專利名稱：一種基于lvds技術(shù)的三維聲波測井?dāng)?shù)據(jù)高速傳輸裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于測井信號高速傳輸技術(shù)領(lǐng)域，更為具體地講，涉及一種適合在井下高溫惡劣環(huán)境中工作的基于LVDS (Low-Voltage Differential Signaling)技術(shù)的三維聲波測井?dāng)?shù)據(jù)高速傳輸裝置，用于三維聲波測井過程中控制板與采集板之間數(shù)據(jù)的高速傳輸。
背景技術(shù)：
三維聲波測井是在交叉偶極聲波測井技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新一代聲波測井技術(shù)，其測量原理是利用目前所有的聲波測量模式即單極、偶極及斯通利波，對各種頻帶的波形進行綜合測量以獲取地層的三維聲波特性即縱波時差、橫波及斯通利波在井筒軸向、徑向和周向的變化，對地層特性的方位性提供完整的描述。傳統(tǒng)的聲波測井只是測量特定頻帶的聲波信號，測量的數(shù)據(jù)量較小，因此低速的傳輸方式就能滿足對數(shù)據(jù)傳輸速度的要求。而三維聲波測井測量數(shù)據(jù)量十分龐大，采用低速傳輸難于滿足測量實時性的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服三維聲波測井?dāng)?shù)據(jù)量大，在井下傳輸受到嚴重的外界干擾的缺陷，提供一種基于LVDS技術(shù)的三維聲波測井?dāng)?shù)據(jù)高速傳輸裝置，以實現(xiàn)在采集數(shù)據(jù)量大和外界干擾嚴重的情況下，實時準確地完成控制板和采集板之間數(shù)據(jù)的高速傳輸。為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明基于LVDS技術(shù)的三維聲波測井?dāng)?shù)據(jù)高速傳輸裝置，其特征在于，包括轉(zhuǎn)接板、控制板、LVDS數(shù)據(jù)收發(fā)器、LVDS時鐘發(fā)送器、13塊采集板以及每個采集板對應(yīng)的LVDS時鐘接收器和LVDS數(shù)據(jù)收發(fā)器；地面控制系統(tǒng)通過測井電纜下發(fā)控制命令到轉(zhuǎn)接板，轉(zhuǎn)接板通過LAN接口接收命令，并通過Mcbsp接口即多通道緩沖串行口下傳給控制板；控制板中包含有井下主控模塊，命令發(fā)送模塊、數(shù)據(jù)接收模塊；井下主控模塊用于接收地面控制系統(tǒng)發(fā)送的命令，并做出解析，從而控制井下測井系統(tǒng)有序無誤地進行，同時把從采集板接收的三維聲波測井?dāng)?shù)據(jù)通過Mcbsp接口即多通道緩沖串行口上傳給轉(zhuǎn)接板，然后通過LAN接口、測井電纜再上傳到地面控制系統(tǒng)；命令發(fā)送模塊將井下主控模塊解析得到的命令通過LVDS數(shù)據(jù)收發(fā)器發(fā)送到LVDS串行傳輸總線上，再通過LVDS串行傳輸總線發(fā)送給采集板，以控制采集板的采樣率、采樣點數(shù)、采樣精度、工作時序以及信號調(diào)理電路的增益倍數(shù)等參數(shù)，同時命令發(fā)送模塊產(chǎn)生基準通信時鐘發(fā)送給數(shù)據(jù)接收模塊，并同時通過LVDS時鐘發(fā)送器發(fā)送給采集板，使控制板與采集板通信同步；數(shù)據(jù)接收模塊對13塊采集板通過LVDS串行傳輸總線發(fā)送過來的三維聲波測井?dāng)?shù)據(jù)進行準確無誤的接收，并存儲到相應(yīng)的存儲器中，然后，井下主控模塊通過Mcbsp接口將存儲器中存儲的三維聲波測井?dāng)?shù)據(jù)發(fā)送到地面控制系統(tǒng)；13塊采集板，每塊采集板中包括有命