（通信与信息系统专业论文）测井信号编解码的软硬件实现.pdf

：s 0： l j ，j i 摘要 测井是一种井下石油地球物理勘探方法。它采用专门的仪器设备，沿井眼测 量地层岩石的电、声、核、热、力等物理特性随深度变化的过程，用于发现油气 藏、评估油气储量及其产量。测井方法及其仪器的更新换代，最能反映测井学科 的发展过程和技术进步。我国经历了半自动测井仪、全自动测井仪、数字测井仪 的发展阶段，目前正在发展数控测井仪。 本文就是为适应这一发展的需要，研究了数控测井仪的功能及不同测井信号 的特点，提出了数控测井仪数据采集系统的设计方案。采用d s p 系统作为硬件平 台构成数控测井设备的数据采集系统，利用数字信号处理芯片实现了不同测井信 号的软解码。其中，重点研究了较差的电缆传输特性给测井信号传输带来的不利 影响。针对连接不同的后台测井仪器使测井信号产生了漂移和畸变，提出了可行 的处理办法。还研究了应用软件方法解决位同步和处理不同形式信号的相关算法。 实验证明：该系统优化了原数字测井设备的组成和构造，有效地减轻了测井信号 经电缆传输后的负面影响，提高了测井信号的处理效率和可靠性，具有广阔的应 用前景。 关键词：测井信号编解码 o s p数据采集 ， - t 一 - i 謦 a b s t r a c t l o g g i n gi sak i n do fg e o p h y s i c se x p l o i t a t i o nm e t h o do fp e t r o l e u m i ta d o p t s s p e c i a li n s t r u m e n t st om e a s u r et h ev a r i a t i o no fe l e c t r i c i t y ，s o u n d ，n u c l e u s ，h e a t ，f o r c e a n de t c p h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fr o c kw i t ht h ed e p t ha l o n gt h ew e l ls ot h a ti ti su s e d f o rf i n d i n gt h eo i lg a sh i d i n ga n da s s e s s i n gt h er e s e r v e so fo i lg a sa n di t so u t p u t t h e d i s c i p l i n em e t h o do fl o g g i n ga n dt h eu p d a t eo fi t si n s t r u m e n t sr e f l e c ti t se v o l u t i o na n d t e c h n o l o g i c a lp r o g r e s s o u rc o u n t r yh a se x p e r i e n c e dt h ed e v e l o p i n gs t a g ew h e n s e m i a u t o m a t i cl o g g i n ga p p e a r a n c e ，f u l l - a u t o m a t i cl o g g i n ga p p e a r a n c ea n dd i g i t a l l o g g i n gi n s t r u m e n t a tp r e s e n t ，t h ed i g i t a l - c o n t r o ll o g g i n gi n s t r u m e n ti sd e v e l o p i n g r a p i d l y t h i sa r t i c l em e e t st h en e e d so ft h i sd e v e l o p m e n ts ot h a ti ts t u d i e st h ef u n c t i o no f t h ed i g i t a l c o n t r o ll o g g i n gi n s t r u m e n t sa n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fd i f f e r e n tl o g g i n g s i g n a l s f u r t h e rm o r e ，i tp r o p o s e s t h ed e s i g no fd a t a a c q u i s i t i o ns y s t e mi n d i g i t a l c o n t r o ll o g g i n ga p p e a r a n c e i ta d o p t sd s ps y s t e ma st h