专利名称：一种基于lvds技术的三维声波测井数据高速传输装置的制作方法
技术领域：
本发明属于测井信号高速传输技术领域，更为具体地讲，涉及一种适合在井下高温恶劣环境中工作的基于LVDS (Low-Voltage Differential Signaling)技术的三维声波测井数据高速传输装置，用于三维声波测井过程中控制板与采集板之间数据的高速传输。
背景技术：
三维声波测井是在交叉偶极声波测井技术基础上发展起来的新一代声波测井技术，其测量原理是利用目前所有的声波测量模式即单极、偶极及斯通利波，对各种频带的波形进行综合测量以获取地层的三维声波特性即纵波时差、横波及斯通利波在井筒轴向、径向和周向的变化，对地层特性的方位性提供完整的描述。传统的声波测井只是测量特定频带的声波信号，测量的数据量较小，因此低速的传输方式就能满足对数据传输速度的要求。而三维声波测井测量数据量十分庞大，采用低速传输难于满足测量实时性的要求。
发明内容
本发明的目的在于克服三维声波测井数据量大，在井下传输受到严重的外界干扰的缺陷，提供一种基于LVDS技术的三维声波测井数据高速传输装置，以实现在采集数据量大和外界干扰严重的情况下，实时准确地完成控制板和采集板之间数据的高速传输。为实现以上目的，本发明基于LVDS技术的三维声波测井数据高速传输装置，其特征在于，包括转接板、控制板、LVDS数据收发器、LVDS时钟发送器、13块采集板以及每个采集板对应的LVDS时钟接收器和LVDS数据收发器；地面控制系统通过测井电缆下发控制命令到转接板，转接板通过LAN接口接收命令，并通过Mcbsp接口即多通道缓冲串行口下传给控制板；控制板中包含有井下主控模块，命令发送模块、数据接收模块；井下主控模块用于接收地面控制系统发送的命令，并做出解析，从而控制井下测井系统有序无误地进行，同时把从采集板接收的三维声波测井数据通过Mcbsp接口即多通道缓冲串行口上传给转接板，然后通过LAN接口、测井电缆再上传到地面控制系统；命令发送模块将井下主控模块解析得到的命令通过LVDS数据收发器发送到LVDS串行传输总线上，再通过LVDS串行传输总线发送给采集板，以控制采集板的采样率、采样点数、采样精度、工作时序以及信号调理电路的增益倍数等参数，同时命令发送模块产生基准通信时钟发送给数据接收模块，并同时通过LVDS时钟发送器发送给采集板，使控制板与采集板通信同步；数据接收模块对13块采集板通过LVDS串行传输总线发送过来的三维声波测井数据进行准确无误的接收，并存储到相应的存储器中，然后，井下主控模块通过Mcbsp接口将存储器中存储的三维声波测井数据发送到地面控制系统；13块采集板，每块采集板中包括有命令接收模块、ADC控制模块、ADC转换器、8路信号调理电路以及数据发送模块；命令接收模块通过LVDS时钟接收器对来自控制板的基准通信时钟进行接收，依据基准通信时钟对LVDS串行传输总线上控制板发送的命令进行接收，并将命令发送给ADC控制模块;ADC控制模块根据接收到的命令，对信号调理电路的增益倍数进行配置，并控制ADC转换器的采样率、采样点数、采样精度以及工作时序；8路信号调理电路对接收换能器获取的三维声波测井信号进行调理后送入ADC转换器，ADC转换器依据ADC控制模块确定的工作时序，对8路三维声波测井信号进行采样得到三维声波测井数据；数据发送模块将ADC转换器得到的三维声波测井数据进行处理并通过LVDS数据收发器发送到LVDS串行传输总线上，再发送给控制板。本发明的目的是这样实现的:三维声波测井仪在实际工作中每块采集板需要采集8通道的声波信号，13块采集板一共需要采集104通道的信号，因此测井数据量非常大，需要实时高速传输，这是以往声波测井未碰到的难题。本发明基于LVDS技术的三维声波测井数据高速传输装置，首先地面控制系统下发控制命令，转接板通过LAN 口接收命令，并通过Mcbsp接口下传给控制板，然后使用LVDS接口技术来实现控制命令以及三维声波测井数据的高速串行传输。LVDS通信接口技术是用极低的电压摆幅以高速差分的方式进行数据传输，具有低噪声，很好的共模抑制能力，低功耗并且电路能够集成到系统级IC里面，从而克服了三维声波测井数据传输距离远，井下电路工作环境复杂，三维声波测井信号容易受到外界干扰的问题，可实时准确地完成控制板和采集板之间数据的高速传输。