令接收模塊、ADC控制模塊、ADC轉(zhuǎn)換器、8路信號調(diào)理電路以及數(shù)據(jù)發(fā)送模塊；命令接收模塊通過LVDS時鐘接收器對來自控制板的基準通信時鐘進行接收，依據(jù)基準通信時鐘對LVDS串行傳輸總線上控制板發(fā)送的命令進行接收，并將命令發(fā)送給ADC控制模塊;ADC控制模塊根據(jù)接收到的命令，對信號調(diào)理電路的增益倍數(shù)進行配置，并控制ADC轉(zhuǎn)換器的采樣率、采樣點數(shù)、采樣精度以及工作時序；8路信號調(diào)理電路對接收換能器獲取的三維聲波測井信號進行調(diào)理后送入ADC轉(zhuǎn)換器，ADC轉(zhuǎn)換器依據(jù)ADC控制模塊確定的工作時序，對8路三維聲波測井信號進行采樣得到三維聲波測井?dāng)?shù)據(jù)；數(shù)據(jù)發(fā)送模塊將ADC轉(zhuǎn)換器得到的三維聲波測井?dāng)?shù)據(jù)進行處理并通過LVDS數(shù)據(jù)收發(fā)器發(fā)送到LVDS串行傳輸總線上，再發(fā)送給控制板。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的:三維聲波測井儀在實際工作中每塊采集板需要采集8通道的聲波信號，13塊采集板一共需要采集104通道的信號，因此測井?dāng)?shù)據(jù)量非常大，需要實時高速傳輸，這是以往聲波測井未碰到的難題。本發(fā)明基于LVDS技術(shù)的三維聲波測井?dāng)?shù)據(jù)高速傳輸裝置，首先地面控制系統(tǒng)下發(fā)控制命令，轉(zhuǎn)接板通過LAN 口接收命令，并通過Mcbsp接口下傳給控制板，然后使用LVDS接口技術(shù)來實現(xiàn)控制命令以及三維聲波測井?dāng)?shù)據(jù)的高速串行傳輸。LVDS通信接口技術(shù)是用極低的電壓擺幅以高速差分的方式進行數(shù)據(jù)傳輸，具有低噪聲，很好的共模抑制能力，低功耗并且電路能夠集成到系統(tǒng)級IC里面，從而克服了三維聲波測井?dāng)?shù)據(jù)傳輸距離遠，井下電路工作環(huán)境復(fù)雜，三維聲波測井信號容易受到外界干擾的問題，可實時準確地完成控制板和采集板之間數(shù)據(jù)的高速傳輸。


圖1是三維聲波測井儀結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明基于LVDS技術(shù)的三維聲波測井?dāng)?shù)據(jù)高速傳輸裝置一種具體實施方式
的原理框圖；圖3是圖2所示控制板部分一種具體實施方式
的原理框圖；圖4是圖2所示采集板模塊具體實施方式
的原理框圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
進行描述，以便本領(lǐng)域的技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明。需要特別提醒注意的是，在以下的描述中，當(dāng)已知功能和設(shè)計的詳細描述也許會淡化本發(fā)明的主要內(nèi)容時，這些描述在這里將被忽略。圖1是三維聲波測井儀結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，三維聲波測井儀擁有三個單極發(fā)射換能器和兩個正交的偶極發(fā)射換能器發(fā)射聲波信號，采用十三組接收換能器R1-R13的接收陣列接收聲波信號。其中三個單極發(fā)射器，分別為上單極、下單極和遠單極發(fā)射換能器，上單極發(fā)射換能器和下單極發(fā)射換能器分布在接收陣列的兩端，遠單極發(fā)射換能器和X、Y偶極發(fā)射換能器位于三維聲波測井儀下部距離接收陣列較遠處。三個單極發(fā)射換能器用于產(chǎn)生不同源距的縱波、橫波和斯通利波，X、Y正交偶極發(fā)射換能器用于產(chǎn)生彎曲波，通過不同的組合模式可獲得所需的多種模式波形數(shù)據(jù)。13塊采集板位于接收陣列處，分別與十三組接收換能器R1-R13連接，控制板位于上單極發(fā)射換能器端一定距離處，通過控制板通過LVDS串行傳輸總線與13塊采集板連接。在本實施例中，如圖3所示，控制板部分包括轉(zhuǎn)接板1、控制板2、LVDS數(shù)據(jù)收發(fā)器
