释亦可 以对油藏类型、油水关系、产能和储量等进行综合研究。 基本的测井技术有存储式测井和遥传式测井之分。存储式测井技术的原理 为把存储式井下仪器随着管道或利用细钢丝绳收放进井下进行探测，测井时把 采集的数据存到r a m里，测井完毕之后，通过r s - 2 3 2串口与p c机通信，将 记录的数据回传到计算机中形成数据文件， 然后利用数控系统对数据进行处理、 西北工业大学硕上学位论文第 i 章绪论 分析， 从而对测井做出 综合解释。 存储式测井技术由 于其存储器容量都比 较小， 测量周期长，故使其应用受到很大限制。 遥传式测井技术的特点为整个测井系统由井下系统、传输缆线和地面系统 三部分组成，其中井下系统负责采集、整理测量数据和把经过整理后的测量数 据送给传输缆线，传输缆线则负责把测量数据远距离准确无误的及时送往地面 系统，而地面系统负责接收测量数据并对其做出解释。遥传式测井技术的最大 优点是可以对井况进行实时测量且测量周期短，故应用广泛。 根据测井仪一次下井测量参数的多少，遥传式测井技术又有单测和组合测 之分。我国早期采用的是单测技术，每次只能测量一个参数。目 前国内使用的 遥传测井系统多采用是组合式测井技术，每次可以同时测量多种参数，如井下 流量、 流体密度、 含水率、 温度、 压力等， 甚至一次下井能测量所有所需参数。 组合式遥传测井技术的优点主要为可以 对油井进行实时多参数测量，实时监控 油井井况，这样就可以在地面同时对各测量数据进行实时分析处理，通过比较 个参数数据值，亦可发现油井潜在规律，并且其测量周期短，经济高效。组合 式遥传测井技术的缺点主要是由于需进行多参数采集和传输，故采用这种技术 的遥传测井仪其开发、维护成本都较高。由于组合式遥传测井技术应用较多， 故通常把其直接称之为遥传测井技术。 近年来科学技术的快速进步使得测井技术不断朝着系列化、数字化和标准 化的方向发展。目 前，国内外己经有十几类共5 0 多种测井技术和方法相继投入 生产使用，例如:数控测井、成像测井、侧向测井、球形聚焦测井、裂缝识别 测井、 单， 双感应测井、 随钻测井、相位介电测井、 极化电位测井、 声波测井、 核测井 ( 包括自 然伽马测井、自 然伽马能谱测并、中子伽马测井、放射性同位 素测井等) 、 井内流体电阻率测井、 气测井、 射孔和井壁取芯等。 这些测井技术 和方法的应用大大提高了 测井效率，促进了测井行业技术水平的提高。 特别是 在原有的测井技术基础上形成的先进的数控测井技术、成像测井技术和核磁共 振测井技术一直被测井行业所重视和研究， 亦代表了测井技术的一个发展方向。 数控测井技术是 在计 算机控 制下的 测 井高 技术， 故又 称计算机 测井 技术 z 1 它是在早期的数字测井技术上发展而来的，是一种先进的遥传测井技术。数控 测井技术除具有数字化、 标准化、自 动化的 特点外还具有多参数数据的实时采 西北t业大学硕士学位论文第 1 章绪论 集、处理、解释、测量数据可远距离传输以 及测量精度高的优点。数控测井系 统是采用数控测井技术的实时测井系统， 它是一个集数据的采集、 传输、 处理、 解释和记录功能于一体的完整的测井系统，数控测井系统目 前在国内外测井行 业中应用己很广泛。从系统的功能构成来看，数控测井系统由测量仪器、遥传 短节、单芯电缆、地面预处理设备和计算机系统共五部分组成。 数控测井系统组成如图1 . 1 所示: 算机 计算机总线 图1 . 1 数控测井系统组成图 测量仪器主要包括各参数的传感器电路及测量接口电路，参数传感器电 路 负责把各参数信号转变为可测量的电信号或频率信号，而测量接口电路负责对 来自于传感器电路的电信号或频率信号进行相应整理并把其互不干扰的通过仪 器总线送往遥传短节。 遥传短节是数控测井系统的井下数据处理单元，它一方面接收从各测量仪 器传送来的参数测量数据，另一方面对测量数据进行处理并把其整理成一定的 格式送往单芯电缆。 