基于DSP和FPGA的油田测井系统总线通信接口设计

0 引言

    随着测井技术的发展，井下仪器的组合功能越来越强，处理的数据也随之倍增，要求片下仪器和地面系统之间具有实时双向通信功能，因此井下仪器与地面系统之间需要一个良好的接日电路以协调2部分的工作。

    本文采用DSP+FPGA的方案，由FPGA实现编锯码和数据的存储，DSP完成数据处理和总线协议转换。两者结合将1553B总线运用于现代油田测井系统中可以更好地发挥其高可靠性、稳定性并能够和CAN总线形成互补，能够最大限度地提高系统的数据处理和通讯能力。和传统设计方法相比胲方法数字化程度高，速度和实时性更高。

1 测井系统中通信接口功能及组成

    本没计完成油田测井系统中井下仪器与地面系统之间的通讯。需要设计一个完整的信号实时双向通讯系统，把井下仪器采集的全部地层信息传输到地面，地面系统给井下仪器供电，记录、解码并处理井下仪器传输到地面的信号以及控制井下仪器的各种状态。通讯接口通过1553B总线和地面系统通信，通过CAN总线和井下工控机通信。所以，通讯接口是整个测井系统中的关键部件，主要完成总线的信息综合，资源共享，任务协调和密错重构。

    遥讯接订框由1553B调制解凋电路、FPGA模块电路、DSP模块电路和CAN总线控制模块组成，执行总线通讯协议，正确接收总线上的曼彻斯特码数据，按照规定的格式发送曼彻斯特II型码，实现1553B总线和终端的连接通道的通讯接u功能。

1.1 调制解调模块

    1553B总线信号进入接口板后，通过耦合变压器实现电气隔离助止故障的传播；通过隔离电阻，主电缆可以短路，从而实现r失效隔离；与直接耦合相比，增加了总线抽头的阻抗，防止了由于反射而引起双绞线E信号畸变。然后经过收发器将双电平曼彻斯特码转化为单电平曼彻斯特码进入FPGA。发送过程与之相反。本设计采用的总线收发器，内部具有两路收发电路分别和耦合变压器相连，实现双冗余结构。HOLT公司的HI一1570PSI收发器和PM—DB2725EX耦合变压器共同组成总线通讯接【J的调制解调部分。

1.2 FPGA模块

    FPGA模块完成1553B总线上数据的发送和接收、曼彻斯特码的调制与解调、串并和并串转换、同步头的产生与检测、状态字的自动响应以及错误检测等功能。

    时钟模块：将输入的时钟分频为编码时钟、解码时钟、写FIFO的读时钟和读FIFO的写时钟。接收数据流程：曼彻斯特II型码经过调制鳃调电路，变为TrI。电平数字信号进入FPGA，在FPGA中经解码模块解码成包含16位数据、一位区分状态字／命令字的数据位和一位奇偶校验位的18位数据，存入18位的读FIFO中，经18变16位转换模块变成18位数据分两次送给DSP．没置三位寄存器XA，当XA为000时把16位数据送给输出Q；当XA为001时把18位数据中的后两位送给输出Q。

    发送数据流程根据XA_0的状态将两次接收到的DSP分别发送来的16位数据转换成包含命令类型、奇偶位和16位数据的18位数据存入18位的写FIFO模块，并设援空、满标志位，供编码控制模块调用。编码控制模块根据编码模块的状态和写FIFO中有无待编数据，即tx_busy非忙，empty非空时，从WFIFO中读取待编数据送给编码器，并设置命令状态字和数据字端口。编码模块根据命令状态字和数据字端口状态，编写命令字、状态字和数据字，在编码控制模块控制下由编码控制器生成单电平曼彻斯特码，经调髓饵调电路送至1553B总线。编码过程中跫位tx_busy，编码完成后复位。

1.3 DSP接口模块

    本部分足通讯接口系统的核心部分，DSP模块通过多通道高速缓冲串口Mcbsp+j FPGA相连，在一个既定的协议下能够实现CAN总线系统与1553B总线系统的信息交瓦，同时满足两总线系统对实时性的要求。DSP和FPGA的连接如图1所示。

