一种基于盲过采样的三维声波测井数据自同步传输装置的制作方法

本发明属于三维声波测井技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于盲过采样的三维声波测井数据自同步传输装置。

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，对于数据传输的可靠性要求很高。

当前，三维声波测井仪器的几何尺寸有特殊要求，圆柱状的仪器内部空间十分有限，而需要布线的数量又较多，包括了电源总线、LVDS命令线、LVDS数据线、LVDS时钟线、复位信号线、启动采集命令线，而近探头采集电路与控制电路之间电路连线数量受到限制。若采用基于盲过采样数据恢复技术的三维声波高速串行传输技术，既可以解决总线位置，又很好的解决了仪器空间有限的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于盲过采样的三维声波测井数据自同步传输装置，利用盲过采样串行数据恢复技术，使三维声波测井数据能够自同步高速传输。

为实现上述发明目的，本发明一种基于盲过采样的三维声波测井数据自同步传输装置，其特征在于，包括：

一控制电路，使用TCP/IP协议实现控制电路与地面系统的以太网进行通信，接收地面系统下发的命令，并将该命令通过基于Modbus协议的RS-485接口下发至MLVDS交换器；同时，控制电路使用带有DMA功能的SPI控制器从MLVDS交换电路获取三维声波测井数据，并发送至地面系统；

一MLVDS交换电路，分为甲、乙两部分，二部分间使用高速总线进行连接；甲部分负责将控制电路下发的命令发送给乙部分，进而配置采集电路；乙部分负责将采集电路得到的三维声波测井数据发送给甲部分，进而上传到控制电路和地面系统；

测井数据在传输过程中，MLVDS交换电路根据MLVDS电气标准对测井数据进行串转并规范化和BPRZ解码，并使用盲过采样器取得测井数据收发需要的时钟信息；

一采集电路，用来接收MLVDS电路的甲部分下发的命令，再利用FPGA解析命令，得到相应的采样参数；控制分辨率为24位的高精度模数转换器按照该采样参数对信号采样，得到三维声波测井数据，再把三维声波测井数据存储于FPGA的双端RAM中，并上传给MLVDS交换电路的乙部分。

进一步的，所述的MLVDS交换电路的甲、乙两部分电路均含有：

一过采样电路，使用多相时钟D触发器采样控制电路下发的命令或采集电路上传的三维声波测井数据，并发送给数据初步恢复电路；

一初步数据恢复电路，用于接收过采样电路输出的数据后，并产生1位的初步恢复数据和add、drop两位信号；其中，add、drop的取值为1或0，当add取值为1时表示发生数据丢失，当drop取值为1时表示发生数据复用，当add、drop的取值均为0时表示初步恢复的数据正确；

一数据修正电路，用于将初步恢复的数据移入位宽为2N+1的移位寄存器中，移位寄存器根据add和drop的值进行移位；

设移位寄存器的第i位为恢复数据，第N位为默认的恢复数据；那么当add为1时，移位寄存器右移两位，移位寄存器有效位置右移一位，此时第i+1位为恢复出的数据；当drop为1时，移位寄存器未进行移位，移位寄存器有效位置左移一位，此时第i-1位为恢复出的数据；当add和drop都为0时，移位寄存器右移一位，移位寄存器的有效位置保持不变；最终把移位寄存器有效位置的数据作为盲过采样的输出。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明基于盲过采样的三维声波测井数据自同步传输装置，通过MLVDS甲乙交换电路来实现控制电路和采集电路之间的通信。控制电路通过MLVDS甲电路下发采样的参数命令给采集电路，采集电路通过MLVDS乙电路接收采样命令，并把采样得到的数据通过MLVDS乙电路上传给控制电路，控制电路通过MLVDS乙电路接收采样得到的数据，最终把数据上传给地面系统。整个装置的核心在于MLVDS交换电路，MLVDS交换电路基于盲过采样技术实现采样命令和数据在控制电路和采集电路之间稳定可靠的传输，满足了三维声波测井仪对数据稳定性的要求。