eh a r d w a r ep l a t f o r mt o c o n s t i t u t et h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mi nd i g i t a l c o n t r o ll o g g i n ga p p e a r a n c ea n du t i l i z e s t h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o rt or e a l i z et h ed e c o d i n gs o f t l yo fd i f f e r e n tl o g g i n gs i g n a l s a m o n gt h e m ，t h et r a n s m i ti n f l u e n c eb r o u g h tt ot h el o g g i n gs i g n a lt h r o u g ht h el o g g i n g c a b l ei ss t u d i e dc a r e f u l l y i na d d i t i o n ，i tp u t sf o r w a r ds o m ef e a s i b l em e t h o dt od e a l w i t ht h el o g g i n gs i g n a lw i t hd i f f e r e n td i s t o r t i o nb yc o n n e c t i n gd i f f e r e n tl o g g i n g e q u i p m e n t sa n dh a sa l s os t u d i e dt h em e t h o do ft h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r et os o l v et h eb i t s y n c h r o n i s ma n dt h er e l e v a n ta l g o r i t h mo fd i f f e r e n tl o g g i n gs i g n a l s t h ee x p e r i m e n t p r o v e s ：t h i ss y s t e mh a so p t i m i z e dt h ef o r m e re q u i p m e n t so fl o g g i n gw e l lt os o m e e x t e n ta n di m p a i r e ds o m en e g a t i v ei n f l u e n c eo nt h el o g g i n gs i g n a lt r a n s m i t t e db yt h e l o g g i n gc a b l ee f f e c t i v e l y t r e a t m e n te f f i c i e n c ya n dd e p e n d a b i l i t yo f t h el o g g i n gs i g n a l p r o c e s s i n gh a v er a i s e de i t h e r a b o v ea l l ，t h i ss y s t e mh a sw i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c t s k e y w o r d ：l o g g i n gs i g n a lc o d i n ga n dd e c o d i n g d s pd a t aa c q u i s i t i o n ， i i 录 第二章工作方式和仿真实现7 2 1 测井信号类型及特点j 7 2 1 1 信号类型7 2 1 2 信号特点8 2 2 信号处理仿真11 2 2 13 5 0 6 工作方式1 1 2 2 2t c c 工作方式1 2 2 3 算法实现1 3 2 4 仿真结果及讨论1 4 2 4 13 5 0 6 结果分析1 4 2 4 2t c c 结果分析1 6 第三章硬件系统设计与实现1 9 3 1 硬件系统及性能描述1 9 3 1 - l3 5 0 6 方式的硬件实现1 9 3 1 2t c c 方式的硬件实现3 0 3 2f l a s h 的d s p 引导自举3 4 3 3 总体方案的硬件实现3 8 第四章软件的设计与实现4 3 4 13 5 0 6 方式的软件实现4 3 4 2t c c 方式的软件实现4 5 4 3 位同步的算法实现4 7 4 4 波形畸变后的解决4 9 第五章结束语5 3 致谢”5 5 1 1 2 3 5 】 n 参考文献5 7 作者在读期间的研究成果5 9 ， 第一章绪论 第一章绪论 测井是石油科学中的十大学科之一，它在石油科学中占有重要的地位。