单芯电缆是数控生产测井系统中井下仪器与地面系统之间进行数据传输的 工具。实际上，单芯电缆是一种传输信息的载体，其芯是一根缆芯，外层是钢 西北工业大学硕 t 学位论文第 1 章绪论 丝编织成的电缆皮，用以增强电缆的抗拉力，故也称恺装电缆。采用单芯电缆 作为长距离传输线是由测井作业中对下井传输缆线的特殊要求所决定的，而且 这种单芯电缆应既可以为井下仪器供电又可以传输多参数数据。 地面预处理设备和计算机系统又合称为地面系统。地面预处理设备的功能 主要是通过单芯电缆接收井下参数数据和对参数数据进行预处理以使这些数据 变成能被计算机所接受的数据格式，最后把其通过总线送往计算机处理。 系统组成图中的计算机实际上是一个由计算机组成的测井解释系统，当它 接收到数据后即可通过运行测井解释软件来对数据进行分析，并可对分析结果 进行图形或曲线显示、打印、记录等，以使人们准确获知井况信息。 1 . 2遥传测井仪及其发展介绍 本文所要介绍的遥传测井仪是数控测井系统的重要组成部分。在数控测井 系统中人们常把井下的遥传短节、测量接口电路及测量仪器的传感器电路统称 为遥传测井仪。 遥传测井仪负责整个井下的数据采集、数据处理及把数据通过 单芯电 缆向 地面系统传送。 遥传测井仪的组成框图如图1 . 2 所示。 图1 . 2 遥传测井仪的组成框图 实际应用中，遥传测井仪常按照功能分为不同的节，每一节是一支仪器。 西北工业大学硕 t 学位论文第 1 章绪论 丝编织成的电缆皮，用以增强电缆的抗拉力，故也称恺装电缆。采用单芯电缆 作为长距离传输线是由测井作业中对下井传输缆线的特殊要求所决定的，而且 这种单芯电缆应既可以为井下仪器供电又可以传输多参数数据。 地面预处理设备和计算机系统又合称为地面系统。地面预处理设备的功能 主要是通过单芯电缆接收井下参数数据和对参数数据进行预处理以使这些数据 变成能被计算机所接受的数据格式，最后把其通过总线送往计算机处理。 系统组成图中的计算机实际上是一个由计算机组成的测井解释系统，当它 接收到数据后即可通过运行测井解释软件来对数据进行分析，并可对分析结果 进行图形或曲线显示、打印、记录等，以使人们准确获知井况信息。 1 . 2遥传测井仪及其发展介绍 本文所要介绍的遥传测井仪是数控测井系统的重要组成部分。在数控测井 系统中人们常把井下的遥传短节、测量接口电路及测量仪器的传感器电路统称 为遥传测井仪。 遥传测井仪负责整个井下的数据采集、数据处理及把数据通过 单芯电 缆向 地面系统传送。 遥传测井仪的组成框图如图1 . 2 所示。 图1 . 2 遥传测井仪的组成框图 实际应用中，遥传测井仪常按照功能分为不同的节，每一节是一支仪器。 西北工业大学硕士学位论文第 i 章绪论 遥传短节主要用来接收各测量仪器的数据，并将数据整理成一定的格式通过单 芯电缆传送到地面。实际上，遥传短节是井下测量仪器与地面解释系统之间采 集、整理、发送数据的中转站。它向连接在其下的各测量仪器寻址，采集对应 仪器的数据， 再将采集数据调制成曼彻斯特码后通过单芯电缆传输到地面系统， 地面系统对接收到的曼彻斯特码进行信号整形恢复、解码、串并转换、奇偶位 有效检查和数据锁存，最后把数据送往计算机进行分析处理，从而得到井 卜 的 各种参数信息。 测量仪器与遥传短节之间通过仪器总线进行数据传递。测量接口电路把来 自 于传感器电路的参数数据整理成一定的格式发送到仪器总线上，而遥传短节 一方面从仪器总线上接收各测量仪器的数据，一方面通过仪器总线向各测量仪 器寻址并由仪器总线向各测量仪器供电。 至于数据传输方式， 在测井行业中，遥传测井仪多采用时分复用3 的 方式 传输数据，即在数据传输过程中，各测量仪器数据按一定的数据传输机制轮流 占 用仪器总线和单芯电缆，这样传输线的利用率就会大大提高。 为了能够准确探测到井中油、水、汽的比重及储油层参数如压力、温度、 密度等，目 前国内外的遥传测井仪常采用压力仪、温度仪、密度仪、流量仪、 含水率仪、自 然伽码仪和套管节箍仪七支测量仪器对井况进行测量。 