    DSP提供读使能信号RE、写使能信号WR、地址信号A。?A3．DSP和FPGA之问的辅助控制信号还有：读、写FIFO空满标志信号RFULL10?1】和WFULI．[0?1】，高电平有效；接收曼码合理信号DVAL，低电平有效；读数据顺序信号XA[o?2]根据其状态分两次把FPGA解码的18位数据读入；写数据顺序信号xA_o【o?2】，DSP写数据时根据发送的不同数据设置不同的状态供FPGA接收。[page]

图1 DSP和FPGA连接示意图

    DSP模块主要完成两个功能：把1553B总线来的数据转换成CAN总线的帧结构，或者相反；把1553B总线来的命令解析，转换成CAN总线系统的命令并组成CAN的帧结构发送。具体过程：DSP根据XA的状态分两次将经过18变16位转换模块变成的18位数据读入，经DSP总线协议转换模块按照井下仪器通讯协议处理后的数据，通过DSP内嵌的CAN总线控制模块中的CAN7r)(，CANRX接口送给工控机对井下仪器进行控制。同时DSP根据接收到的命令。读取井下仪器通过CAN总线模块传输来的采集信息并按照总线通讯协议处理为16位数据送给FPGA．这种通过DSP与FPGA共同实现总线协议的方法，呵以在接收完1553B总线数据后直接触发总线转换程序，从而减少单独采用1553B协议芯片时对DSP的数据中断请求时间，更好地满足了控制系统的实时性要求。

1.4 CAN总线模块

    CAN总线模块由DSP内嵌的总线控制模块、收发器SN65HVD231Q和高速光耦HCPL5601组成。TM$320F2812巾内嵌的CAN总线控制模块手要由CAN协议内核和消息控制器构成。CAN协议内核主要完成把从n)GA读入的总线消息解码并向接收缓冲发送解码后的消息，同时根据CAN总线协议向CAN总线上发送消息；消息控制器决定接收到消息的取舍，如果描述符通过验收滤波器。CAN控制器将CAN总线上的描述场和数据场顺序存人夺的缓存器中，并向DSP发送中断请求，DSP响应中断，把CAN缓存器中的数据取出。

2 软件设计及实现

    由于1553B和CAN总线不但帧结构不同。命令体系不一样。而凡不问的1553B与CAN总线之问的转换方法也是不一样的．因此1553B与CAN总线之间的转换不仅仅是帧结构的转换，还涉及到两个系统之间命令的解析，所以需要采用更加灵活的软件方式来实现这两种总线的转换。在整个通讯接口系统实现中面临的最大问题就是通讯的实时性和缓冲数据管理，软件设计中采用中断源优先级控制机制，不同的中断源设置不同的中断等级，以满足系统对实时性的要求。接口电路的软件设计采用C语言进行编程，采用模块化结构和子程序嵌套方式。便于程序的编制、修改、扩充以及连调等。FPGA采用Verilog HDI．语言，实现编解码和1553B总线协议处理。其主程序流程图见图2。

图2 主程序流程图

    本设计在TI的TM$320F2812和actel公司生产的PmASIC3系列芯片(A3P125)&进行r实现。该编解码器及协议控制器共I与用FPGA256个逻辑单元，占总逻辑资源的6．8％，这有利于今后对其进行完善和功能的添加。其输入时钟为48MHz，数据速率为1MHz。

3 结语

    本设计利用FPGA高镪度，结构灵活，设汁时间短和可编程的优点，实现了对1553B信廿的独证处理，再加卜TI公司2000系列DSP丰富的YO接口和较普通单片机更快的处理速度．实现，对F．PGA的控制管理，完成了1553B总线与Can总线的通信，满足了测井仪器的数据通讯要求．系统的集成度提高，扩展能力增强，顺利通过了某油田测井系统的实验测试并对其它数据通信总线互联提供了先进的方法，具有相当普遍的实用意义。