测井 还是勘探煤、盐、硫、石膏、金属、地热、地下水和放射性等矿产资源的重要方 法和有效手段，它在工程地质、防止地质灾害、保护生态环境等领域有着广泛的 用途。测井方法和测井仪器的更新换代反映了测井学科发展的历程和技术进步。 七十年代以来，西方测井仪器不断更新换代，我国在这方面基本上与西方保 持同步，依次经历了半自动测井、全自动测井、数字测井等阶段。目前，测井学 科无论是在基础研究领域还是在各个特定的应用领域中都出现了许多新的算法和 高性能的系统，取得了大量突破性的进展。 正如其它数字信号处理研究课题，测井信号处理的研究涉及三方面紧密结合 的任务，这就是应用实现、算法研究( 包括基础理论和软件) 和软硬件平台的搭 建，三者相辅相成、互相配合。在硬件方面，计算机技术的迅速发展和数字信号 处理芯片更新换代周期的缩短，为各种同益复杂的信号处理算法的实现提供了可 能和有力的支持。在新世纪，系列化、数字化是测井领域高新技术发展的重要方 向。本课题主要研究数控测井仪器的数字信号处理及其数据采集系统设计新方法 的应用与实现，以满足测井应用领域的数字化需求。 1 1 研究背景及意义 测井新技术来源于测井前沿技术的研究。目前，测井技术的发展趋势主要是 广泛地采集有效的基本参数，利用各种类型的测井仪、综合仪得到井下实际的生 产测井参数，取得更多更有效的动态资料，通过计算机处理这些资料并将处理结 果展现在显示器上，从而使技术人员对生产过程有更清楚的认识；对井下状况有 更准确的把握。随着石油天然气的大规模开采，我国油气勘探与开发的技术难度 越来越大，要求测井提供更丰富、更准确、更直观的信息越来越多。这些信息对 于提高油气勘探水平和丌发效益越来越重要。数控测井仪就是为适应这一要求， 研制出来的在计算机控制下进行测井的仪器，又称为计算机测井系统。数控测井 仪具有数据采集、数据处理解释和测井质量控制的功能，同时还能进行测井数据 远距离传输。 本文根据现有的数控测井设备电路复杂，体积庞大，不同的信号格式需要不 同的电路板用硬件方法实现测井数据编解码的缺点，在深入研究测井方法及其仪 器发展的基础上，提出了使用现代高性能数字信号处理芯片为核心的数控测井数 据采集系统的设计方案。数控测井仪的核心和前端重要的组成就是数据采集系统， 只有采集到的数据是足够的、准确的和可靠的，才能为计算机后台的或实时的处 测井信号编解码的软硬件实现 理解释以及质量控制等功能模块的作用发挥提供有效的和有价值的资料基础。否 则实现数控就无从谈起。 按照本文提出的方案设计制作的印制电路板在实践中经受了检验，并已达到 稳定地与数控测井设备其它功能模块相互配合工作的要求。简化了原系统的复杂 程度，优化了原系统的处理方法，应用软件方法实现了测井信号编解码的功能和 识别同步的算法。该系统具有一定的实用价值，收到了良好的应用效果，成为测 井信号编解码软硬件实现的一种有效途径。但是由于第四代测井仪器以数字技术 为核心还开发出一大批新型的井下测量仪器，诸如电磁波传播测井、高分辨率地 层学地层倾角测井仪等等。数控测井设备在后台连接这些仪器时，会影响井下上 传信号的传输特性，造成信号传输波形的一些变化，有时这些变化是复杂的和畸 变的。因此，这就需要调整采集程序的某些参数( 在编写程序时要设置动态可调 的响应参数) 或者对要采集的数据进行一些硬件方面的预处理( 增加适当的滤波、 整形等电路) ，以便实时准确地接收处理这些井下数据。这是一个亟待解决的课题。 1 2 测井方法及其仪器的发展及现状 一九二七年九月，法国斯伦贝谢兄弟发明并第一次使用了电测井的方法。从 那时起，测井诞生了。测井首先在欧洲使用，两年后传到了美国和苏联。我国的 测井学科创建于一九三九年。传统的测井理论都是研究线性和均质的测井理论， 即地层被看成是均质的，测井对地层的响应是线性的。应用这种理论指导测井仪 器设计、数据采集及处理解释，结果会出现多解性。近些年来，科学家们提出了 非线性和非均质的测井理论。这种理论作为测井的前沿研究课题，为新一代测井 技术的发展提供了理论依据。 测井又是一门边缘学科。近代物理学中的能谱、频谱和光谱测量原理正在逐 步地应用到测井学科中来，发展出了许多新的测井方法，不断地推动着现代测井 技术的进步。测井仪器和井下地质体( 地层) 是组成测井学科的一对矛盾，仪器和地 层的相互作用推动着测井学科的发展。在通常情况下，地层是矛盾的主要方面， 地层的特性决定着测井学的本质，例如地层的核物理性质决定了核测井的种类和 基本特点。仪器是根据井和地层的特性设计的，但当对地层的物理性质已经有了 较多地了解后，而没有适当的仪器来测定这些特性时，仪器的设计与制造就成了 矛盾的主要方面，就成了阻挡测井学科前进的关键。目前在其它一些领域也存在 这种情况。就仪器本身而言，井下仪器和地面仪器又组成一对矛盾。测井仪器的 本质是由井下仪器决定的，井下仪器规定能够测量到哪些信号；地面仪器的作用 是充分提取和科学利用下井仪器提供的信息，而不能创造信息。