3、LVDS時鐘發(fā)送器4，而控制板2又包含有井下主控模塊201，命令發(fā)送模塊202、數(shù)據(jù)接收模塊203，其中靜態(tài)RAM為井下主控模塊201的存儲器。地面控制系統(tǒng)通過測井電纜下發(fā)控制命令到轉(zhuǎn)接板1，轉(zhuǎn)接板I通過LAN接口接收命令，并通過Mcbsp接口即多通道緩沖串行口下傳給控制板2。在本實施例中，井下主控模塊201由DSP來實現(xiàn)。DSP通過Mcbsp接口來接收地面控制系統(tǒng)通過轉(zhuǎn)接板I發(fā)送來控制命令，做出解析并傳送給命令發(fā)送模塊202 ;其次，當(dāng)三維聲波測井?dāng)?shù)據(jù)接收完畢后，通過該Mcbsp接口上傳到地面控制系統(tǒng)。在本實施例中，控制板2中的井下主控模塊201由DSP來實現(xiàn)，命令發(fā)送模塊202和數(shù)據(jù)接收模塊203均由FPGA來實現(xiàn)。如圖2所示，命令發(fā)送模塊202先發(fā)送復(fù)位信號RST至采集板，隨之把井下主控模塊201接收并解析出的16bit控制命令進行16位到8位的轉(zhuǎn)換，然后進行8B/10B編碼得到IObit編碼命令，經(jīng)過并串轉(zhuǎn)換得到串行的命令數(shù)據(jù)，然后通過LVDS數(shù)據(jù)收發(fā)器3換成低壓差分信號，發(fā)送至LVDS串行傳輸總線D_H1、D-Ll即數(shù)據(jù)線上，最后命令發(fā)送模塊202再發(fā)送采集信號ACQ觸發(fā)采集板開始采集工作。數(shù)據(jù)接收模塊203則接收從LVDS數(shù)據(jù)收發(fā)器3傳過來的串行三維聲波測井?dāng)?shù)據(jù)，采用多重相位過采樣法對串行三維聲波測井?dāng)?shù)據(jù)進行恢復(fù)，然后進行串并轉(zhuǎn)換得到IObit的三維聲波測井?dāng)?shù)據(jù)，再對IObit的三維聲波測井?dāng)?shù)據(jù)進行8B/10B解碼得到8bit三維聲波測井?dāng)?shù)據(jù)并按照規(guī)定的通信協(xié)議進行拆解重裝還原出原始的三維聲波測井?dāng)?shù)據(jù)。如圖2、3所示，命令發(fā)送模塊202中包含有數(shù)字時鐘管理器，用于產(chǎn)生基準通信時鐘并發(fā)送給數(shù)據(jù)接收模塊203，同時通過LVDS時鐘發(fā)送器4、時鐘線C-HUC-Ll發(fā)送給采集板，使控制板與采集板通信同步。在本實施例中，F(xiàn)PGA采用Xilinx公司Spartan3E系列的產(chǎn)品，F(xiàn)PGA要完成的邏輯控制，8B/10B編解碼，數(shù)據(jù)恢復(fù)等功能采用VerilogHDL硬件描述語言來實現(xiàn)，開發(fā)平臺為ISE13.2。LVDS接口芯片采用NS公司的DS90LV019，與地面通訊的主控芯片DSP為TI公司的 TMS320F2812。