下面简述一下遥传测井仪的发展情况。 国内原始遥传短节采用的是d d l - i i i 技术4 ， 这是国 外八十年代的技术， 仪 器在遥传短节中 采用了8 位微处理器c o p 1 8 0 2 作为控制单元，但c o p 1 8 0 2 没 有片内r o m和串行通讯端口，需要可编程只读存储器 wt 8 0 1 4和通用异步接 收/ 发射器u a r t 6 4 0 2 的配合才能完成数据的采集控制和数据调制。 仪器控制过 程如下:微处理器寻址片外r o m，并执行其内容;将仪器地址向u a r t发送， 通过 u a r t将地址发送给井下测量仪器，与地址匹配的仪器将数据送回给 u a r t ， 再由c o p 1 8 0 2 及wt 8 0 1 4 读出u a r t 接收到的仪器数据， 并将数据调 制成曼彻斯特码输出到单芯电 缆。 该仪器的c o p 1 8 0 2 和 ( u a r t ) 6 4 0 2 等器件 不仅价格昂贵，而且难以购买，给仪器的正常生产和维修带来极大的不便。 目 前国内常用的遥传测井仪其技术都是在d d l - i i i 上发展来的， 它采用单片 机对原始遥传测井仪进行了改进。该仪器在每一支测量仪器的接口电路中都包 西北工业大学硕士学位论文第 i 章绪论 含一 个单片机电路，他们各自 都分配有地址。遥传短节中的单片机直接发送地 址，地址匹配的测量仪器单片机将数据通过仪器总线传送到遥传短节中，遥传 短节中的单片机接收数据，并对数据进行处理，最后将数据调制成曼彻斯特码 输出到单芯电缆。该遥传测井仪多采用8 9 c 2 0 5 1 单片机作为遥传短节的控制器 件，它不再需要外扩程序存储器和 u a r t ，而且易于购买，这对原始遥传短节 的不足有了很大的改进。但这种遥传测井仪仍存在一些不足:采用双向通信， 总线上功耗比较大;单片机在井下高温高压的工作环境中故障率也较高，直接 影响了仪器整体的可靠性和稳定性;无法与石英晶体压力计进行连接，实现高 精度的压力测量。 同时，国外的遥传测井技术亦在快速发展，其技术水平约领先国内十年。 西方三大测井公司斯伦贝谢 ( s c h l u m b e r g e r ) 、阿特拉斯( a t l a s ) 、哈利伯顿 ( h a l l i b u r t o n ) 一方面不断完善其数控测井技术，改 进遥传测井仪， 如斯伦贝 谢公 司的 仪器p l a t f o r m e x p re s s 将密度、中 子、电阻率测量和遥传短节集成在一起， 重量和抗震性都有很大提高，另一方面，正大力研制和推广其成像测井技术， 如新型仪器方位电阻率成像测井仪a r i 可对井周岩性、 裂缝特性进行详细描述。 测井技术的快速发展要求我们在跟踪和引进国外先进技术的同时，应注重 技术创新，努力提高自己的研发水平，不断缩小与国外同行的差距。特别是在 当前，应进一步完善我们的数控测井技术，研制新的遥传测井仪。 2 0 世纪末， 英国s o n d e x公司推出一种新型测井仪。 这种新型测井仪采 用仪器总线上的正脉冲同步，以正脉冲后的负脉冲代表数据， 其测量仪器的接 口电路完全采用硬件电路实现，可靠性高且总线功耗低，对传统遥传测井仪有 很大改进，这种测井仪国内还没有引进。本文所介绍的新型遥传测井仪的设计 正是借鉴了s o n d e x新型测井仪的设计原理。 1 . 3本文主要工作 前已述及，目 前国内使用的遥传测井仪具有诸多不足，测井行业要求对其 进行改进，研制新型遥传测井仪。 新型遥传测井仪的设计要求严格、技术复杂、工作量大，其主要任务可分 为遥传短节设计、接口电路设计和测量仪器的传感器电 路设计三大部分。由于 西北工业大学硕士学位论文第 i 章绪论 含一 个单片机电路，他们各自 都分配有地址。