一种基于Nios软核的井下调制解调器及方法
【专利摘要】一种基于Nios软核的井下调制解调器及方法。属于石油测井领域电缆数据传输系统【技术领域】。使用一片功耗低的Altera的CycloneIIIFPGA芯片，利用NiosII软核技术在其中构造多个处理器，完成调制解调功能；数据采集嵌入式NiosII处理器，它主要是通过FPGA中相关接口电路控制采集井下仪器CAN总线数据，并完成其它辅助采集功能；命令接收嵌入式NiosII处理器通过命令接收辅助电路接收地面下发命令，并和相关处理逻辑一起解调出地面命令，用于井下仪器的控制；数据发送嵌入式NiosII处理器将井下采集来的各种数据组织打包，并和相关处理逻辑一起进行相关调制，然后通过发送辅助电路发送出去。
【专利说明】-种基于Nios软核的井下调制解调器及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于Nios软核的井下调制解调器及方法。属于石油测井领域电 缆数据传输系统【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 石油测井领域井下调制解调器主要完成将井下数据调制后发送到地面；同时接收 地面命令，解调后发送给井下仪器。目前国内的测井遥传系统中所用的井下调制解调器都 是使用各种数据处理CPU芯片与FPGA芯片共同完成调制解调功能，造成电路设计复杂，电 路板尺寸较大。而石油测井井下仪器因井下空间的限制，要求电路板尺寸要小，集成度要 高。尤其是高温高压小直径仪器，对电路板的集成度和尺寸要求更加苛刻。同时因为电路 安装在保温瓶内，所以要求瓶内功耗要低。为了解决这一问题，必须提高系统集成度，应用 先进的Nios II软核嵌入式处理器技术可以实现井下调制解调器的高集成化，而且功耗更 低，可靠性更好，成本更为降低。
【发明内容】
[0003] 为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于Nios软核的井下调制解调器及 方法。
[0004] 本发明解决的技术问题是石油测井数据传输的井下调制解调器集成化程度不高， 功耗过大，电路尺寸较大。
[0005] 本发明解决上述问题采用的技术方案是利用一种先进的嵌入式软核技术，具体的 说是基于Nios II软核在一片FPGA芯片中构造多个处理器和相应接口和逻辑电路实现井 下数据传输调制解调的功能。
[0006] 本发明的技术方案如下：
[0007] -种基于Nios软核的井下调制解调方法，含有以下步骤，使用一片功耗低的 Altera的Cyclone III FPGA芯片，利用Nios II软核技术在其中构造多个处理器，完成调 制解调功能；在该器件中嵌入3个Nios II处理器；一是数据采集嵌入式Nios II处理器， 它主要是通过FPGA中相关接口电路控制采集井下仪器CAN总线数据，并完成其它辅助采集 功能，一个伽玛脉冲计数器、一个缆头电压采集器；二是命令接收嵌入式Nios II处理器， 它通过命令接收辅助电路接收地面下发命令，并和相关处理逻辑一起解调出地面命令，用 于井下仪器的控制；三是数据发送嵌入式Nios II处理器，它将井下采集来的各种数据组 织打包，并和相关处理逻辑一起进行相关调制，然后通过发送辅助电路发送出去。
[0008] -种基于Nios软核的井下调制解调器，利用Nios II软核技术在一片FPGA中构 造多个处理器，配合相关接口电路和逻辑完成复杂的调制解调功能；包括一个FPGA芯片； FPGA芯片中主要包括：数据采集嵌入式Nios II处理器、命令接收嵌入式Nios II处理器、 数据发送嵌入式Nios II处理器、数据采集接口电路与逻辑、命令接收处理电路与逻辑和 数据发送处理电路与逻辑；其中命令接收嵌入式Nios II处理器和命令接收处理电路与逻 辑，构成调制解调器的下发命令接收模块；数据发送嵌入式Nios II处理器和数据发送处 理电路与逻辑，构成调制解调器的上传数据发送模块；数据采集嵌入式Nios II处理器通 