網絡化井下儀器數據總線研究

陳文軒，岳宏圖，陳文，戴光明，汪新國，裴彬彬

（中國石油集團長城鉆探工程有限公司測井技術研究院，北京100176）

網絡化井下儀器數據總線研究

陳文軒，岳宏圖，陳文，戴光明，汪新國，裴彬彬

（中國石油集團長城鉆探工程有限公司測井技術研究院，北京100176）

隨著LEAP800測井系統應用，井下儀器的總線速率必須達到兆級以上才能滿足新一代的測井儀器大數據量的傳輸需求。利用以太網技術設計了一種新型的網絡化井下儀器總線，該總線具有寬傳輸帶寬、模塊化程度高、擴展性強、可遠程操控等優點。介紹了井下儀器總線的工作原理，詳細描述了總線的硬件及軟件設計。試驗表明，該設計提高了井下儀器的傳輸帶寬，實現了LEAP800測井系統中大數據量的可靠傳輸。

測井儀器；數據總線；以太網技術；傳輸帶寬；硬件；軟件

0 引 言

隨著陣列測井和成像測井技術的發展，測井儀器在測井過程中需要把大量的數據傳輸到地面，需要使用網絡化技術提高井下儀器總線的通訊速率。此外，井下儀器總線是和電纜傳輸系統配合的，通訊總線速率要大于電纜傳輸速率，這樣才能充分發揮電纜數據傳輸系統的性能。已經研制成功的LEAP800電纜傳輸系統的傳輸速率在1 Mbit／s以上，這樣井下儀器的總線速率必須高于電纜傳輸速率才能滿足新一代測井儀器大數據量的傳輸需求。本文介紹的井下儀器總線是基于以太網技術，以50Ω同軸線為總線通訊介質，總線的接口為10BASE－2，井下儀器總線接口板中使用了實時操作系統，簡化了軟件的開發，增加了軟件的靈活性和可靠性；總線的通訊速率達到了10 Mbit／s，可在175℃環境下連續工作2 h以上。

1 網絡化井下儀器總線的總體設計

1.1 井下儀器總線的研究現狀

斯倫貝謝公司的CSU測井系統采用的是DTB總線，通訊速率是100 kbit／s；阿特拉斯公司的ECLIPS－5700測井系統使用的是1553B總線，最高通訊速率可以達到1 Mbit／s；而最新的哈里伯頓公司的IQ快速測井平臺采用的是以太網總線，最高通訊速率可以達到10 Mbit／s。國內測井儀器主要使用的是1553B和DTB總線。此外，也有使用RS485總線和CAN總線的，通訊速率最高約為500 kbit／s和1 Mbit／s［1－4］。新型成像類和陣列類測井儀器的測井數據量很大，而且，隨著高速測井電纜傳輸系統的發展，電纜的數據傳輸速率已突破1 Mbit／s。要充分利用電纜傳輸帶寬，井下儀器總線的速率必須高于電纜的數據傳輸速率，傳統的低速井下儀器總線已不能夠滿足其傳輸需求，制約了其高性能的充分發揮。

1.2 網絡化井下儀器總線的工作原理

網絡化井下儀器總線是利用現代網絡技術發展的一種高速井下儀器總線系統，其采用目前正在工業現場大量應用的以太網技術［5］替代傳統的低速井下儀器總線。這項技術的優勢在于硬件技術成熟，有完善的配套通訊協議。同時，標準化的接口為以后儀器的調試帶來很大方便。

整個系統的數據傳輸邏輯框圖見圖1。測井系統通過井下總線系統并配合電纜傳輸系統，實現地面控制臺與井下各儀器之間的信息交互，完成對油井的測試功能。井下儀器總線的主要功能是負責井下儀器數據的收集和轉發，并通過電纜傳輸系統傳送到地面控制臺，同時還需要協調多只儀器和電纜數據傳輸系統的數據交換節奏。其核心功能通過儀器通訊接口板的電路實現。在地面控制臺與井下儀器通信中，儀器通訊接口板起到非常重要的作用：接收地面控制臺下發的控制命令，并把其中的儀器類操作控制命令向儀器轉發；接收儀器采集的測試數據并打包上送到地面控制臺進行處理。其中，儀器通訊接口板又分為普通儀器通訊接口板和網關儀器通訊接口板2種類型。這2種通訊接口板在硬件上采取完全相同的設計，但在功能上有著較大的區別。普通儀器通訊接口板實現了單支儀器數據的收發功能，而網關儀器通訊接口板還實現了多支儀器的網關路由功能。具體實現中，每支儀器均安裝有1塊通訊接口板，多支儀器通過各自的通訊接口板構成一個以太局域網絡。這個網絡中，既有實現單支儀器數據收發的普通網元，也有實現多支儀器數據轉發的網關網元。這樣，配合電纜傳輸系統便可以實現井下儀器與地面控制臺之間的數據交換。整個以太網絡采用同軸電纜作為傳輸介質，在實現10 Mbit／s總線通訊速率的同時，也減少了對儀器貫通線占用，只需2根貫通線即可，提高了通訊可靠性。

