基于CAN總線的單芯遙傳采集控制模塊研制

許 磊，顧慶水，王 振

(1.中海油田服務股份有限公司 河北 三河 065201；2.電子科技大學電子工程學院 四川 成都 611731)

·開發設計·

基于CAN總線的單芯遙傳采集控制模塊研制

許 磊1，顧慶水2，王 振1

(1.中海油田服務股份有限公司 河北 三河 065201；2.電子科技大學電子工程學院 四川 成都 611731)

為提高單芯測井系統井下儀器總線傳輸速率，采用CAN總線作為井下儀器總線，設計了一種井下遙傳儀器采集控制模塊。該模塊以TMS320F28335處理器及其內部集成的CAN控制器為核心，采用主從和競爭兩種模式相結合的采集控制機制，完成對各測井儀器節點的控制和數據處理。采集控制模塊已經成功應用到實際生產測井系統中，傳輸速率達1Mb/s，實際應用效果良好，大大提高了生產測井的效率和可靠性。

CAN總線；單芯測井；總線協議

0 引 言

儀器總線實現井下測井儀器和遙傳儀器之間的數據通訊，測井過程中，井下測井儀器需要通過儀器總線將數據上傳到遙傳儀器，遙傳儀器再將這些測井數據調制到傳輸電纜上，繼而通過電纜到達地面，由地面設備進行解調處理。根據測井通訊系統的特點，儀器總線傳輸速率一般要遠大于遙傳儀器數據傳輸速率。隨著技術進步，單芯測井系統的遙傳儀器傳輸速率已達到200 kb/s以上，而傳統的單芯測井系統儀器總線數據傳輸速率往往在100 kb/s左右，已經不能滿足單芯測井儀器對高速數據傳輸的需求[1]。同時，大數據量儀器和高采樣率儀器的組合測井，也對采集控制機制提出更高要求，因此設計一種高速率、高可靠性儀器總線以及采集控制機制成為迫切需要。本文研制的遙傳采集控制模塊，以CAN總線作為井下儀器總線，可實現1 Mb/s通訊速率，耐溫可達20 ℃，同時可靈活實現不同種類測井儀器的組合測井。

1 CAN總線特點

CAN總線由Bosch公司開發，有效支持分布式控制和實時控制，廣泛應用于計算機控制系統和嵌入式工業控制局域網，是ISO國際標準化的串行通信總線[2,3]。CAN總線特點如下：

1)通訊速率高，在通訊距離不超過40 m的情況下，最高可達1 Mb/s的通訊速率。

2)掛接節點數多，最多可以達到110個節點。

3)通訊介質為雙絞線，結構簡單、可靠。

4)多主工作方式，網絡上任意節點可以在任意時刻發起通訊，向其它節點發送信息，各個節點可以設置不同的優先級，并且采用非破壞性位仲裁總線結構機制，通信方式靈活，滿足實時性要求。

5)每幀信息具備CRC校驗以及其它的檢錯措施，誤碼率極低，并且在節點出現嚴重不可恢復錯誤時，關閉節點，從而不影響整個總線正常功能。

2 單芯測井系統井下總線結構

單芯測井系統井下部分由遙傳短節和測井儀器組成，遙傳短節負責數據的調制和解調，以及井下儀器的數據采集控制。井下測井儀器通過CAN總線掛接到遙傳短節，由遙傳短節的采集控制模塊進行采集控制和數據處理[4]。

采集控制模塊和調制解調模塊間通過串行通信接口(SCI)和多通道緩沖串行口(McBSP)接口進行數據交換，其中下行數據由于數據量小，且速率要求低，通過SCI實現數據下發；上傳的測井數據量大且傳輸速率要求高，在模塊內部進行數據打包后寫入FIFO進行緩沖，然后通過McBSP接口實現數據的上傳。

單芯井下測井系統示意圖如圖1所示。

圖1 井下測井系統示意圖

調制解調模塊完成電纜信號的調制和解調功能，下行采用FSK調制方式，速率為700 b/s，上行采用OFDM調制方式，速率大于200 kb/s[5]。

采集控制模塊是單芯遙傳短節的重要組成部分，主要負責完成井下測井儀器的采集控制和數據上傳等功能。

地面下發的數據分兩大類：

1)儀器控制命令：進行FSK調制后，通過電纜下發到遙傳的通訊模塊，進行解調后，由SCI接口發送到采集控制模塊，然后通過CAN總線發送給指定儀器。

2)采集控制命令：又稱服務表，包含需要采集的儀器號、采樣率、數據長度、超時時間等信息。服務表由采集控制模塊解析，根據解析結果控制井下所有掛接的儀器按照約定的采樣率進行數據采集。

井下上傳數據分兩大類：1)儀器的命令或狀態返回信息；2)需要上傳的儀器采集數據。

3 采集控制模塊設計

3.1 采集控制模塊硬件電路

采集控制模塊采用TI高溫芯片TMS320F28335-HT實現，此款芯片是TI在控制領域推出的浮點高性能信號處理芯片，主頻最高可達150 MHz；具備32位浮點運算單元，內部采用獨立程序總線和數據總線的哈佛架構，具備CAN協議模塊，性能優越、接口方便，非常適合復雜井下測井環境[6]。