同时，本发明基于盲过采样的三维声波测井数据自同步传输装置还具有以下有益效果：

(1)、基于过采样技术的三维声波测井数据恢复装置，是一种自同步的数据传输模型，即在MLVDS电路的发送端只发送数据或命令，但是数据或命令中包含发送时钟的信息，在MLVDS电路的接收端进行过采样来恢复数据或命令；因此本装置只设计了MLVDS数据线和命令线，去掉了MLVDS时钟线，以最大可能减少电路连线。

(2)、三维声波测井仪在实际工作中采集电路采集的测井数据量非常大，需要数据接收模块确保接收数据的准确性；过采样技术很好解决了这一问题，其技术核心是MLVDS电路的发送端不需要下发时钟给MLVDS电路的接收端，因此，接收端在接收并恢复数据时，不需要考虑时钟经长距离的时钟线下发后而导致的发送端和接收端时钟不同步的问题，从而很好的解决了因时钟不同步造成的恢复数据出错的问题，确保了数据的可靠性。

附图说明

图1是本发明基于盲过采样的三维声波测井数据自同步传输装置原理图；

图2是过采样时序图及过采样同步电路图；

图3是初步数据恢复电路原理图；

图4是数据丢失、复用、错误时的时序图；

图5是数据修正模块的原理图；

图6是移位寄存器根据add_drop的值进行移位示意图。

具体实施方式

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。

实施例

为了方便描述，先对具体实施方式中出现的相关专业术语进行说明：

MLVDS(Multipoint low Voltage Differential Signaling)：多点低电压差分信号；

TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol)：网络通讯协议；

Modbus：一种工业现场总线协议；

RS-485：一个定义平衡数字多点系统中的驱动器和接收器的电气特性的标准；

DMA(Direct Memory Access)：直接内存存取；

BPRZ(Bipolar Return-to-Zero)：双极性归零制；

FPGA(Field－Programmable Gate Array)：现场可编程门阵列；

RAM(Random-Access Memory)：随机存取存储器；

图1是本发明基于盲过采样的三维声波测井数据自同步传输装置原理图。

在本实施例中，如图1所示，本发明一种基于盲过采样的三维声波测井数据自同步传输装置，主要包括控制电路、MLVDS交换电路和采集电路。

控制电路，使用TCP/IP协议实现控制电路与地面系统的以太网进行通信，接收地面系统下发的命令，并将该命令通过基于Modbus协议的RS-485接口下发至MLVDS交换电路，其中，地面系统下发的命令主要包括：三维声波的采样点数和采样周期等；同时，控制电路使用带有DMA功能的SPI控制器从MLVDS交换电路获取三维声波测井数据，并发送至地面系统。

MLVDS交换电路，如图1所示，分为甲、乙两部分，二部分间使用高速总线进行连接，且均含有：

过采样电路，使用多相时钟D触发器采样控制电路下发的命令或采集电路上传的三维声波测井数据，并发送给数据初步恢复电路；

初步数据恢复电路，用于接收过采样电路输出的数据，并产生1位的初步恢复数据和add、drop两位信号；其中，add、drop的取值为1或0，当add取值为1时表示发生数据丢失，当drop取值为1时表示发生数据复用，当add、drop的取值均为0时表示初步恢复的数据正确；

数据修正电路，用于将初步恢复的数据移入位宽为2N+1的移位寄存器中，移位寄存器根据add和drop的值进行移位；

设移位寄存器的第i位为恢复数据，第N位为默认的恢复数据；那么当add为1时，移位寄存器右移两位，移位寄存器有效位置右移一位，此时第i+1位为恢复出的数据；当drop为1时，移位寄存器未进行移位，移位寄存器有效位置左移一位，此时第i-1位为恢复出的数据；当add和drop都为0时，移位寄存器的有效位置保持不变；最终把移位寄存器有效位置的数据作为盲过采样的输出；