图1是三维声波测井仪结构示意图；图2是本发明基于LVDS技术的三维声波测井数据高速传输装置一种具体实施方式
的原理框图；图3是图2所示控制板部分一种具体实施方式
的原理框图；图4是图2所示采集板模块具体实施方式
的原理框图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的具体实施方式
进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。图1是三维声波测井仪结构示意图。如图1所示，三维声波测井仪拥有三个单极发射换能器和两个正交的偶极发射换能器发射声波信号，采用十三组接收换能器R1-R13的接收阵列接收声波信号。其中三个单极发射器，分别为上单极、下单极和远单极发射换能器，上单极发射换能器和下单极发射换能器分布在接收阵列的两端，远单极发射换能器和X、Y偶极发射换能器位于三维声波测井仪下部距离接收阵列较远处。三个单极发射换能器用于产生不同源距的纵波、横波和斯通利波，X、Y正交偶极发射换能器用于产生弯曲波，通过不同的组合模式可获得所需的多种模式波形数据。13块采集板位于接收阵列处，分别与十三组接收换能器R1-R13连接，控制板位于上单极发射换能器端一定距离处，通过控制板通过LVDS串行传输总线与13块采集板连接。在本实施例中，如图3所示，控制板部分包括转接板1、控制板2、LVDS数据收发器
3、LVDS时钟发送器4，而控制板2又包含有井下主控模块201，命令发送模块202、数据接收模块203，其中静态RAM为井下主控模块201的存储器。地面控制系统通过测井电缆下发控制命令到转接板1，转接板I通过LAN接口接收命令，并通过Mcbsp接口即多通道缓冲串行口下传给控制板2。在本实施例中，井下主控模块201由DSP来实现。DSP通过Mcbsp接口来接收地面控制系统通过转接板I发送来控制命令，做出解析并传送给命令发送模块202 ;其次，当三维声波测井数据接收完毕后，通过该Mcbsp接口上传到地面控制系统。在本实施例中，控制板2中的井下主控模块201由DSP来实现，命令发送模块202和数据接收模块203均由FPGA来实现。如图2所示，命令发送模块202先发送复位信号RST至采集板，随之把井下主控模块201接收并解析出的16bit控制命令进行16位到8位的转换，然后进行8B/10B编码得到IObit编码命令，经过并串转换得到串行的命令数据，然后通过LVDS数据收发器3换成低压差分信号，发送至LVDS串行传输总线D_H1、D-Ll即数据线上，最后命令发送模块202再发送采集信号ACQ触发采集板开始采集工作。数据接收模块203则接收从LVDS数据收发器3传过来的串行三维声波测井数据，采用多重相位过采样法对串行三维声波测井数据进行恢复，然后进行串并转换得到IObit的三维声波测井数据，再对IObit的三维声波测井数据进行8B/10B解码得到8bit三维声波测井数据并按照规定的通信协议进行拆解重装还原出原始的三维声波测井数据。如图2、3所示，命令发送模块202中包含有数字时钟管理器，用于产生基准通信时钟并发送给数据接收模块203，同时通过LVDS时钟发送器4、时钟线C-HUC-Ll发送给采集板，使控制板与采集板通信同步。在本实施例中，FPGA采用Xilinx公司Spartan3E系列的产品，FPGA要完成的逻辑控制，8B/10B编解码，数据恢复等功能采用VerilogHDL硬件描述语言来实现，开发平台为ISE13.2。LVDS接口芯片采用NS公司的DS90LV019，与地面通讯的主控芯片DSP为TI公司的 TMS320F2812。