在传感器的质量和 种类能够满足测井需要的条件下，地面仪器可以代表测井仪器的总体水平。 测井仪器经历了五次更新换代。第一代是半自动测井仪，由地面记录仪器和 一 第一章绪论 3 井下测量仪器两部分组成，通过电缆相连进行通信。地面仪器采用“电位补偿法 手工记录来自井下仪器发送上来的测量信号。第二代是全自动测井仪，它的地面 仪器采用“电位非补偿法”自动记录来自井下仪器的测量信号。与半自动测井仪 相比，这是一个重大的技术进步。伴随着第二代测井仪出现的测井新方法最多， 初步形成了探测地层电特性、声特性和核特性的井下测量仪器系列。第三代是数 字测井仪，其主要的技术进步是实现了测井数据采集的数字化。测井数据由模拟 记录更新为数字记录，开创了应用电子计算机处理解释测井数据的新纪元。第三 代具有代表性的井下测量仪器系列分为两大类：第一类是裸眼井仪器系列；第二 类是套管井仪器系列。第三代测井仪实现了裸眼井系列和套管井系列的测井系列 仪器的配套，同时兼容第二代井下测量仪器。由于测井数据的采集从模拟记录更 新换代为数字记录，所以它可以直接输入计算机进行处理解释，因而出现了许多 新的有关测井的计算机处理解释方法和程序，用来定量评价油气层，确定其各种 参数，为评估油气储量及产量提供了重要的科学依据。第四代是数控测井仪，即 在计算机控制下进行测井的仪器，又称作计算机测井系统。数控测井具有数据采 集、处理解释和质量控制的功能，还可以进行测井数据的远距离传输。从此测井 步入了计算机测井高技术发展新时期。数控测井比数字测井更为先进、精度更高、 功能更全、系列更配套。基于第四代测井仪开发出了许多新的井一f n 量仪器，诸 如：微电阻率扫描测井仪、长源距声波测井仪，垂直地震剖面测井仪等等。第五 代是成像测井仪。它的地面仪器是由多任务数据采集系统、成像系统和解释工作 站构成的。它能把采集到的数据处理成专用测井图像，代替了传统的测井曲线， 技术人员可以更加直观地应用测井图像评价油气层，研究构造、沉积、裂缝、断 层、源岩等地质问题。目前有两种成像测井仪：一种是电成像测井仪，如阵列感 应成像测井仪等；另一种是声成像测井仪，如超声波成像测井仪等。现代成像测 井仪的设计使用了非线性、非均质的测井新理论和频谱、能谱等测井的新方法。 我国经历了半自动、全自动、数字测井和数控测井的发展阶段，目前正在完善数 控测井技术和发展成像测井仪器，还要发展水平井测井的新仪器。测井数据的解 释技术也从优化处理解释技术向神经网络处理解释新技术的方向发展，这对评估 我国疑难油气储藏将会有新的突破和重大意义。 进入二十世纪八十年代以后，v l s i ( 超大规模集成电路) 及d s p 技术的快速 发展为测井信号的实时采集和处理提供了有力的技术支持和理论可能。适用于采 集不同类型信号的软件编解码算法已同趋成熟。本文只研究两种不同测井信号编 解码的软硬件结合实现方法。 1 3 软硬件实现思路与方向 在数控测井仪器的数据采集系统的硬件实现上，通常采用的手段主要有三种。 4测井信号编解码的软硬件实现 第一种方式是利用纯硬件电路来实现井下上传信号的解码，这种方式就是现在正 在推广使用的。它可以基本实现现有信号格式的编解码，其主要缺点是硬件电路 过于复杂，占用空间大；不同的测井信号格式需要不同的硬件电路板，使用和携 带都不便。第二种方式是以单片机为核心处理芯片的数据采集系统，它在一定程 度上简化了原系统的硬件电路，但是单片机的特点不在于对大量采集到的数据进 行快速地运算和处理，因此其实时性较差。第三种方法是基于数字信号处理芯片 的高速实时数据采集系统。从二十世纪八十年代后期到二十世纪九十年代初，数 字信号处理器( d s p ) 技术发展迅猛，以前只有军队才能够使用的价格昂贵的高速 数字信号处理器，由于其价格成几何级数下降，使得大多数民用产品和工业产品 也有机会采用先进的数字信号处理器作为基本的技术支撑。以高速数字信号处理 器作为强有力的硬件支持，再加上软件方面采用各种不同的增强算法，这样就可 以大大提高数据的实时处理能力，使得应用软件方法对于不同的测井信号进行编 码和解码的想法成为可能。我国的测井仪器的发展趋势是和国际同步的，是向着 数字化方向发展的。以高速数字信号处理器及与其相关的各种算法为技术支撑的 数控测井仪器代表着当今测井技术的一个重要的发展方向。 与以往的测井仪器性能相比，数控测井设备有以下几个突出优点：( 1 ) 由于 采用运算能力极强的专用数字信号处理芯片作为c p u ，对于大量数据的运算效率 有了明显的提高，使得运算的准确性和实时性有机地统一了起来( 2 ) 数控测井设 备采用了先进的计算机技术，包括网络技术和嵌入式系统开发技术；操作系统可 以采用多任务实时操作系统；程序编写也有专用的软件平台。通过修改软件的若 干参数就可以达到处理不同测井信号、使用不同下井仪器的目的，基本上不用更 改硬件结构和改变硬件连接，调试和维修都非常方便( 3 ) 数控测井设备的抗干扰 能力强，集成度高，体积小。