其中，甲部分负责将控制电路下发的命令发送给乙部分，进而配置采集电路；乙部分负责将采集电路得到的三维声波测井数据发送给甲部分，进而上传到控制电路和地面系统；

测井数据在传输过程中，MLVDS交换电路根据MLVDS电气标准对测井数据进行规范化和BPRZ编码，并使用盲过采样器取得测井数据收发需要的时钟信息；

采集电路，用来接收MLVDS电路的甲部分下发的命令，再利用FPGA解析命令，得到相应的采样参数；控制分辨率为24位的高精度模数转换器按照该采样参数对信号采样，得到三维声波测井数据，再把三维声波测井数据存储于FPGA的双端RAM中，并上传给MLVDS交换电路的乙部分。

图2是过采样时序图及过采样同步电路图。

在本实施例中，如图2(b)所示，过采样电路的具体实现是通过4个D触发器来完成，这4个D触发器位于图2(b)中的第一列，如图2(a)所示，在4个多相时钟Clk0、Clk90、Clk180、Clk270的触发下完成对控制电路下发的命令或采集电路上传的三维声波测井数据的采样，得到4位数据。为了提高采样的精度，输入数据信号到这4个D触发器的延时要尽可能一致，因此需要对输入数据信号的最大偏斜时间进行约束，并且采样寄存器的位置要尽可能的靠近输入数据引脚。在本实施例中，每个时钟的相位相差90度，输入数据经过全局时钟引脚以确保到触发器延时的一致性。

由于4个D触发器的采样值是经过不同时钟域下得到的，因而在用它们来检测边沿变化时，必须用标准时钟clk0对它们进行同步。从图1(b)可以看出，每个通道的采样寄存器的输出都经过了3个触发器，这样可以消除采样寄存器的亚稳态问题，中间两个触发器则增加的数据建立时间。

图3是初步数据恢复电路原理图。

在本实施例中，如图3所示，初步数据恢复电路接收过采样电路的4位输出数据，产生出1位的初步恢复数据和两位的add_drop信号。边沿检测器通过当前的4位过采样数据和前一次过采样数据D[3]，在4个相邻的多相时钟区间中找出输入数据发生变化的那个区间。边沿检测器送出4位的标志信号到相位选择器，相位检测器根据这4位标志信号来决定最佳采样位置。若4位标志信号均为0，则意味着输入数据未发生变化，那么采样位置和前一次保持一致。多路复用器根据相位选择器输出的采样位置信号选择4位过采样数据中的一位作为初步恢复的数据并送到数据修正模块。错误检测器根据当前的采样位置和上一次的采样位置来判断当前初步恢复的数据是否正确，同时输出add_drop信号到数据修正模块。数据信号的两个延时补偿了边沿检测器和相位选择器同步过采样数据至MUX所消耗的时间。

表1是在单个采样窗口内采样时钟和采样数据选择的判决规则。

表1

初步数据恢复模块根据单个采样窗口内接收到的4位过采样数据，得到它们变化位置并按照上述判决规则来确定采样相位和采样数据。采样窗定义为一个采样时钟周期，周期以clk0的一个上升沿为起始位置，下一个clk0上升沿为结束位置。以表1中case2为例，在clk0的上升沿处发现输入数据的变化，那么选择clk270为采样时钟，因为该时刻最接近输入数据的中心，从而得到该采样窗口内的采样数据D[3]。

图4是数据丢失、复用、错误时的时序图。

如果时钟频率存在偏差时，输入数据在单个采样窗内的变化位置会单调地向左或向右移动。随着时间的累积，它将跨越采样窗的边界。这种情况下将导致数据复用或者数据丢失，此时初步数据恢复模块将激活add_drop信号并送往数据修正模块。

当发送的时钟频率低于接收的时钟频率时，在初步恢复的数据处会发生数据丢失。如图4(a)所示，采样窗SW2中输入数据的变化沿为case3，而采样窗SW3中输入数据的变化沿为case2，根据判决规则得到SW2中的D[0]和SW3中的D[3]的初步恢复的数据，SW2和SW3中间的数据将被丢失。

当发送的时钟频率高于接收的时钟频率时，在初步恢复的数据处会发生数据复用。如图4(b)所示，在采样窗SW2中判决得到的采样数据D[3]和采样窗SW3中判决得到采样数据D[0]为同一个输入数据，造成数据复用。