遥传短节中的单片机直接发送地 址，地址匹配的测量仪器单片机将数据通过仪器总线传送到遥传短节中，遥传 短节中的单片机接收数据，并对数据进行处理，最后将数据调制成曼彻斯特码 输出到单芯电缆。该遥传测井仪多采用8 9 c 2 0 5 1 单片机作为遥传短节的控制器 件，它不再需要外扩程序存储器和 u a r t ，而且易于购买，这对原始遥传短节 的不足有了很大的改进。但这种遥传测井仪仍存在一些不足:采用双向通信， 总线上功耗比较大;单片机在井下高温高压的工作环境中故障率也较高，直接 影响了仪器整体的可靠性和稳定性;无法与石英晶体压力计进行连接，实现高 精度的压力测量。 同时，国外的遥传测井技术亦在快速发展，其技术水平约领先国内十年。 西方三大测井公司斯伦贝谢 ( s c h l u m b e r g e r ) 、阿特拉斯( a t l a s ) 、哈利伯顿 ( h a l l i b u r t o n ) 一方面不断完善其数控测井技术，改 进遥传测井仪， 如斯伦贝 谢公 司的 仪器p l a t f o r m e x p re s s 将密度、中 子、电阻率测量和遥传短节集成在一起， 重量和抗震性都有很大提高，另一方面，正大力研制和推广其成像测井技术， 如新型仪器方位电阻率成像测井仪a r i 可对井周岩性、 裂缝特性进行详细描述。 测井技术的快速发展要求我们在跟踪和引进国外先进技术的同时，应注重 技术创新，努力提高自己的研发水平，不断缩小与国外同行的差距。特别是在 当前，应进一步完善我们的数控测井技术，研制新的遥传测井仪。 2 0 世纪末， 英国s o n d e x公司推出一种新型测井仪。 这种新型测井仪采 用仪器总线上的正脉冲同步，以正脉冲后的负脉冲代表数据， 其测量仪器的接 口电路完全采用硬件电路实现，可靠性高且总线功耗低，对传统遥传测井仪有 很大改进，这种测井仪国内还没有引进。本文所介绍的新型遥传测井仪的设计 正是借鉴了s o n d e x新型测井仪的设计原理。 1 . 3本文主要工作 前已述及，目 前国内使用的遥传测井仪具有诸多不足，测井行业要求对其 进行改进，研制新型遥传测井仪。 新型遥传测井仪的设计要求严格、技术复杂、工作量大，其主要任务可分 为遥传短节设计、接口电路设计和测量仪器的传感器电 路设计三大部分。由于 两北工业大学硕士学位论文第 1 章绪论 测量仪器的传感器电路在多年的测井实践中已经比较成熟、完善，而遥传短节 及部分接口电路的设计工作前面已有人做过，故本文的主要工作是对新型遥传 测井仪部分接口电路的设计。 压力参数的测量在多参数测井中起着重要作用，采用石英压力计进行高精 度的压力测量己成为测井行业的发展趋势，但因石英压力计输出的信号频率较 高，不能直接被遥传短节中的单片机所接收，故须对其进行特殊处理。本论文 介绍了石英压力计的特性，说明了利用其高频输出 信号计算压力频率和温度频 率的方法， 并利用硬件描述语言v h d l 和f p g a对石英压力计接口电路进行了 重新设计。 另外文中对一些参数的测量还进行了特殊处理。对于流量参数的测量，因 其数据不但要反映大小还要反映方向，故采用了正转数据和反转数据占用两道 传输的方法对其进行处理。对于节箍参数的测量，因其输出为模拟量，故需先 对其进行模拟量到频率量的转换后再处理。 最后，本文还探讨了用单片f p g a来代替遥传短节和测量接口电路来实现 井下数据采集及处理系统的方法。这种方法可使整个遥传测井仪仅由f p g a , 传感器电路及少许外围电路构成，而不再需要单片机和复杂的外围电路，使遥 传测井仪大为简化，系统的体积小、可靠性高、易于维护、且便于功能扩展。 西北工业大学硕 七 学位论文 第2 章 v h d l 及f p g a开发介绍 第二章v h d l 及f p g a 开发介绍 2 . 1 v h d l 硬件描述语言介绍 2 . 1 . 