过数据采集接口电路与逻辑14采集井下仪器的数据和参数，加以组织整理后，送到数据发 送嵌入式Nios II处理器；采集的数据主要包括CAN总线数据、伽玛脉冲信号和缆头电压信 号等；同时它还接收命令接收嵌入式Nios II处理器送来的地面命令，对井下仪器进行相 应控制；下发命令接收模块负责从电缆上接收地面下发的测井命令；它包括命令接收嵌入 式Nios II处理器和命令接收处理电路与逻辑两部分；地面通过电缆下发的数据流在这两 部分中进行星座映射、译码变换等工作后解调出测井命令，然后送到数据采集嵌入式Nios II处理器处理；上传数据发送模块负责发送井下仪器采集的测井数据；它包括数据发送嵌 入式Nios II处理器和命令接收处理电路与逻辑两部分；数据发送嵌入式Nios II处理器 数据采集嵌入式Nios II处理器获取井下采集的测井数据，然后与数据发送处理电路与逻 辑一起，对这些数据进行组帧、编码和调制等工作后发送出去。
[0009] 本发明使用一片功耗低的Altera的Cyclone III FPGA芯片，利用Nios II软核 技术在其中构造多个处理器，完成调制解调功能。设计中在该器件中嵌入3个Nios II处 理器。一是数据采集嵌入式Nios II处理器，它主要是通过FPGA中相关接口电路控制采集 井下仪器CAN总线数据，并完成其它辅助采集功能，一个伽玛脉冲计数器、一个缆头电压采 集器。二是命令接收嵌入式Nios II处理器，它通过命令接收辅助电路接收地面下发命令， 并和相关处理逻辑一起解调出地面命令，用于井下仪器的控制。三是数据发送嵌入式Nios II处理器，它将井下采集来的各种数据组织打包，并和相关处理逻辑一起进行相关调制，然 后通过发送辅助电路发送出去。
【专利附图】
【附图说明】
[0010] 当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以 及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解， 构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发 明的不当限定，如图其中：
[0011] 图1基于Nios II软核的井下调制解调器结构框图。
[0012] 图2下发命令接收模块结构框图。
[0013] 图3上传数据发送模块结构框图。
[0014] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
【具体实施方式】
[0015] 显然，本领域技术人员基于本发明的宗旨所做的许多修改和变化属于本发明的保 护范围。
[0016] 实施例1 :如图1所示，数据采集接口电路与逻辑器14连接数据采集嵌入式Nios II处理器11，数据采集嵌入式Nios II处理器11连接命令接收嵌入式Nios II处理器12 和数据发送嵌入式Nios II处理器13,命令接收嵌入式Nios II处理器12连接命令接收电 路与逻辑15,命令接收嵌入式Nios II处理器12连接数据发送嵌入式Nios II处理器13， 数据发送嵌入式Nios II处理器13连接数据发送电路与逻辑16。
[0017] 基于Nios II软核的井下调制解调器是石油测井领域井下数据传输系统的一部 分。其主要特点是利用Nios II软核技术在一片FPGA中构造多个处理器，配合相关接口电 路和逻辑完成复杂的调制解调功能。本发明包括一个FPGA芯片1。FPGA芯片1中主要包 括：一是数据采集嵌入式Nios II处理器11;二是命令接收嵌入式Nios II处理器12;三是 数据发送嵌入式Nios II处理器13。另外在FPGA1中还有其他三个硬件模块，分别是：数 据采集接口电路与逻辑14,命令接收电路与逻辑15,数据发送电路与逻辑16。其中命令接 收嵌入式Nios II处理器12和命令接收电路与逻辑15,构成调制解调器的下发命令接收模 块。数据发送嵌入式Nios II处理器13和数据发送电路与逻辑16,构成调制解调器的上传 数据发送模块。