在本實施例中，如圖3所示，每塊采集板中包括有命令接收模塊701、ADC控制模塊702、ADC轉(zhuǎn)換器703、8路信號調(diào)理電路704以及數(shù)據(jù)發(fā)送模塊705 ;命令接收模塊701通過LVDS時鐘接收器5對來自控制板的基準通信時鐘進行接收，依據(jù)基準通信時鐘對LVDS串行傳輸總線上控制板發(fā)送的命令進行接收，并將命令發(fā)送給ADC控制模塊702 ；ADC控制模塊702根據(jù)接收到的命令，對8路信號調(diào)理電路704進行配置，并控制ADC轉(zhuǎn)換器703的工作時序；8路信號調(diào)理電路704對接收換能器獲取的三維聲波測井信號進行調(diào)理后送入ADC轉(zhuǎn)換器703，ADC轉(zhuǎn)換器703依據(jù)ADC控制模塊702確定的工作時序，對8路三維聲波測井信號進行采樣得到三維聲波測井?dāng)?shù)據(jù)；數(shù)據(jù)發(fā)送模塊705將ADC轉(zhuǎn)換器703得到的三維聲波測井?dāng)?shù)據(jù)進行處理并通過LVDS數(shù)據(jù)收發(fā)器6發(fā)送到LVDS串行傳輸總線上，再發(fā)送給控制板。在本實施例中，如圖2、4所示，命令接收模塊701先收到復(fù)位信號RST對整個采集板進行復(fù)位；接著根據(jù)接收到的控制命令對采樣率、采樣點數(shù)、采樣精度、工作時序和信號調(diào)理電路增益倍數(shù)等進行配置；當(dāng)采集信號ACQ有效時，啟動ADC轉(zhuǎn)換器對三維聲波測井信號進行采集并存在數(shù)據(jù)發(fā)送模塊705中；同時將存儲在數(shù)據(jù)發(fā)送模塊705中的三維聲波測井?dāng)?shù)據(jù)按照規(guī)定的通信協(xié)議進行打包封裝，然后經(jīng)過8B/10B編碼，并串轉(zhuǎn)換輸出串行數(shù)據(jù)，最后經(jīng)過LVDS數(shù)據(jù)收發(fā)器6轉(zhuǎn)換成低壓差分信號發(fā)送到LVDS串行傳輸總線上。在本實施例中，采集板部分同樣采用Xilinx公司Spartan3E系列的產(chǎn)品，F(xiàn)PGA完成的邏輯控制，8B/10B編解碼，串行數(shù)據(jù)恢復(fù)等功能采用VerilogHDL硬件描述語言來實現(xiàn)，開發(fā)平臺為ISE13.2。LVDS接口芯片采用NS公司的DS90LV019，同時采用TI的具有8通道同時采樣功能的高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS1278。本發(fā)明基于LVDS技術(shù)的三維聲波測井?dāng)?shù)據(jù)高速傳輸裝置具有以下優(yōu)點:1、使用LVDS接口技術(shù)來實現(xiàn)三維測井聲波數(shù)據(jù)的高速串行傳輸。三維聲波測井儀在實際工作中每塊采集板需要采集8通道的聲波信號，13塊采集板一共需要采集104通道的信號，因此測井?dāng)?shù)據(jù)量非常大，需要實時高速傳輸，這是以往聲波測井未碰到的難題。而且數(shù)據(jù)傳輸距離遠，井下電路工作環(huán)境復(fù)雜，信號容易受到外界干擾。LVDS通信接口技術(shù)很好解決了這一難題，其技術(shù)核心是用極低的電壓擺幅以高速差分的方式進行數(shù)據(jù)傳輸，具有低噪聲，很好的共模抑制能力，低功耗并且電路能夠集成到系統(tǒng)級IC里面。2、使用8B/10B編碼技術(shù)來實現(xiàn)對發(fā)送數(shù)據(jù)的編碼。在三維聲波測井?dāng)?shù)據(jù)傳輸裝置中，采用的是高速串行數(shù)據(jù)傳輸方式。采用8B/10B的編碼技術(shù)能夠保證數(shù)據(jù)流中有足夠的信號轉(zhuǎn)換，即數(shù)據(jù)流中連續(xù)的I或O不會超過5個，使得接收端能夠正常地對數(shù)據(jù)進行恢復(fù)；其次由于采用LVDS技術(shù)，要求直流分量盡量小，而8B/10B有直流補償功能，即鏈路中不會隨著時間的推移而出現(xiàn)直流偏移；再有8B/10B編碼是按特定的規(guī)則進行編碼，根據(jù)這些規(guī)則能夠檢測出傳輸過程中發(fā)生的錯誤信息；同時8B/10B編碼還規(guī)定了一些特殊控制碼，可以用作同步字符和訓(xùn)練碼等。盡管上面對本發(fā)明說明性的具體實施方式