圖1 數據傳輸邏輯框圖

2 網絡化井下儀器總線的硬件設計

在網絡化井下儀器總線中，儀器通訊接口板的設計是核心。儀器通訊接口板的目的是為了建立井下儀器和地面軟件的溝通渠道，因此，其需要完成的功能：實現以太網通訊；提供儀器的通訊接口；測量和監控多路模擬信號，包括電壓信號、溫度信號等。由此，儀器通訊接口板在硬件設計上也主要包括了3個模塊：以太網通訊模塊、儀器接口模塊及模擬信號采集模塊。儀器通訊接口板的邏輯框圖見圖2。普通儀器通訊接口板和網關儀器通訊接口板在硬件結構上并沒有區別。

2.1 以太網通訊模塊設計

采用“ARM＋RAM＋FLASH”的模式搭建最小系統，在此基礎上擴展一個以太網控制芯片，實現了完整的以太網通訊功能（見圖3）。整個井下總線系統采用同軸電纜的連接方式，接口為10BASE－2，傳輸速度是10 Mbit／s。因此，在通訊接口板上外擴了一個同軸收發接口芯片，用于驅動同軸電纜和接收從同軸電纜來的以太網信號，主要包括發射器、接收器、沖突檢測器和數據幀超長檢測等功能模塊。發射器在傳輸時直接驅動50Ω同軸電纜。沖突檢測電路監控同軸電纜上的信號以判斷是否有數據包沖突出現，并在沖突發生時向以太網控制芯片發送提示信號。在傳輸數據時，如果所傳數據幀超過限定長度，發射器的輸出將被關閉，當錯誤排除后，在500 ms內發射器的輸出將被重新使能。如果要使用RJ45接口，只需外接相應的網絡隔離變壓器即可以使用。

圖2 儀器通訊接口板的邏輯框圖

圖3 儀器通訊接口板以太網通訊模塊

2.2 儀器接口模塊設計

儀器接口模塊是為了提供中央處理器和井下儀器之間通訊的渠道。考慮到ARM處理器的處理能力以及系統對實時性的要求，儀器通訊接口板使用一個數字信號處理器DSP把ARM處理器的并行數據轉換成儀器能夠正常連接的串行數據。實現方法是利用DSP處理器的IDMA接口，把ARM處理器需要發送到儀器中的數據采集到DSP處理器內部，然后再通過DSP處理器的串行接口把數據發送到儀器（見圖4）。

圖4 儀器通訊接口板儀器接口模塊

2.3 模擬信號采集模塊設計

這部分需要完成的功能是實現外接模擬信號的采集，監控儀器的電壓信號（＋5、＋3.3、＋12、－12 V）和溫度信息等。儀器通訊接口板擴展一個16 bit模／數轉換芯片，并使用模擬開關對多個采樣通道數進行切換（見圖5）。

圖5 儀器通訊接口板模擬信號采集模塊

由此可以看出，在硬件設計中將儀器通訊接口板開發標準化、模板化，建立標準的硬件和標準的通訊接口，保證在大多數沒有特殊要求的儀器中通信板可以直接互換。所有新儀器的開發，只要遵循標準，就可以直接連入總線系統，極大地簡化和加快了儀器的開發，減輕了后續維護的負擔。

3 井下儀器總線的軟件設計

在軟件設計上，基于嵌入式實時操作系統進行架構，使用這種技術可以很方便地完成以太網相對應的TCP、UDP、PPPOE等通訊協議。設備軟件實現標準的TCP／IP協議，每個設備都有獨立的IP地址，所有設備在一起組成一個網絡。可以在網絡上的節點包括互聯網上，通過網絡看到設備的控制信息和儀器數據。所有的設備儀器可以自由組合，沒有任何限制條件。設備軟件開發獨立，完全實現了模塊化開發，開發任務可以控制，耦合性極大降低。