数据采集嵌入式Nios II处理器11通过数据采集接口电路与逻辑14采集 井下仪器的数据和参数，加以组织整理后，送到数据发送嵌入式Nios II处理器13。采集的 数据主要包括CAN总线数据、伽玛脉冲信号和缆头电压信号等。同时它还接收命令接收嵌 入式Nios II处理器12送来的地面命令，对井下仪器进行相应控制。下发命令接收模块负 责从电缆上接收地面下发的测井命令。它包括命令接收嵌入式Nios II处理器12和命令接 收电路与逻辑15两部分。地面通过电缆下发的数据流在这两部分中进行星座映射、译码变 换等工作后解调出测井命令，然后送到数据采集嵌入式Nios II处理器11处理。下发命令 接收模块的具体构成见图2。上传数据发送模块负责发送井下仪器采集的测井数据。它包 括数据发送嵌入式Nios II处理器13和命令接收电路与逻辑16两部分。数据发送嵌入式 Nios II处理器13通过数据采集嵌入式Nios II处理器11，获取井下采集的测井数据，然后 与数据发送电路与逻辑16 -起，对这些数据进行组帧、编码和调制等工作后发送出去。上 传数据发送模块的具体构成见图3。
[0018] 如图2所示为下发命令接收模块结构框图。命令接收控制嵌入式Nios II处理器 12连接命令接收电路与逻辑15为：接收数据控制部分151、RS译码器152、数据接收缓存器 153、自相关滤波器154、同步训练相关滤波器155、复数FFT转换器156和子载波随机解扰 器 157。
[0019] 井下系统的命令接收通道也是整个系统中最复杂和最关键的部分，所有的处理均 在FPGA芯片1中进行。地面下发命令通过信道，由程控放大器和低通滤波器等硬件电路接 收后，送入AD转换器。信号通过AD转换后变为数字信号送入调制解调FPGA芯片1中的井 下命令接收模块中进行处理。井下命令接收模块包括：命令接收嵌入式Nios II处理器12 和命令接收电路与逻辑15两部分。其中命令接收电路与逻辑15部分主要包括：接收数据 控制部分151、RS译码器152、数据接收缓存器153、自相关滤波器154、同步训练相关滤波器 155、复数FFT转换器156和子载波随机解扰器157。这些部分和命令接收控制嵌入式Nios II处理器12 -起，完成数据的同步捕获、数据的FFT变换，子载波随机扰码的解码处理和数 据的解调、RS译码处理等，并将解调处理好的地面命令发送到数据采集Nios II处理器11 进行后续处理。
[0020] 如图3所示为上传数据发送模块结构框图。数据发送嵌入式Nios II处理器13 连接发送数据控制部分161、发送数据缓存器162、RS编码器163、调整星座变换器164、子 载波随机扰码器165、复数IFFT共轭变换器166和循环前缀产生器167。
[0021] 井下系统的数据发送部分处理也在FPGA芯片1中完成。上传数据发送模块包括： 数据发送嵌入式Nios II处理器13和数据发送电路与逻辑16两部分。其中数据发送电路 与逻辑16部分主要包括：发送数据控制部分161、发送数据缓存器162、RS编码器163、调整 星座变换器164、子载波随机扰码器165、复数IFFT共轭变换器166和循环前缀产生器167。 发送数据主要以数据发送电路与逻辑16处理为主，数据发送嵌入式Nios II处理器13进 行数据发送部分的系统管理、调度、控制工作。处理过程如下：数据采集嵌入式Nios II处 理器11完整接收一帧井下仪器数据之后，给负据发送嵌入式Nios II处理器13产生一个 中断信号，该处理器收到中断信号后，就启动数据发送电路与逻辑16，来完成数据的完整发 送过程。首先根据数据的长度计算出数据传输需要的符号数，再将这些数据按符号取出进 行相应的RS编码处理，之后完成数据的不同子载波上的映射处理，子载波信号的随机扰乱 处理和数据的IFFT变换，最后增加循环前缀后，信号送到外部DA转换器。由于处理完全使 用硬件处理，相应处理复杂度将比较大，但控制好电路设计方法，最终由于使用硬件设计的 化，其可靠性方面相比较软件处理来说，可靠性要高。