1 v h d l 概述 u h d l是由美国国防部为描述电子电路所开发的一种语言，其英文全名是 ( v e r y - h i g h - s p e e d i n t e g r a t e d c i r c u i t ) h a r d w a r e d e s c r i p t i o n l a n g u a g e , 它诞生于1 9 8 2 年。 1 9 8 7 年底， v h d l 被工 e e e 和美国国防部确认为标准硬件描述 语言。 6 1 自工 e e e 公布了v h d l 的 标准版本后， 各e d a 公司相继推出了自 己的v h d l 设计环境，或宣布自己的设计工具可以和v h d l 接口。此后v h d l 在电子设计领 域得到了广泛的接受，并逐步取代了原有的非标准的硬件描述语言。1 9 9 3 年， 工 e e e 对v h d l 进行了修订，从更高的抽象层次和系统描述能力上扩展v h d l 的内 容，公布了 新版本的v h d l 。现在， v h d l 和v e r i l o g 作为工 e e e 的工业标准硬件 描述语言，又得到众多f d a公司的支持，在电子工程领域，己成为事实上的通 用硬件描述语言。有专家认为，在新的世纪中，v h d l 与v e r i l o g 语言将承担起 大部分的数字系统设计任务。 从本质上来说， v h d l 可被视作是一种用于设计硬件电子系统的计算机语言， 它通过形式化方法来描述数字电路和设计数字逻辑系统，是硬件电路设计人员 与e d a 工具之间沟通的桥梁。 v h d l 用软件编程的方式来描述电 子系统的逻辑功 能、 电 路结合和连接形式， 建立电子系统行为级的 模拟模型， 并利用计算机的巨 大能力对 u h d l建模的复杂数字逻辑进行模拟， 然后再利用逻辑综合工具自动生 成符合要求且在电路结构上可以实现的数字逻辑网表( n e t l i s t ) 。 根据网 表和某 种_ 艺进行版图设计， 然后生成该工艺条件下电路的延时模型， 模拟验证无误后 用于制造a s i c 芯片或者写入c p l d 和f p g a 器件中。 v h d l 设计并不十分关心一个具体逻辑是靠何种方式实现的，设计人员不需 通过门级原理图描述电路，而是针对目 标进行功能描述，把开发者的精力集中 到逻辑所实现的功能上，将设计人员的工作重心提高到了系统功能的实现与调 试上，只需花较少的精力用于物理实现。由于摆脱了电路细节的束缚，设计人 西北工业大学硕 七 学位论文 第2 章 v h d l 及f p g a开发介绍 第二章v h d l 及f p g a 开发介绍 2 . 1 v h d l 硬件描述语言介绍 2 . 1 . 1 v h d l 概述 u h d l是由美国国防部为描述电子电路所开发的一种语言，其英文全名是 ( v e r y - h i g h - s p e e d i n t e g r a t e d c i r c u i t ) h a r d w a r e d e s c r i p t i o n l a n g u a g e , 它诞生于1 9 8 2 年。 1 9 8 7 年底， v h d l 被工 e e e 和美国国防部确认为标准硬件描述 语言。 6 1 自工 e e e 公布了v h d l 的 标准版本后， 各e d a 公司相继推出了自 己的v h d l 设计环境，或宣布自己的设计工具可以和v h d l 接口。此后v h d l 在电子设计领 域得到了广泛的接受，并逐步取代了原有的非标准的硬件描述语言。1 9 9 3 年， 工 e e e 对v h d l 进行了修订，从更高的抽象层次和系统描述能力上扩展v h d l 的内 容，公布了 新版本的v h d l 。