進行了描述，以便于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員理解本發(fā)明，但應(yīng)該清楚，本發(fā)明不限于具體實施方式
的范圍，對本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來講，只要各種變化在所附的權(quán)利要求限定和確定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，這些變化是顯而易見的，一切利用本發(fā)明構(gòu)思的發(fā)明創(chuàng)造均在保護之列。
權(quán)利要求
1.一種基于LVDS技術(shù)的三維聲波測井?dāng)?shù)據(jù)高速傳輸裝置，包括轉(zhuǎn)接板、控制板、LVDS數(shù)據(jù)收發(fā)器、LVDS時鐘發(fā)送器、13塊采集板以及每個采集板對應(yīng)的LVDS時鐘接收器和LVDS數(shù)據(jù)收發(fā)器； 地面控制系統(tǒng)通過測井電纜下發(fā)控制命令到轉(zhuǎn)接板，轉(zhuǎn)接板通過LAN接口接收命令，并通過Mcbsp接口即多通道緩沖串行口下傳給控制板； 控制板中包含有井下主控模塊，命令發(fā)送模塊、數(shù)據(jù)接收模塊；井下主控模塊用于接收地面控制系統(tǒng)發(fā)送的命令，并做出解析，從而控制井下測井系統(tǒng)有序無誤地進行，同時把從采集板接收的三維聲波測井?dāng)?shù)據(jù)通過Mcbsp接口即多通道緩沖串行口上傳給轉(zhuǎn)接板，然后通過LAN接口、測井電纜再上傳到地面控制系統(tǒng)；命令發(fā)送模塊將井下主控模塊解析得到的命令通過LVDS數(shù)據(jù)收發(fā)器發(fā)送到LVDS串行傳輸總線上，再通過LVDS數(shù)據(jù)收發(fā)器發(fā)送給采集板，以控制采集板的采樣率、采樣點數(shù)、采樣精度、工作時序以及信號調(diào)理電路的增益倍數(shù)等參數(shù)，同時命令發(fā)送模塊產(chǎn)生基準通信時鐘發(fā)送給數(shù)據(jù)接收模塊，并同時通過LVDS時鐘發(fā)送器發(fā)送給采集板，使控制板與采集板通信同步；數(shù)據(jù)接收模塊對13塊采集板通過LVDS串行傳輸總線發(fā)送過來的三維聲波測井?dāng)?shù)據(jù)進行準確無誤的接收，并存儲到相應(yīng)的存儲器中，然后，井下主控模塊通過Mcbsp接口將存儲器中存儲的三維聲波測井?dāng)?shù)據(jù)發(fā)送到地面控制系統(tǒng)； 13塊采集板，每塊采集板中包括有命令接收模塊、ADC控制模塊、ADC轉(zhuǎn)換器、8路信號調(diào)理電路以及數(shù)據(jù)發(fā)送模塊；命令接收模塊通過LVDS時鐘接收器對來自控制板的基準通信時鐘進行接收，依據(jù)基準通信時鐘對LVDS串行傳輸總線上控制板發(fā)送的命令進行接收，并將命令發(fā)送給ADC控制模塊;ADC控制模塊根據(jù)接收到的命令，對信號調(diào)理電路的增益倍數(shù)進行配置，并控制ADC轉(zhuǎn)換器的采樣率、采樣點數(shù)、采樣精度以及工作時序；8路信號調(diào)理電路對接收換能器獲取的三維聲波測井信號進行調(diào)理后送入ADC轉(zhuǎn)換器，ADC轉(zhuǎn)換器依據(jù)ADC控制模塊確定的工作時序，對8路三維聲波測井信號進行采樣得到三維聲波測井?dāng)?shù)據(jù)； 數(shù)據(jù)發(fā)送模塊是將ADC轉(zhuǎn)換器得 到的三維聲波測井?dāng)?shù)據(jù)進行處理并通過LVDS數(shù)據(jù)收發(fā)器發(fā)送到LVDS串行傳輸總線上，再發(fā)送給控制板。