[0022] 如上所述，对本发明的实施例进行了详细地说明，但是只要实质上没有脱离本发 明的发明点及效果可以有很多的变形，这对本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，这 样的变形例也全部包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1. 一种基于Nios软核的井下调制解调方法，其特征在于含有以下步骤，使用一片功耗 低的Altera的Cyclone III FPGA芯片，利用Nios II软核技术在其中构造多个处理器，完 成调制解调功能；在该器件中嵌入3个Nios II处理器；一是数据采集嵌入式Nios II处理 器，它主要是通过FPGA中相关接口电路控制采集井下仪器CAN总线数据，并完成其它辅助 采集功能，一个伽玛脉冲计数器、一个缆头电压采集器；二是命令接收嵌入式Nios II处理 器，它通过命令接收辅助电路接收地面下发命令，并和相关处理逻辑一起解调出地面命令， 用于井下仪器的控制；三是数据发送嵌入式Nios II处理器，它将井下采集来的各种数据 组织打包，并和相关处理逻辑一起进行相关调制，然后通过发送辅助电路发送出去。
2. 如权利要求1所述的一种基于Nios软核的井下调制解调方法，其特征在于数据采 集嵌入式Nios II处理器、命令接收嵌入式Nios II处理器、数据发送嵌入式Nios II处理 器、数据采集接口电路与逻辑、命令接收处理电路与逻辑和数据发送处理电路与逻辑；其中 命令接收嵌入式Nios II处理器和命令接收处理电路与逻辑，构成调制解调器的下发命令 接收模块； 数据发送嵌入式Nios II处理器和数据发送处理电路与逻辑，构成调制解调器的上传 数据发送模块；数据采集嵌入式Nios II处理器通过数据采集接口电路与逻辑采集井下仪 器的数据和参数，加以组织整理后，送到数据发送嵌入式Nios II处理器；采集的数据主要 包括CAN总线数据、伽玛脉冲信号和缆头电压信号；同时它还接收命令接收嵌入式Nios II 处理器送来的地面命令，对井下仪器进行相应控制； 下发命令接收模块负责从电缆上接收地面下发的测井命令；它包括命令接收嵌入式 Nios II处理器和命令接收处理电路与逻辑两部分；地面通过电缆下发的数据流在这两部 分中进行星座映射、译码变换等工作后解调出测井命令，然后送到数据采集嵌入式Nios II 处理器处理； 上传数据发送模块负责发送井下仪器采集的测井数据；它包括数据发送嵌入式Nios II处理器和命令接收处理电路与逻辑两部分；数据发送嵌入式Nios II处理器数据采集嵌 入式Nios II处理器获取井下采集的测井数据，然后与数据发送处理电路与逻辑一起，对这 些数据进行组帧、编码和调制等工作后发送出去。
3. 如权利要求2所述的一种基于Nios软核的井下调制解调方法，其中命令接收嵌入 式Nios II处理器和命令接收处理电路与逻辑，构成调制解调器的下发命令接收模块；命 令接收处理电路与逻辑部分主要包括：接收数据控制部分、RS译码器、数据接收缓存器、自 相关滤波器、同步训练相关滤波器、复数FFT转换器和子载波随机解扰器；这些部分和命令 接收控制嵌入式Nios II处理器一起，完成数据的同步捕获、数据的FFT变换，子载波随机 扰码的解码处理和数据的解调、RS译码处理，并且将解调处理好的地面命令发送到数据采 集Nios II处理器进行后续处理。
4. 如权利要求2所述的一种基于Nios软核的井下调制解调方法，其中数据发送嵌入式 Nios II处理器和数据发送处理电路与逻辑，构成调制解调器的上传数据发送模块；上传数 据发送模块的数据发送处理电路与逻辑部分主要包括：发送数据控制部分、发送数据缓存 器、RS编码器、调整星座变换器、子载波随机扰码器、复数IFFT共轭变换器和循环前缀产生 器；处理过程如下：数据采集嵌入式Nios II处理器完整接收完一帧井下仪器数据之后，给 负责数据发送嵌入式Nios II处理器产生一个中断信号，该处理器收到该中断信号后，就启 动数据发送电路与逻辑，来完成数据的完整发送过程；首先根据数据的长度计算出数据传 输需要的符号数，再将这些数据按符号取出进行相应的RS编码处理，之后完成数据的不同 子载波上的映射处理，子载波信号的随机扰乱处理和数据的IFFT变换，最后增加循环前缀 后，信号送到外部DA转换器。