其模拟部分的硬件电路可以采用专用集成电路芯片 来实现不同的功能，它的布局更为合理均衡和符合电磁兼容的相关标准；软件方 面可以采用各种校验算法和验证机制，可靠性得到很大提高( 4 ) 随着d s p 技术 的不断发展，d s p 芯片的价格也在逐步下降。数控测井设备的集成硬件成本有望 比分立的电路板成本低，而且软件方面基本上是一次性投资。这样使得该设备总 的性价比在市场上具有相当的竞争力。 考虑到设计数控测井设备数据采集系统的时间及更新系统的方便性、经济性、 实用性。我们着眼于研究一个集信号的滤波整形、不同格式信号传输信道的切换 选通、数据采集与处理以及与主控计算机进行通信等功能模块为一体的完整的数 据采集系统。在上述数字信号处理器的前端，有模拟的放大滤波、模数转换组合 电路；在数字信号处理器内部采用软件算法实现信号的同步及其编解码；在数字 信号处理器后端有数模转换、电缆驱动电路以及基于p c i9 0 5 4 桥接芯片的与主控 机进行通信的功能电路。 第一章绪论 5 1 4 章节安排 本文将深入探讨数控测井设备数据采集系统中对不同测井信号的软件编解码 算法及其系统硬件电路的实现。本文各章节内容安排如下： 第二章说明两种不同测井信号的类型、特点和工作方式。在此基础上，对这 两种测井信号的处理算法进行了仿真和仿真结果分析，为它们的软件实现提供了 理论依据。 第三章详细介绍数控测井设备数据采集系统的硬件实现方案。分别包括3 5 0 6 工作方式的硬件实现和t c c 工作方式的硬件实现；d s p 及其外围芯片的选择和 供电系统；模拟信号部分的滤波电路设计；f l a s h 的“烧写”及其与d s p 的装 载、自举方案，最后讨论了系统总体方案的硬件电路设计与实现。 第四章具体介绍了本文所采用的针对不同测井信号算法的软件流程图和获取 位同步的算法、信号产生基线漂移的解决办法。同时说明了实验中出现的某些具 体问题。 第五章对全文进行总结，进一步提出测井信号编解码的软硬件实现中亟待解 决和需要研究的若干问题。 7 1 0 0 m s 、1 5 0 m s ，最后一个逻辑结柬后延迟4 m s 外始传送一帧3 5 0 6 编俏信号，长 度共计3 4 m s ，接着延迟7 5 0u s ，等待下一个声波逻辑的触发，这样就完成了一个 采样周期。它的编码形式如图2 1 所示。在以p c m 编码方式进行传输中，一个时 钟周期有脉冲时为“1 ”，无变化时为“0 。 ll | | il l ll 粼厂 厂 厂 ：婚0 6 图2 1p c m 的编码形式 ( 二) t c c 工作方式 t c c 采用半双工工作方式，由主机下发命令，定义井下上传数据的帧长和下 井仪器的工作命令传送给d s p ，由d s p 编排命令格式和根据命令格式计算8 位的 c r c 字，将c r c 字放在用户的命令字后，最后放8 个尾零作为结束标志。在每 帧数据上传完成后，开始下发命令。 下发命令的格式为：低位在前，高位在后，首先足八个先导零，然后是八位 的帧同步字，十六位的基本指令字，十六位的用户定义字，八位的c r c 字，最后 是八个尾零。 上传数据由井下仪器定时传送，时间分为两种：2 0 m s 和8 0 m s ，在没有收到 测井信号编解码的软硬件实现 主机命令时，t c c 隐含的数据帧帧长的值是n = 1 6 ，时间是8 0 m s 。下井仪在接收 到主机的下发命令后，按照规定的帧长向井上发送数据。 上传数据格式为：高位在前，低位在后，首先是八个先导零，然后是十六位 的帧同步字，接下来是n 个十六位数据字节( 前两个字节是下井仪器状态字) 和 十六位的c r c 字，最后是八个尾零。 t c c 采用的是1 0 0 k 的b p s k 信号编码方式进行传输的，如图2 2 所示。t c c 数控测井下井仪在使用b p s k 编码方式进行传输中，“0 只在位边界处有电平跳 变，而“l 在位边界处和位中央处均有电平跳变。信号采用1 0 0 k h z 的j 下弦波进 行载波调制，位频率和载波频率均为1 0 0 k h z 。 l | fll | l | li 2 1 2 信号特点 图2 2b p s k 信号的编码形式 ( 一) 3 5 0 6 测井信号特点 一帧3 5 0 6 的数据安排为每帧1 7 个道，每道1 6 位，数据传输速率为8 k b s ， 每位1 2 5 u s ，每道2 m s ，每帧各道的数据安排如下： 第0 道：同步道，同步道全为“19 - 。9 以便地面识别。 1 6 道：脉冲道，脉冲道有1 2 位数据位和4 位特征位。 7 1 5 道：模拟道，模拟道有1 2 位数据位、3 位特征位、1 位增益位。增益 位为“1 ”，表示原始模拟信号小于0 6 v ，在a d 转换前已经被放大了1 6 倍；增 益位为“0 ”，表示原始模拟信号大于o 6 v ，在a d 转换前只放大了2 倍。测井要 ( 二) t c c 测井信号特点 t c c 传输分为短帧和长帧两种，帧频为5 0 h z 。短帧为2 0 m s 和长帧为8 0 m s 。 