在本实施例中，如图3所示，每块采集板中包括有命令接收模块701、ADC控制模块702、ADC转换器703、8路信号调理电路704以及数据发送模块705 ;命令接收模块701通过LVDS时钟接收器5对来自控制板的基准通信时钟进行接收，依据基准通信时钟对LVDS串行传输总线上控制板发送的命令进行接收，并将命令发送给ADC控制模块702 ；ADC控制模块702根据接收到的命令，对8路信号调理电路704进行配置，并控制ADC转换器703的工作时序；8路信号调理电路704对接收换能器获取的三维声波测井信号进行调理后送入ADC转换器703，ADC转换器703依据ADC控制模块702确定的工作时序，对8路三维声波测井信号进行采样得到三维声波测井数据；数据发送模块705将ADC转换器703得到的三维声波测井数据进行处理并通过LVDS数据收发器6发送到LVDS串行传输总线上，再发送给控制板。在本实施例中，如图2、4所示，命令接收模块701先收到复位信号RST对整个采集板进行复位；接着根据接收到的控制命令对采样率、采样点数、采样精度、工作时序和信号调理电路增益倍数等进行配置；当采集信号ACQ有效时，启动ADC转换器对三维声波测井信号进行采集并存在数据发送模块705中；同时将存储在数据发送模块705中的三维声波测井数据按照规定的通信协议进行打包封装，然后经过8B/10B编码，并串转换输出串行数据，最后经过LVDS数据收发器6转换成低压差分信号发送到LVDS串行传输总线上。在本实施例中，采集板部分同样采用Xilinx公司Spartan3E系列的产品，FPGA完成的逻辑控制，8B/10B编解码，串行数据恢复等功能采用VerilogHDL硬件描述语言来实现，开发平台为ISE13.2。LVDS接口芯片采用NS公司的DS90LV019，同时采用TI的具有8通道同时采样功能的高精度模数转换芯片ADS1278。本发明基于LVDS技术的三维声波测井数据高速传输装置具有以下优点:1、使用LVDS接口技术来实现三维测井声波数据的高速串行传输。三维声波测井仪在实际工作中每块采集板需要采集8通道的声波信号，13块采集板一共需要采集104通道的信号，因此测井数据量非常大，需要实时高速传输，这是以往声波测井未碰到的难题。而且数据传输距离远，井下电路工作环境复杂，信号容易受到外界干扰。LVDS通信接口技术很好解决了这一难题，其技术核心是用极低的电压摆幅以高速差分的方式进行数据传输，具有低噪声，很好的共模抑制能力，低功耗并且电路能够集成到系统级IC里面。2、使用8B/10B编码技术来实现对发送数据的编码。在三维声波测井数据传输装置中，采用的是高速串行数据传输方式。采用8B/10B的编码技术能够保证数据流中有足够的信号转换，即数据流中连续的I或O不会超过5个，使得接收端能够正常地对数据进行恢复；其次由于采用LVDS技术，要求直流分量尽量小，而8B/10B有直流补偿功能，即链路中不会随着时间的推移而出现直流偏移；再有8B/10B编码是按特定的规则进行编码，根据这些规则能够检测出传输过程中发生的错误信息；同时8B/10B编码还规定了一些特殊控制码，可以用作同步字符和训练码等。尽管上面对本发明说明性的具体实施方式
进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式
的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
权利要求
1.一种基于LVDS技术的三维声波测井数据高速传输装置，包括转接板、控制板、LVDS数据收发器、LVDS时钟发送器、13块采集板以及每个采集板对应的LVDS时钟接收器和LVDS数据收发器； 地面控制系统通过测井电缆下发控制命令到转接板，转接板通过LAN接口接收命令，并通过Mcbsp接口即多通道缓冲串行口下传给控制板； 