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維聲波測井?dāng)?shù)據(jù)高速傳輸裝置，其特征在于，所述控制板的井下主控模塊由DSP來實現(xiàn)，命令發(fā)送模塊和數(shù)據(jù)接收模塊均由FPGA來實現(xiàn)；命令發(fā)送模塊先發(fā)送復(fù)位信號RST至采集板，隨之把井下主控模塊接收并解析出的16bit控制命令進行16位到8位的轉(zhuǎn)換，然后進行8B/10B編碼得到IObit編碼命令，經(jīng)過并串轉(zhuǎn)換得到串行的命令數(shù)據(jù)，然后通過LVDS數(shù)據(jù)收發(fā)器轉(zhuǎn)換成低壓差分信號，發(fā)送至LVDS串行傳輸總線上，最后命令發(fā)送模塊發(fā)送采集信號ACQ觸發(fā)采集板開始采集工作； 數(shù)據(jù)接收模塊則接收從LVDS數(shù)據(jù)收發(fā)器傳過來的串行三維聲波測井?dāng)?shù)據(jù)，采用多重相位過采樣法對串行三維聲波測井?dāng)?shù)據(jù)進行恢復(fù)，然后進行串并轉(zhuǎn)換得到IObit的三維聲波測井?dāng)?shù)據(jù)，再對IObit的三維聲波測井?dāng)?shù)據(jù)進行8B/10B解碼得到8bit三維聲波測井?dāng)?shù)據(jù)并按照規(guī)定的通信協(xié)議進行拆解重裝還原出原始的三維聲波測井?dāng)?shù)據(jù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的三維聲波測井?dāng)?shù)據(jù)高速傳輸裝置，其特征在于，采集板的命令接收模塊先收到復(fù)位信號RST對整個采集板進行復(fù)位；接著根據(jù)接收到的控制命令對采樣率、采樣點數(shù)、采樣精度、工作時序和信號調(diào)理電路增益倍數(shù)等進行配置；當(dāng)采集信號ACQ有效時，啟動ADC轉(zhuǎn)換器對三維聲波測井信號進行采集并存在數(shù)據(jù)發(fā)送模塊705中；同時將存儲在數(shù)據(jù)發(fā)送模塊705中的三維聲波測井?dāng)?shù)據(jù)按照規(guī)定的通信協(xié)議進行打包封裝，然后經(jīng)過8B/10B編碼，并串轉(zhuǎn)換輸出串行數(shù)據(jù)，最后經(jīng)過LVDS數(shù)據(jù)收發(fā)器轉(zhuǎn)換成低壓差分信號發(fā)送到LVDS串 行傳輸總線上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于LVDS技術(shù)的三維聲波測井?dāng)?shù)據(jù)高速傳輸裝置，首先地面控制系統(tǒng)下發(fā)控制命令，轉(zhuǎn)接板通過LAN口接收命令，并通過Mcbsp接口即多通道緩沖串行口下傳給控制板，然后使用LVDS接口技術(shù)來實現(xiàn)控制命令以及三維測井聲波數(shù)據(jù)的高速串行傳輸。LVDS通信接口技術(shù)是用極低的電壓擺幅以高速差分的方式進行數(shù)據(jù)傳輸，具有低噪聲，很好的共模抑制能力，低功耗并且電路能夠集成到系統(tǒng)級IC里面，從而克服了三維聲波測井?dāng)?shù)據(jù)傳輸距離遠，井下電路工作環(huán)境復(fù)雜，三維聲波測井信號容易受到外界干擾的問題，可實時準確地完成控制板和采集板之間數(shù)據(jù)的高速傳輸。
文檔編號E21B47/14GK103147745SQ20131005731
公開日2013年6月12日 申請日期2013年2月22日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月22日
發(fā)明者師奕兵, 張偉, 周龍甫, 張偉杰, 李金剛, 馬東 申請人:電子科技大學(xué)