如果有模拟声波信号需要传送，在每帧中传送完各道数据后，由握手信号 第二二章工作方式和仿真实现 9 ( w f m h d s h k ) 控制，使声波波形能经t c c 的电缆驱动器和方式变压器，将声 波信号送上电缆，输至地面进一步处理。当井下向地面传输数据完毕或声波波形 传送完毕后，主机便可通过地面模块把命令传送到各下井仪器，结束一帧的通讯。 上传字的帧格式见图2 3 ；下传的命令格式见图2 4 。短帧时的识别位见图2 5 ； 长帧时的识别位见图2 6 。 1 8 位j i o l 6 0 0 位, f 5 s p 1 6 竹 状态宇2 i f 义字1 ：i y r 皇i e e n - 3 l - 等e 2 n - 2 1 e 位c r c o t , - $ 孕1 1 6 位- f 井1 6 位- f 井 la 阍士，“l 7 7 j 2 n 个孚，n = o 一2 5 5 ，仪器加电时n 的缺省值为1 6 帧格式( 上传字) 图2 3t c ct 作方式中上传字的帧格式 状态字1 的意义为： b 1 5 ：下传字命令的“w a i t 位，缺省值= 0 ； b 1 4 - 下传字命令的“n o w 位，缺省值= o ； b 1 3 ：下传字命令的“w f m e n ”位，缺省值= 0 ； b 1 2 ：接地一暂不用； b 1 1 ：接地一暂不用； b 1 0 ：“t i m e o u t ”位，表明帧太长； b 9 ：c m d 错误，表明在下传命令期间，没有计算c r c ； b 8 ：c m d 接收，说明至少有一个帧同步( f s p ) 被检测到了； b 7 ：a d d7 ，缺省值= 0 ； b 6 ：a d d6 ，缺省值= o ； b 5 ：a d d5 ，缺省值= o ； b 4 ：a d d 4 ，缺省值= 1 ；n 值表示帧长，b 4 = l 即n = 1 6 ，每帧3 2 字 b 3 ：a d d3 ，缺省值= 0 ； b 2 ：a d d2 ，缺省值= o ； b 1 ：a d d1 ，缺省值= o ； b 0 ：a d d0 ，缺省值= o 。 t c c - a t 也t t i ： 为0 3 0 8 这2 5 位中的一位是下井仪器所用的禁止位 ，j 、_ 、， _ 、 l 1 8 位“矿1 8 位c r c ；篙地篙i b 8b 。l b 。5 b 。 8 , 4 盐f s p8 位“0 ”l b 7b 0 l 下4 - # 命令格式 图2 4t c c 工作方式中下传命令的格式 要求利用下传命令中基本指令字( b 1 w ) 中的b 7 、b 6 、b 5 和b 4 给声波仪 l o测井信号编解码的软硬件实现 器提供命令。其中b 7 为识别位，其余3 位为增益位。增益位的b 6 、b 5 和b 4 与 下井仪器放大倍数的对应关系如表2 1 所示： b 6b 5b 4相对放大倍数 0oo1 0 o015 01oo 1 0110 2 5 10o0 5 1 o 11 l1o2 l l 15 表2 1 增益伉与下井仪器的放大倍数关系表 1 5 0 h z 一飞m 八八m 八八八八八八? 八八m 八八 2 黥蕊溉平广| 斗r r _ 3 b 7 = ；f l 别位 1 ；o ；o ； o ；l ；0 l 4 声波信号1 = i ；_ 1 。卜i j i 寸“卜i 五i 寸“卜磊；了十才 1 5 0 h z 交流电 图2 5 短帧时的识别位 焉b t ：秦黔霄1 下0 _ 1 丁0 r 0 1 r 1 3 识别位 i：0 i 4 声波信号寸t 1 - r 2 卜t 1 二i 卜寸磊；1 t 2 二i 卜 _ l 五i 卜卡 i- r lt 2 - r ， 啦 jl 喇j 图2 6 长帧时的识别位 图中给出了识别位的位置( 时间) ，如上图的位置给出相应的1 、0 、o 、o x 和1 的顺序。每次送一个识别位时，同时送3 个 增益位。如上面的l ，1 表示识别位为l ，为b 6 、b 5 和b 4 。可以看 出对短帧来说，在第0 个、第4 个、第8 个和第1 2 个5 0 h z 传送识别位和增益位。 在第1 个、第5 个、第9 个和第1 3 个5 0 h z 时传送声波信号。对长帧来说，是在 每帧中声波信号传送完之后的命令中传送识别位和增益位的，具体位置视组合仪 器的多少而定。图2 6 中两条虚线之间的4 个5 0 h z 为一长帧。 声波信号的传送完全取决于t c c 送来的w f m h d s h k 信号。要传送声波信 第二章 ：作方式和仿真实现 号，地面仪发送的状态字1 的w f m e n ( b 1 3 ) 应该为“1 ”，使得t c c 的命令解 码器的输出b 1 3 为高电平。当上传数据完毕时，t c c 的发送时序发生器给出8 0 u s 的h a n d s h a k e 信号，使得w f m h n d s h k 线上为低电平。一旦声波仪器探知 了该低电平，就开始传送声波信号。4 个声波信号传送完毕之后，新的循环又开 始了。短帧时，每4 帧传送一个声波信号，而在长帧时，每帧都要传送声波信号。 