现在， v h d l 和v e r i l o g 作为工 e e e 的工业标准硬件 描述语言，又得到众多f d a公司的支持，在电子工程领域，己成为事实上的通 用硬件描述语言。有专家认为，在新的世纪中，v h d l 与v e r i l o g 语言将承担起 大部分的数字系统设计任务。 从本质上来说， v h d l 可被视作是一种用于设计硬件电子系统的计算机语言， 它通过形式化方法来描述数字电路和设计数字逻辑系统，是硬件电路设计人员 与e d a 工具之间沟通的桥梁。 v h d l 用软件编程的方式来描述电 子系统的逻辑功 能、 电 路结合和连接形式， 建立电子系统行为级的 模拟模型， 并利用计算机的巨 大能力对 u h d l建模的复杂数字逻辑进行模拟， 然后再利用逻辑综合工具自动生 成符合要求且在电路结构上可以实现的数字逻辑网表( n e t l i s t ) 。 根据网 表和某 种_ 艺进行版图设计， 然后生成该工艺条件下电路的延时模型， 模拟验证无误后 用于制造a s i c 芯片或者写入c p l d 和f p g a 器件中。 v h d l 设计并不十分关心一个具体逻辑是靠何种方式实现的，设计人员不需 通过门级原理图描述电路，而是针对目 标进行功能描述，把开发者的精力集中 到逻辑所实现的功能上，将设计人员的工作重心提高到了系统功能的实现与调 试上，只需花较少的精力用于物理实现。由于摆脱了电路细节的束缚，设计人 巫些些些塑一 些 一垄 竺婆第 z 章 v h d l 及f p g a 开 发 介 绍 员可以专心于设计方案和构思，使得设计工作省时省力，加快了设计周期，故 受到硬件设计者的青睐。 2 . 1 . 2 v h d l 的主要特点 v h d l 具有很好的 硬件描述能力， 它可用于描述数字系统的结构、 行为、 逻 辑功能和接口。 与 其它硬件描述语言相比， v h d l 具有更强的逻辑行为描述能力， 这种强大的描述能力可以使人们避开具体的器件结构去设计复杂的、大规模的 电子系统。 前面说 过， v h d l 是一 种 用于设 计硬件电 子系 统的 计算机 语言 f8 l 。 实 际上， 除了含有许多具有硬件特征的语句外， v h d l 的语言 形式、描述风格与句法都十 分类似于一般的计算机高级语言，如c 语言。 u h d l 的程序结构特点是将一项工程设计， 或称设计实体( 可以是一个元件， 一个电路模块或一个系统)分成外部 ( 或称可视部分， 即端口) 和内部 ( 或称不 可视部分) ，即把实体的内部功能和外部接口分开来描述。 在对一个设计实体定 义了 外部接口后，一旦其内部开发完成后，其他的设计就可以直接调用这个实 体。这种将设计实体分成内外部分的概念是v h d l 系统设计的基本特点。 此外，利用v h d l 进行设计还具有以下优点或特点: ( 1 ) v h d l 具有宽范围的描述能力。 v h d l能支持系统级 ( 算法、数据通路、 控制) 、行为级 ( 寄存器传输级)和门级 ( 门电路) 三个不同层次的设计，这样 设计师在从顶层到底层设计的全过程中均可方便地使用同一种语言。 u h d l 的宽 范围描述能力使它成为高层次设计的核心，从而决定了它成为系统设计领域最 佳的硬件描述语言 之一。 ( 2 ) 与另外一门 硬件描述语言v e r i l o g h d l 相比，v h d l 更善于描述高层的一 些设计，而且v h d l 更适合大规模系统的设计，例如一个3 2 位的加法器，利用 图形输入5 0 0 至 1 0 0 0 个门， 而利用u h d l 语言只需要书写一行 “ a = b + c ”即可。 ( 3 ) v h d l有丰富的仿真语句和库函数，这使得在任何大系统的设计早期就 能查验设计系统功能的可行性，随时可对设计进行仿真模拟，这保证了设计的 正确性，大大提高了设计效率。 ( 4 ) 用v h d l 语言编写的源程序具有可读性强、易于编译、便于文档管理等 西北1 业人学硕十 学位论文第z 章v h d l 及f p g a开发介纠 优点。