儀器通訊接口板的軟件結構見圖6。軟件設計實現了一個重要的邏輯功能，即通訊接口板（包括網關通訊板與儀器通訊板）各物理芯片間信息交流，儀器通訊接口板與各儀器之間的信息交流以及儀器通訊接口板與地面控制臺之間的信息交流。因此，儀器通訊接口板主要完成以下功能。

（1）支持路由服務。作為儀器總線的數據通訊中轉站。

（2）支持DHCP。儀器通訊板從網關通訊板自動獲取IP地址。

（3）地面控制系統和儀器通訊板的控制命令、數據通道。對儀器通訊接口板本身的操作命令進行相應的處理；傳輸儀器的數據到地面控制系統。

（4）儀器通訊板和儀器的命令、數據通道。對儀器的控制命令進行轉發；接收處理儀器的數據。

通過這樣的設計，能夠實現井下各儀器與地面控制系統之間的信息交互，順利完成油井測試。

圖6 儀器通訊接口板軟件結構

4 功能實現

（1）使用TCP／IP標準協議，可以使儀器和任何網絡設備對接，整個總線系統可以直接掛接到互聯網上，通過TCP／IP協議直接操作和控制。

（2）儀器組網簡單方便，只要配置好IP地址就可以通信。

（3）對任意儀器可實現一對一的單支調試，而無需附加任何配套系統，就能獲得該支儀器的全面信息。

（4）井下總線帶寬為10 Mbit／s，遠遠超過目前需求，而且可以隨時開發到100 Mbit／s。

（5）可遠程維護和控制儀器。

（6）可進行遠程固件升級，不需要拆裝儀器，也可在井下直接升級設備，方便快捷。

5 結束語

目前，網絡化井下儀器總線已成功應用于中國石油長城鉆探工程有限公司的LEAP800測井系統中，掛接了常規大滿貫測井儀器、陣列聲波測井儀器、陣列感應測井儀器和聲電成像測井儀器，完成了大量的現場測試，已先后多次在河北任丘91號井、山東孤島古古八井和遼寧盤錦馬古二井等試驗井進行了下井測試；同時也分別在遼河油田、內蒙古油田及吉林油田等商業井進行了下井試驗，所有測試結果都達到了設計要求，取得了完整的測井曲線，完全滿足先進的大數據量測井儀器的要求。

［1］ 楊建軍，林興春，郝秀全，等.測井電纜通信系統綜述［J］.石油儀器，2007，21（3）：1－5.

［2］ 趙平，張美玲，劉甲辰，等.2004～2005年國內外測井技術現狀及發展趨勢［J］.測井技術，2006，30（5）：385－389.

［3］ 楊明，郭海龍.CAN總線在測井儀器中的應用［J］.石油儀器，2009，23（4）：86－88.

［4］ 梁建軍，宿德平.RS485總線接口在測井儀中的應用［J］.石油儀器，2008，22（3）：83－85.

［5］ 王榮莉，雷斌.工業以太網技術的現狀與發展［J］.自動化博覽，2004，21（4）：63－65.

Research on the Data Bus for Networked Downhole Tool

CHEN Wenxuan，YUE Hongtu，CHEN Wen，DAI Guangming，WANG Xinguo，PEI Binbin
（Well Logging Technology Center，CNPC Greatwall Drilling and Exploration Engineering Company，Beijing 100176，China）

With the application of the megabit telemetry system of LEAP800 well logging system，the data transmission rate of the downhole tool’s data bus must be higher than one megabit per second to meet the requirements of massive acquisition data of downhole tools.Based on ethernet technology，proposed is a design of networked downhole tool’s data bus which has the advantages of wide bandwidth，modular structure，excellent expansibility，and etc.Introduced is the principle of downhole tool’s data bus，and detailed are bus designs of hardware and software.The experiments show that this design can greatly increase the bandwidth of downhole tool’s data bus and realize the reliable transmission of large amount of data in LEAP800 well logging system.

logging tool，data bus，ethernet technology，transmission bandwidth，hardware，software

1004－1338（2011）06－0572－04

P631.84

A

陳文軒，男，1963年生，高級技術專家，從事測井系統技術總體設計、電纜測井數據傳輸和井下儀器總線研究工作。

2011－04－13 本文編輯 余迎）