所以，实际上每帧的b 1 3 均为“1 o 声波的4 个位均包含在下传命令中，因此也要由7 位地址来识别后取得，地 面决定地址。声波信号是通过方式变压器中上传数据的通道传输的，所以地面仪 器可以使用接收上传数据的方式来采集信号。 地面仪器按照上面的要求给下井声波仪器传送识别位和增益位( 当然如果不 方便的话，也不必一定使用b 7 、b 6 、b 5 或b 4 ，但应该在b i w 位中选取) 。并且 在传送声波的帧内置状态字1 的b 1 3 为“1 ”。根据识别位的给出，地面仪器可以 确知上传的各声波信号的位置( 时间位置) 。 2 2 信号处理仿真 如前所述，根据3 5 0 6 和t c c 工作方式的不同，分别对其信号处理进行 m a t l a b t 2 】的仿真，用以判断其处理算法是否满足实际测井所需要的条件。 2 2 13 5 0 6 工作方式 p c m 3 】【4 】编码方式用于将信号源所产生的p c m 编码再次编码为信道传输码， 然后用电缆将此信道码传送给数据采集器的工作方式。在这种工作方式中，来自 信源的p c m 编码码流共要经过两次编码，将其变为易于传输的信道码。第一次 编码足将o o0 、1 1o 或一1o ，第二次编码是在第一次编码的基础上将o 一00 、 1 10 、一1 一o1 ，然后在将要传输的码流头部添加同步码。编码完成之后信号进 入信道进行传输，在传输的过程中会引入噪声。在收端数据先经过低通滤波器， 再进行取样和抽判，恢复出发端发送的信道码，然后再经过两次解调最后获得信 源所产生的p c m 编码。 在实际的调试程序过程中，为了要得到1 0 。7 这么高的误码率，就有必要产生 1 0 8 个码元。但是m a t l a b 的工作空间是在内存中开辟的，一次性产生这么多个 码元如果仅仅按照s h o r t 格式所占用的资源来计算的话( 1 个s h o r t 格式的数据固定 占用8 个字节，1 0 8 8 1 0 2 4 = 7 8 1 2 5 0 k b ) ，大约需要7 8 1 m 的内存空间，这对于一 般的台式p c 机而言显然是无能为力的。所以每次只产生1 0 ，0 0 0 个点，然后让程 序循环执行1 0 ，0 0 0 次( 也可以一次产生1 0 0 ，0 0 0 个点的数据，可是经过实际测试， 计算1 0 5 个点的执行速度还不如上面所述的方法快) 来计算误码率。 另外，在噪声的添加方面，遇到了比较大的问题。因为程序中的0 、l 码元序 测井信号编解码的软硬件实现 列是通过r a n d i n t 函数来产生的，最初的思想是用r a n d n 来产生与码元序列同样多 个数的高斯噪声点与码元序列进行向量相加来完成噪声的叠加。可是由于噪声向 量点是随机产生的，在有的点上数值特别大，如果设定一个判决门限( 因为传输 的只有码元0 和码元1 两种值，所以在程序中将判决门限设定为o 5 ) 的话，仿真 的结果会因为数据点数比较少而看不出来，但只要数据点增多就会造成极高的误 码率。经过权衡思考，我们认为噪声叠加到一个码元上的过程可以理解为：将该 码元作n 等分( 即对于1 0 ，0 0 0 个码元，每一位扩展成n 位，变成一个1 0 0 0 0 n 个 元素的向量组) ，再用r a n d n 产生一个1 0 0 0 0 n 的噪声向量与之作向量和，当n o o 时，叠加出来的波形就是实际中添加了高斯噪声的码元波形。根据这一想法， 将每次产生的1 0 ，0 0 0 个码元每个码元扩展成1 3 位。也就是说，如果码元是1 就 将其变为1 3 个1 。如果将位码元扩展成更多位，原则上当然更好，可是考虑到 内存不足的因素，不能够无限制的扩展。经过实际测试，扩展成1 3 位已经能够取 得很好的效果了。扩展后产生了一个含有1 3 0 0 0 0 个元素的向量，设其为a 。然后 用r a n d n ( 1 ，1 3 0 0 0 0 ) 来产生一个噪声向量，设其为b 。最后我们得到了加上噪 声以后的信道码向量c = a + b 。总之向量c 中的每1 3 个点对应着向量a 的一个码元， 也就是向量c 中每1 3 个点表示向量a 中的一个码元。在解调端，我们对向量c 中 的、对应着向量a 中特定码元的那1 3 个点进行抽样判决，即在1 3 个点中均匀地 取出若干个点进行判决，以判断他们所对应的向量a 中的码元是1 还是0 。判断 的方法是，例如在这1 3 个点中取出其第1 、3 、5 、7 、9 、1 1 、1 3 点进行判决( 这 是一个码元采7 个样点的情况) ，大于o 5 的点被判为1 ，小于o 5 的点被判为0 ， 计数器同时计数其中“1 ”的个数，如果其中“1 的个数大于3 ，我们就判断它 们所对应的a 中的码元为1 ，否则就判其为0 。依此类推，我们可以每个码元采5 个样点或3 个样点。综合比较这几种方法的误码率统计，可以选择出一种既节省 系统资源有满足误码要求的采样方法。 