5. -种基于Nios II软核的井下调制解调器；其特征在于利用Nios II软核技术在一 片FPGA中构造多个处理器，配合相关接口电路和逻辑完成复杂的调制解调功能；包括一个 FPGA芯片；FPGA芯片中主要包括：数据采集嵌入式Nios II处理器、命令接收嵌入式Nios II处理器、数据发送嵌入式Nios II处理器、数据采集接口电路与逻辑、命令接收处理电路 与逻辑和数据发送处理电路与逻辑；其中命令接收嵌入式Nios II处理器和命令接收处理 电路与逻辑，构成调制解调器的下发命令接收模块；数据发送嵌入式Nios II处理器和数 据发送处理电路与逻辑，构成调制解调器的上传数据发送模块；数据采集嵌入式Nios II 处理器通过数据采集接口电路与逻辑采集井下仪器的数据和参数，加以组织整理后，送到 数据发送嵌入式Nios II处理器；采集的数据主要包括CAN总线数据、伽玛脉冲信号和缆 头电压信号等；同时它还接收命令接收嵌入式Nios II处理器送来的地面命令，对井下仪 器进行相应控制；下发命令接收模块负责从电缆上接收地面下发的测井命令；它包括命令 接收嵌入式Nios II处理器和命令接收处理电路与逻辑两部分；地面通过电缆下发的数据 流在这两部分中进行星座映射、译码变换等工作后解调出测井命令，然后送到数据采集嵌 入式Nios II处理器处理；上传数据发送模块负责发送井下仪器采集的测井数据；它包括 数据发送嵌入式Nios II处理器和命令接收处理电路与逻辑两部分；数据发送嵌入式Nios II处理器数据采集嵌入式Nios II处理器获取井下采集的测井数据，然后与数据发送处理 电路与逻辑一起，对这些数据进行组帧、编码和调制等工作后发送出去。
6. 如权利要求5所述的基于Nios软核的井下调制解调器，其特征在于其中命令接收 嵌入式Nios II处理器和命令接收处理电路与逻辑，构成调制解调器的下发命令接收模块； 命令接收处理电路与逻辑部分主要包括：接收数据控制部分、RS译码器、数据接收缓存器、 自相关滤波器、同步训练相关滤波器、复数FFT转换器和子载波随机解扰器；这些部分和命 令接收控制嵌入式Nios II处理器一起，完成数据的同步捕获、数据的FFT变换，子载波随 机扰码的解码处理和数据的解调、RS译码处理，并且将解调处理好的地面命令发送到数据 采集Nios II处理器进行后续处理。
7. 如权利要求5所述的基于Nios软核的井下调制解调器，其特征在于其中数据发送 嵌入式Nios II处理器和数据发送处理电路与逻辑，构成调制解调器的上传数据发送模块； 数据发送处理电路与逻辑部分主要包括：发送数据控制部分、发送数据缓存器、RS编码器、 调整星座变换器、子载波随机扰码器、复数IFFT共轭变换器和循环前缀产生器；处理过程 如下：数据采集嵌入式Nios II处理器完整接收完一帧井下仪器数据之后，给负责数据发 送嵌入式Nios II处理器产生一个中断信号，该处理器收到该中断信号后，就启动数据发送 电路与逻辑，来完成数据的完整发送过程；首先根据数据的长度计算出数据传输需要的符 号数，再将这些数据按符号取出进行相应的RS编码处理，之后完成数据的不同子载波上的 映射处理，子载波信号的随机扰乱处理和数据的IFFT变换，最后增加循环前缀后，信号送 到外部DA转换器。
【文档编号】H04L27/14GK104219183SQ201310220084
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2013年6月5日 优先权日:2013年6月5日
【发明者】王炜, 杨晶, 程刚, 刘付火 申请人:中国石油天然气集团公司, 中国石油集团测井有限公司