同时输入数据的抖动也会造成数据的丢失或复用。为了解决这一类问题，如图4(c)所示，错误检测器在输出初步恢复数据的同时激活add_drop信号。add_drop信号只会在采样位置发送特定的变化后激活，并且只持续一个周期，而当输入数据未发生变化时，add_drop信号不会被激活，采样位置会保持不变。

图5是数据修正模块的原理图。

如图5所示，数据修正模块把初步恢复的数据移入位宽为2N+1的移位寄存器中，并根据add和drop信号在初步恢复数据队列中添加或者移除一位数据。移位寄存器的位宽取决于最大数据包的大小和发射器与接收器的频率偏差值。移位寄存器第N位的值为默认的恢复数据，由于频率偏差的存在，随着时间的累积恢复数据的位置会左移或者右移，因此采用输出位置选择器来指示移位寄存器输出有效位的位置。

如图6所示，移位寄存器根据add_drop的值进行移位。当add为1时表明数据丢失，丢失的数据必然为当前初步恢复数据的取反，因为激活add为1的前提条件是数据要有变化沿发生。因此移位寄存器右移两位后，其高两位应依次移入～prd和prd(prd和～prd分别表示当前采样值和当前采样值取反后的值)。当drop为1是表明数据复用，因此当前输入的初步恢复数据无效需丢弃，移位寄存器不进行移位。当add/drop都为0时表明初步恢复的数据正确，移位寄存器右移一位，最高位移入prd。

设当前移位寄存器的第i位为恢复的数据，第N位为默认的恢复数据；当add为1时，移位寄存器右移两位，移位寄存器有效位置需右移一位，如图6中第2行所示，此时第i+1位为恢复出的数据。当drop为1时，移位寄存器未进行移位，有效位置需左移一位，如图6中的第3行所示，此时第i-1位为恢复出的数据。当add和drop都为0时，移位寄存器右移一位，有效位置保持不变，如图6中的第4行所示。

当有效位置超出移位寄存器的范围时，数据恢复将发生错误。为了避免这一问题，移位寄存器的位宽必须足够大，其大小决定于最大一帧数据的大小和发送和接收时钟频率的偏差。

N＝frame_size_max×Δf_offset+N_margin

三维声波测井中单通道最大数据个数为600，最大数据位宽为24，经过8B/10B编码后再加上其他额外开销得到最大数据包为18060bits。发送和接收的最大频率偏差为+/-500ppm，计算得到N的值为19，考虑到输入数据的抖动，设置裕量值为3。因此本实施例中N的大小为22，移位寄存器的长度为45。

从以上分析可知，采样时钟和输入数据信号的抖动可能会导致数据恢复的错误。抖动一般分为随机性抖动和确定性抖动这两大类。前者难以预测，一般假设呈现高斯分布，其峰峰值是没有边界的，因此在本设计中不予考虑。确定性抖动是可以复现、可以预测的定时抖动，这个抖动的峰峰值具有上下限，其具体可分为周期性抖动，占空比抖动和数据相关抖动。由于占空比抖动和数据相关抖动取决于工作环境，具体硬件和所采取的编码方式相关，在这里不予考虑。为了保证数据恢复的正确性，采样时钟必须满足在一个采样周期T内采到的数据不能少于3个且不能多于5个，因此采样时钟的抖动不能超过0.25T。

基于过采样的数据恢复方法要求输入数据具有足够多的变化沿，具体要求为在采样时钟偏移0.25T内输入数据至少要变化一次，否则可能会造成数据丢失或复用无法被检测到，导致数据接收错误。一种可能会发生的情况是当发送器的时钟频率低于接收器的时钟频率时，若某时刻最佳判决采样时钟是clk0，经过0.25T后输入数据未发生变化，则最佳判决采样位置可能变为clk180，跨过了采样位置为clk270的区域，从而造成了该区域内数据丢失没有被检测到，接收到的数据必然发生错误。

在本实施例中，采集电路和控制电路都采用Xilinx公司Spartan3E系列的产品，利用FPGA完成的逻辑控制，串行数据恢复功能采用VerilogHDL硬件描述语言来实现，开发平台为ISE13.2。

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。