2 2 2t c c 工作方式 b p s k 5 】【6 1 编码方式是将信源所产生的码流进行b p s k 编码以得到信道码，然 后通过电缆将信道码传输给数据采集系统的一种工作方式。 在这种工作方式中，来自信源的码流的编码方法是：由于“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。相邻两个“1 之间反 相，相邻两个“0 ”之间反相。码流的第一位如果是1 则固定编码为10 ，如果是 0 就固定编码为00 。后面码元的编码规律是0 交替地编为11 或00 ，1 则是碰见 o 就与前面的一个1 的码型反相。这种编码的方法比较难理解，下面给出一串码 流的编码波形，如图2 7 所示。在发射端，数据经过编码后在码流的头部添加8 位同步码再送入信道进行传输；在接收端，接收到该码流时首先检测同步位，检 图2 7b p s k 编码方式示例 2 3 算法实现 根据上一节讨论的实现方法，这一节分别给出3 5 0 6 工作方式和t c c 工作方 式中p c m 编码形式和b p s k 编码形式的m a t l a b 仿真程序的流程图。 ( - - ) 3 5 0 6 工作方式( 见图2 8 ) 图2 8p c m 码的编解码的程序流程图 1 4 测井信号编解码的软硬件实现 ( 二) t c c 工作方式( 见图2 9 ) 是 编码解调 上 l 恢复出的发端数据i 图2 9b p s k 码的编解码的程序流程图 2 4 仿真结果及讨论 本节针对仿真的结果做详细的讨论，用以论证算法是否可以用于数控测井数 据采集系统的实际中。 2 4 13 5 0 6 结果分析 3 5 0 6 有三种不同采样的仿真结果，它们分别表示在接收端在一个码元周期内 采样7 次、采样5 次和采样3 次时的信噪比与误码率的曲线图上。需要说明的是 每一张图的横坐标是信噪比( 单位是d b ) ，纵坐标是误码率。这里的误码率曲线 图和以后介绍的误码率曲线图都是在接收端未加滤波器的时候做出的统计结果。 如果实际应用中在数据采集系统的模数转换器前端加上滤波器的话，误码率将会 更低( 即：误码率达到1 0 。7 数量级时所对应的信噪比更小) ，现将这三幅仿真效果 图给出，如图2 1 0 、图2 1 1 、图2 1 2 所示： j l 害嗓b 匕 图2 11 收端每个码元采样5 位 图2 1 2 收端每个码元采样3 位 1 6 测井信号编解码的软硬件实现 通过对比这几张图的效果，我们可以发现：在接收端每个码元的采样点数越 多，通过这些采样点所判决出的码元的正确率就越高。当接收端对每个码元进行 7 位采样时，要达到1 0 。7 的误码率所需要的信噪比大约为7 d b 左右；当接收端对 每个码元进行5 位采样时，要达到1 0 7 的误码率所需要的信噪比大约为8 4 d b 左 右；当接收端对每个码元进行3 位采样时，要达到1 0 7 的误码率所需要的信噪比 大约为1 0 6 d b 以上。我们知道，对于实际应用来说，一般信噪比大于1 0 d b 的信 道足很难得到的。通过分析可看出，3 位的采样率远远不能满足测井数据对误码 率的要求，5 位采样率勉强可以用，7 位的采样率比较合适而且是可行的。因为测 井使用的p c m 编码形式的数据传输速率为8 k ，考虑到应该尽可能地减小数字信 号处理器进行数据处理的负荷，我们将3 5 0 6 工作方式的测井信号采样率设定为 8 0 k ，也就是在一个码元周期内采1 0 个样点。 2 4 2t c c 结果分析 t c c 工作方式是以b p s k 编码形式进行传输的。b p s k 编码方式的仿真按上 述算法，其结果也有三种情况。它们分别表示在接收端在一个码元周期内采样7 次、采样5 次和采样3 次时的信噪比误码率的曲线图上，其测试的条件和需要的 说明与2 4 1 中的所述相同，不再赘述。现在将仿真效果图给出，详见图2 1 3 、 图2 1 4 和图2 1 5 。 图2 1 3 收端每个码元采样7 位 第二章下作方式和仿真实现 1 害嗓b 匕 图2 1 4 收端每个码元采样5 位 图2 1 5 收端每个码元采样3 位 第三章硬件系统设计与实现 1 9 第三章硬件系统设计与实现 3 1 硬件系统及性能描述 测井信号一方面在数控测井仪数据采集系统的前端进行简单的预处理，如经 过线性放大、低通滤波等功能电路到达高速模数转换器的模拟信号输入端，再经 过其内部的数模转换器转换成量化数据。量化后的数据经由数据总线进入d s p ， 在数字信号处理器中进行数据信息的软件解码。解码后的数据可以存放在d s p 的 内部r a m 中；数据量较大时，也可以存放在d s p 外部扩展的数据存储空间中。 主控计算机可以根据实际需要定时或定量地获取这些数据；另一方面，主控计算 机可以通过通信数据接口向d s p 传送命令字，d s p 对命令进行软件编码后送入数 模转换器中进行数模转换，再通过滤波、放大电路和电缆接口驱动芯片和测井电 缆传送到下井仪器，系统硬件的功能框图如图3 1 所示。 图3 1 系统硬件的功