TMS320F28335集成了增強型CAN控制器，與CAN2.0B標準協議完全兼容。DSP內嵌的CAN模塊是一個完全功能的CAN控制器，包含傳送信息的處理、接收管理和幀存儲功能，支持標準幀和擴展幀兩種格式。帶有32個完全可配置郵箱和定時郵遞功能，能夠實現靈活穩定的串行通信接口。

采集控制模塊功能示意框圖如圖2所示。

圖2 采集控制模塊功能示意框圖

CAN總線是個開放的系統，其標準遵循ISO的OSI七層模型，而CAN的基本協議只有物理層和數據鏈路層協議。DSP集成的CAN控制器模塊提供完整的數據鏈路層協議，要使用CAN總線組網，必須額外提供物理層驅動芯片，單芯測井系統儀器總線選用TI公司的SN65HVD233作為總線收發器，其外圍電路設計圖如圖3所示。

遙傳儀器端設計一個總線終端匹配電阻，120 Ω。而儀器端不設計這個終端電阻，在整個測井儀器組合串的最下端安裝一個120 Ω終端電阻的堵頭，實現CAN總線的阻抗匹配。

圖3 CAN總線外圍電路設計圖

CAN總線外圍電路設計注意芯片SN65HVD233的RS管腳，此管腳功能為設置芯片功能模式(高速、斜率控制及低功耗待機模式)選擇，將此管腳接地，選用高速模式。

3.2 采集控制模塊軟件實現

3.2.1 采集控制機制

采集控制模塊主要實現采集控制機制，針對當前的實際測井需要，一般有三種采集控制機制：

1)完全主從模式：也就是地面下發服務表后，采集控制模塊按照服務表計算各個儀器的采樣率，然后順序控制儀器進行數據采集和上傳。此種模式控制簡單，對地面軟件下發服務表的設計要求較高，很難解決高采樣率儀器和大數據量儀器的組合問題。

2)完全競爭模式：就是儀器按照自己的采樣率通過競爭得到總線后，上傳數據。此種模式對儀器和遙傳控制模塊要求較高，井下儀器需要具備不同優先級，數據處理機制較為復雜，而且需要額外數據存儲芯片，不利于降低功耗以及減小儀器尺寸。

3)混合模式：結合主從模式和競爭模式優點，由采集控制模塊控制各支儀器的數據采集和發送，同時，井下儀器具備不同的優先級，在組合測井需要時，采集控制模塊可以同時發送多個數據采集和發送的命令，井下儀器根據各自的優先級競爭儀器總線，優先級高的儀器數據先傳，優先級低的儀器數據后傳。

本應用采用混合模式，混合模式最大優勢是解決大數據量測井儀器和高采樣率測井儀器組合問題，而且結合了完全主從和完全競爭兩種模式的優點，兼顧設計復雜度和儀器組合需要。

3.2.2 采集控制機制軟件實現

采集控制機制軟件實現主要包括兩大部分：

1)主函數循環處理部分，此部分代碼主要實現下行數據的接收和解析、服務表解析、井下儀器的采集控制、CAN總線命令的發送、上行數據打包以及FIFO數據上傳等。

2)CAN中斷數據處理部分，此部分代碼實現CAN總線數據的接收、接收緩沖區內存管理、接收數據打包和校驗、測井數據寫入FIFO等。

采集控制軟件程序流程圖如圖4所示。

圖4 采集控制軟件程序流程圖

幾個關鍵部分的說明：

1)服務表的解析：根據地面下發的服務表中的各支儀器采樣率，計算出本次儀器采集時間間隔的最小公倍數，設置定時器中斷。

2)上行數據發送：當檢測到FIFO有數據后，進行上行數據發送，通過McBSP接口發送給調制解調模塊。由于電纜速率小于CAN總線速率，此部分注意流量控制，只有調制解調模塊空閑時才能發送數據幀。

3)CAN接收中斷處理：在CAN中斷中主要根據接收到的儀器數據長度和地址，動態分配各個緩沖內存，同時將儀器數據按照上行協議格式進行打包。同時當某支儀器數據傳輸完畢時，產生寫入FIFO標志和參數，便于在程序主循環中將儀器數據寫入FIFO，然后釋放本支儀器的數據緩存。

3.2.3 應用層協議

為保證數據傳輸的可靠準確，設計一套應用層協議是必要的。由于單芯遙傳采集控制模塊有兩個接口，一個跟調制解調模塊通訊，簡稱上接口，一個跟井下儀器總線通訊，簡稱下接口，根據兩個接口的不同特點，設計了兩種應用層協議格式。