此外， 用源代码描述来进行复杂控制逻辑的设计，既灵活方便，又便于 设计结果的交流、保存和设计重用。 ( 5 ) v h d l语句的行为描述能力和程序结构，决定了它具有支持大规模设计 的层次分解和己 有设计的再利用功能。 ( 6 ) 针 对v h d l 设计， 现在己 开发出了 很多e d a工 具19 1 ， 如a l t e r a 公司的 m a x + p l u s , q u a r t u s , s y n p l i c i t y 公司的s y n p l i f y , m e n t o r g r a p h i c s公司的 m o d e s i m 等。对于用v h d l 完成的一 个确定的设计，可方便的利用这些工具进行 功能仿真、逻辑综合和优化，自 动地把v h d l 描述设计转变成门级网表。 ( 7 ) v h d l对设计的描述具有相对独立性， 在初始设计时，设计者可以不懂 硬件的结构，也不必管最终设计实现的目 标器件是什么而进行独立的设计。 ( 8 ) v h d l 的设计不依赖于 特定的 器件， 方便了 工艺 的 转换。 ( 9 ) v h d l 是一个标准语言，为众多的e d a厂商支持，因此移植性好。 2 . 1 . 3用v h d l 进行p l d / f p g a 设计的流程 p l d 即可编程逻辑器件， f p g a 即 现场可编程门阵列。 如图2 . 1 所示， 用v h d l 语言 开发p l d / f p g a 的完整流程为 110 1 : 1 ) 文本编辑: 用任何文本编辑器都可以进行， 也可以用专用的h d l 编辑环境。 通常v h d l 文件保存为. v h d 文件。 2 ) 功能仿真:将经过编辑的文件调入h d l仿真软件进行功能仿真，检查逻辑 功能是否正确 ( 也叫前仿真，仿真过程没有加入时序信息，不涉及具体器件的 硬件特性.如延时特性;对简单的设计可以跳过这一步，只在布线完成以后， 进行时序仿真) 。 3 ) 逻辑综合:将经过功能仿真后的源文件调入逻辑综合软件进行综合，即把 语言综合成最简的布尔表达式和信号的连接关系。逻辑综合软件会生成. e d f ( e d i f )的e d a 工业标准文件。 4 ) 布局布线: 将. e d f 文件调入p l d 厂家提供的软件中进行布线，即把设计好 的 逻辑安放到p l d / f p g a 内。 5 ) 时序仿真:需要利用在布局布线中获得的精确参数，用仿真软件验证电路 的时序 ( 也叫后仿真，它是接近真实器件运行的仿真) 。 西北一 ! 业大学硕士学位论文第2 章v h d i . 及f p g a开发介绍 6 ) 编程下载:确认仿真无误后，将文件下载到芯片中。 设计要求 图2 . 1 用 v h d l 进行 p l d / f p g a 设计的流程 通常以上过程可以都在 p l d / f p g a厂家提供的开发工具 ( 如 m a x + p l u s , s y n p l i f y , m o d e s i m 等)中完成， 但许多集成的p l d 开发软件只支持v h d l 语言 或v e r i l o g 语言的子集， 可能造成少数语法不能编译，这时如采用专用h d l 工 具分开执行，效果会更好。 2 . 1 . 4 v h d l 的设计优化 用v h d l 语言设计电 路的最终目 的是将设计思想通过目 标器件体现出 来，并 西 北 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文$p 2 皇 v f s d l 竺p g a :型r / i兰 实现系统功能， 所以降低v h d l 设计在目 标器件的资源占用率是设计成功与否的 关键。