控制板中包含有井下主控模块，命令发送模块、数据接收模块；井下主控模块用于接收地面控制系统发送的命令，并做出解析，从而控制井下测井系统有序无误地进行，同时把从采集板接收的三维声波测井数据通过Mcbsp接口即多通道缓冲串行口上传给转接板，然后通过LAN接口、测井电缆再上传到地面控制系统；命令发送模块将井下主控模块解析得到的命令通过LVDS数据收发器发送到LVDS串行传输总线上，再通过LVDS数据收发器发送给采集板，以控制采集板的采样率、采样点数、采样精度、工作时序以及信号调理电路的增益倍数等参数，同时命令发送模块产生基准通信时钟发送给数据接收模块，并同时通过LVDS时钟发送器发送给采集板，使控制板与采集板通信同步；数据接收模块对13块采集板通过LVDS串行传输总线发送过来的三维声波测井数据进行准确无误的接收，并存储到相应的存储器中，然后，井下主控模块通过Mcbsp接口将存储器中存储的三维声波测井数据发送到地面控制系统； 13块采集板，每块采集板中包括有命令接收模块、ADC控制模块、ADC转换器、8路信号调理电路以及数据发送模块；命令接收模块通过LVDS时钟接收器对来自控制板的基准通信时钟进行接收，依据基准通信时钟对LVDS串行传输总线上控制板发送的命令进行接收，并将命令发送给ADC控制模块;ADC控制模块根据接收到的命令，对信号调理电路的增益倍数进行配置，并控制ADC转换器的采样率、采样点数、采样精度以及工作时序；8路信号调理电路对接收换能器获取的三维声波测井信号进行调理后送入ADC转换器，ADC转换器依据ADC控制模块确定的工作时序，对8路三维声波测井信号进行采样得到三维声波测井数据； 数据发送模块是将ADC转换器得 到的三维声波测井数据进行处理并通过LVDS数据收发器发送到LVDS串行传输总线上，再发送给控制板。
2.根据权利要求1所述的三维声波测井数据高速传输装置，其特征在于，所述控制板的井下主控模块由DSP来实现，命令发送模块和数据接收模块均由FPGA来实现；命令发送模块先发送复位信号RST至采集板，随之把井下主控模块接收并解析出的16bit控制命令进行16位到8位的转换，然后进行8B/10B编码得到IObit编码命令，经过并串转换得到串行的命令数据，然后通过LVDS数据收发器转换成低压差分信号，发送至LVDS串行传输总线上，最后命令发送模块发送采集信号ACQ触发采集板开始采集工作； 数据接收模块则接收从LVDS数据收发器传过来的串行三维声波测井数据，采用多重相位过采样法对串行三维声波测井数据进行恢复，然后进行串并转换得到IObit的三维声波测井数据，再对IObit的三维声波测井数据进行8B/10B解码得到8bit三维声波测井数据并按照规定的通信协议进行拆解重装还原出原始的三维声波测井数据。
3.根据权利要求2所述的三维声波测井数据高速传输装置，其特征在于，采集板的命令接收模块先收到复位信号RST对整个采集板进行复位；接着根据接收到的控制命令对采样率、采样点数、采样精度、工作时序和信号调理电路增益倍数等进行配置；当采集信号ACQ有效时，启动ADC转换器对三维声波测井信号进行采集并存在数据发送模块705中；同时将存储在数据发送模块705中的三维声波测井数据按照规定的通信协议进行打包封装，然后经过8B/10B编码，并串转换输出串行数据，最后经过LVDS数据收发器转换成低压差分信号发送到LVDS串 行传输总线上。
全文摘要
本发明公开了一种基于LVDS技术的三维声波测井数据高速传输装置，首先地面控制系统下发控制命令，转接板通过LAN口接收命令，并通过Mcbsp接口即多通道缓冲串行口下传给控制板，然后使用LVDS接口技术来实现控制命令以及三维测井声波数据的高速串行传输。LVDS通信接口技术是用极低的电压摆幅以高速差分的方式进行数据传输，具有低噪声，很好的共模抑制能力，低功耗并且电路能够集成到系统级IC里面，从而克服了三维声波测井数据传输距离远，井下电路工作环境复杂，三维声波测井信号容易受到外界干扰的问题，可实时准确地完成控制板和采集板之间数据的高速传输。
文档编号E21B47/14GK103147745SQ20131005731
公开日2013年6月12日 申请日期2013年2月22日 优先权日2013年2月22日
发明者师奕兵, 张伟, 周龙甫, 张伟杰, 李金刚, 马东 申请人:电子科技大学