上接口通訊協議為遙傳儀器的調制解調模塊和采集控制模塊間的通訊協議，分下行命令和上行數據，采用統一的協議格式，協議格式如圖5所示。

圖5 上接口協議格式

協議字段說明：

同步頭：作為一幀數據的開始，固定為0x47474747；

數據類型：用來表示本次上傳數據的類型，如輔助信息、狀態信息、錯誤檢測、測井數據等；

數據長度：表示整個上傳數據幀的字節數；

儀器地址：井下每支儀器都有不同的地址，便于采集控制以及總線競爭；

子屬性：具體指示本幀數據代表的意義；

時間戳：地面時間和井下時間保持同步，井下儀器數據返回到遙傳采集控制模塊的時候，采集控制模塊要將時間戳填充到儀器數據幀對應的字段，地面根據這個時間戳，進行時間-深度映射，將測井數據對應到相應深度的地層；

數據體：下行命令參數或上行數據；

狀態：這個用以表示本次儀器數據的狀態，比如是否超時，是否接收錯誤或者不完整等；

和校驗：對本次儀器采集數據的整體校驗，地面軟件接收到數據后對數據幀進行校驗，判斷數據是否正確接收。

下接口通訊協議為采集控制模塊和井下各儀器間的通訊協議，分下行命令和上行數據，采用統一的協議格式，協議格式如圖6所示。

圖6 下接口協議格式

協議字段說明：

同步頭：作為一幀數據的開始，固定為0x55AA55AA；

數據長度：本次數據幀的字節數；

子屬性：具體指示本幀數據代表的意義；

數據體：下行命令參數或上行數據；

和校驗：對本次儀器采集數據的整體校驗，地面軟件接收到數據后對數據幀進行校驗，判斷數據是否正確接收。

4 測試結果

實驗室搭建儀器總線測試平臺進行模塊測試，總線采用普通雙絞線，長度38m，總線上共掛接4個采集控制模塊，其中一個作為主節點，模擬遙傳儀器，其它3個作為從節點，模擬測井儀器。主節點控制3個從節點進行數據發送，主節點對接收到的數據進行解析判斷，統計誤碼率。同時，為模擬大數據量和高采樣率儀器組合情況，主節點對其中兩個從節點的控制命令是同時發送的，由從節點根據自己的優先級進行總線競爭。

幾次測試結果見表1。

表1 總線測試結果

通過實驗，儀器總線在長度38 m通訊距離內，通訊速率達1 Mb/s，而且儀器節點間的總線競爭比較可靠，整個采集控制模塊功能正常。

5 結束語

根據單芯測井系統需求，采用CAN總線作為儀器總線，研制的遙傳采集控制模塊，可實現通訊速率1Mb/s。主從控制和競爭相結合的混合采集控制模式，靈活高效地解決了大數據量和高采樣率測井儀器組合問題。實驗證明，單芯遙傳采集控制模塊在傳輸速率和耐溫等方面穩定可靠，完全滿足單芯高速測井系統的要求。同時，單芯遙傳采集模塊已經完成超聲成像、多臂、GR、CCL、磁測厚等生產測井儀器的掛接，并在渤海進行了多次超聲成像儀和多臂測井儀組合測井，取得了合格的測井資料，應用前景廣闊。

[1] 孫欽濤，陳 鵬，陳 寶. 基于CAN總線的測井數據采集系統的研制[J]. 測井技術，2007，31(4)：367-368.

[2] 韓成浩，高曉紅. CAN總線技術及其應用[J].制造業自動化，2010，32(2)：146-147.

[3] 唐麗麗，黃向東，何 剛. CAN總線在成像測井系統中的應用[J]. 測井技術，2004，28(2)：164-166.

[4] 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)：86-87.

[5] 顧慶水，陳 偉，伍瑞卿，等. 基于單芯測井電纜的高速遙傳系統設計[J]. 測井技術，2013，37(4)：417-419.

[6] 蘇奎峰，呂 強，常天慶，等. TMS320X281x DSP原理及C程序開發[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2008：222-230.

Development of Acquisition and Control Module for Single-core Cable Logging Remote Telemetry Instruments Based on CAN

XU Lei1， GU Qingshui2， WANG Zhen1

(1.ChinaOilfieldServicesLimited，Sanhe，Hebei065201，China； 2.SchoolofElectronicEngineering，UniversityofElectronicScienceandTechnology，Chengdu，Sichuan611731，China)

In order to improve the data transmission speed of down-hole instrument bus used in the single-core cable logging system, a new kind of acquisition-control module for the remote telemetry is designed with the CAN bus as the down-hole instrument bus. The TMS320F28335 and CAN are adopted as the core parts in this module, the control and data processing of all the logging instruments are realized by combining the master-slave and competitive mode as the acquisition-control mechanism. The module is used in the production logging system with a 1Mb/s transmission speed, which greatly improves the logging efficiency and stability, and achieves the required results.

CAN Bus; single-core cable logging; bus protocol

許 磊，男，1982年生，工程師， 2008年畢業于中國石油大學(華東)信號與信息處理專業，碩士學位，現從事測井儀器通訊、數據采集、嵌入式系統設計與開發等工作。Email：xulei13@cosl.com.cn

P631.83

A

2096-0077(2017)01-0033-04

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.01.008

2016-03-25 編輯：高紅霞)