尽管目 前各种 u h d l 设计平台均具有逻辑化简及优化功能，但由于 v h d l 描述方法、设计规划的优劣和逻辑设计 一 等对电路结构都有 一 定的影响，不合理 的v h d l 设计往往占 用过多的功能块( f b ) ， 甚至使得不能在目 标器件中适配， 所 以应注意以 卜 简化电路的三个方面。 ( 1 ) 在编写程序之前，要对整个设计进行较深入的了解，随后对任务、 功能进 行科学划分和层次化设计。设计层次的划分应该按照功能边界来进行，并使得 各个模块之间的 1 / 0 连接最少。而层次化设计要求把低层设计优化和高层设计 优化结合起来，当完成一个低层设计优化后，设计者可以在开发工具中通过选 项设置，跨越功能模块的边界对设计进行优化，从而使电路结构更加合理。 ( 2 ) 合理进行引脚锁定。在单元分配时做到: 在所有功能块之间扩展输出; 在功能块内均匀地扩展宏单元， 交替不利用的宏单元; 利用公共输入分配输出到系统的功能块; 逻辑输入和输出不利用全局引脚，除非全局引脚不需要。 ( 3 ) 在 v h d l设计中，要注意不必要的寄存器描述，否则既影响电路的工作速 度，又占用不必要的 硬件资源。例如，如果希望将进程中的某些计算结果存储 在触发器中，而另一些值可以不随时钟的控制而独立发生改变，最有效的办法 是将这种类型的逻辑行为描述分别放在两个进程中完成，然后利用信号来完成 两个进程的通信，这样可有效地降 低寄存器数目。另外， 要注意慎用工 f . . . e l s e 等能描述自 身值代入的语句。 2 . 1 . 5用v h d l 进行设计的体会 u h d l 既是一门语法相当严格的 语言， 又是一门高效而灵活的语言， 其进行p l d / f p g a 设计中，得出了一下体会: 1 ) v h d l 与原理图 输入法的 关系 在p l d / f p g a 设计中， 应把v h d l 和原理图 输入结合起来进行设计， 利用v h d l 的可移植性好、 使用方便以及原理图输入的可控性好、 直观、 的优点。 在利用 以充分 效率高 西北工业人学硕上学位论文第2 章v h d l 及f p g a开发介绍 2 ) v h d l 程序 “ 可综合” 性的问 题 v h d l 可用于系统仿真和硬件实现。所有的v h d l 描述都可以 用于仿真，但 不是所有的v h d l 描述都能用硬件实现即 “ 可综合”。 不可综合的h d l 语句在 软件综合时将被忽略或者报错。 3 )应合理选择信号、变量及数据类型 v h d l 是一种硬件描述语言，其信号、 变量均具有硬件特性，并且信号 与变 量采用不同的数据类型对硬件资源的占用是不同的。变量赋值不仅具有软件效 应，而且具有硬件意义，这一点尤其需要注意。另外，变量有效范围只能局限 在单个进程或子程序中，要想将其值带出与其余进程，必须借助信号。 4 ) b u f f e r 端口的使用 b u f f e r端口具有回读功能，也即内部反馈，但在设计时最好不要使用 b u f f e r ， 因为b u f f e r 类型的端口 不能连接到其他类型的 端口 上， 无法把包含该 类型端口的设计作为子模块元件例化，不利于大型设计和程序的可读性。 5 )关于进程使用的问题 进程 ( p r o c e s s ) 是v h d l 中最为重要的部分， 大部分设计都会用到p r o c e s s 结构，进程使用应注意以下问 题: a ) 一个进程中不允许出现两个时钟沿触发。 b ) 当出现多层 i f 语句嵌套时，最好采用 c a s e 语句替代，一是减少多层嵌 套带来的延时，二来可以增强程序的可读性。 c ) 顺序语句如i f 语句、c a s e 语句、 l o o p 语句、变量赋值语句等必须出 现 在进程、函数或子程序内部，而不能单独出现在进程之外。 d ) 进程内部是顺序执行的，