二维核磁共振测井仪通信电路设计与实现

摘要本文对二维核磁共振测井仪的通信电路设计与实现进行了研究，通信电路采用DSP+FPGA+收发器的形式，利用1553B通信协议，实现了井下二维核磁共振测井仪和地面控制中心的通信。试验结果表明，通信电路具有结构简单、工作稳定、扩展性高的特点，适应高温、高压以及复杂电磁环境下的通信需求。

【关键词】二维核磁共振 通信电路 DSP FPGA1553B协议

1 前言

核磁共振测井直接测量岩石孔隙中流体氢核的弛豫特性，测量结果受岩性影响小，与传统测井技术相比，在分辨束缚流体和自由流体、解释孔隙度分布、大小、渗透率等参数时具有明显优势。当地层孔隙中多种流体并存时，流体的T2弛豫时间会存在一定程度的重合，对利用T2谱辨识流体性质带来很大困难。二维核磁共振测井仪可以同时测量流体的横向弛豫（T2）分布和扩散特性（D）分布，从两个维度上对流体的性质进行区分，相比一维核磁测井更具优势。

二维核磁共振测井仪工作于地下数千米深处，环境十分恶劣，同时仪器需要与地面的控制中心实时交换数据，对通信电路的稳定性提出了更高的要求。1553B通信总线协议以其通信速率高，适应各种复杂的电磁环境而著称，可以满足二维核磁共振测井仪的通信需求。DSP+FPGA+收发器的硬件结构形式可以在实现1553B通信总线协议的基础上，具有强大的数据处理能力，方便满足二维核磁共振测井仪的多任务要求。其中DSP完成各种数据运算并向FPGA提供需要传输的数据；FPGA强大灵活的硬件编程能力，可以实现1553B通信协议与系统总线协议的转换。收发电路完成电平转换及电路隔离功能，确保了传输的有效性。经实验验证，本通信电路在高温下（150）具有良好的稳定性，满足测井仪器的各项需求。

2 1553B通信协议及其转换

MIL-STD-1553通信总线协议，简称为1553B通信总线协议，是美国国防部于20世纪70年代颁布的军用航空总线标准。它是一种多冗余、主从式时分多路复用串行数据总线，总通信速率为1MHz，通信字长20bit，数据有效长度为16bit，信息量最大长度为32个字。由于它采用指令/响应式时分系统进行数据通讯，相比较现有的其他通信总线协议如485总线、CAN总线等，尽管其通信数率不占优势，但因其可靠的传输性能,使其能够广泛应用于现场环境恶劣且对可靠性要求高的各个领域。核磁共振仪器工作在地下数千米的高温高压环境下，多种测井仪器同时工作使得电磁环境十分恶劣，1553B通信总线可以较好地满足仪器工作需要。

1553B通信总线上传输的是曼彻斯特编码数字信号，在通信电路中分为接收通道和发送通道，在接收通道上首先将差分形式的曼彻斯特编码转换为单电平形式的曼彻斯特编码，送到解码单元。在解码单元上实现同步头检测、奇偶校验、数据的串/并转换、地址检测等功能。解码以后的收据可以发送到上一级的处理单元进行进一步处理。发射通道上工作过程与此相反，首先将数据送入到编码单元，在编码单元中实现数据串/并转换、曼彻斯特编码、同步头加载等功能，最后信号电平转换模块中将单电平的曼彻斯特编码转换为差分形式的双极性电平，接入通信链路。

3 通信电路的设计

根据1553B总线协议变换流程，在仪器中我们采用DSP+FPGA+收发器的结构，实现并行数据信号与1553B通信总线协议的变换和传输，图1所示为其硬件电路框图。

其中DSP作为通信电路中的智能模块，担负着控制通信过程、产生和处理数据、命令解析和执行等功能。DSP选用TI公司的TMS320LF2812芯片，它是一款32位的高性能定点DSP，具有很高的数据计算执行速度，并可以在150摄氏度的高温下稳定工作。在发送通信过程中，DSP中完成核磁共振测量得到的数据的基本处理运算过程，并将要传输的数据通过数据总线、地址总线传输到FPGA，并通过控制信号控制FPGA工作，完成编解码和传输。在接收通信数据过程中，通过中断处理程序，对来自FPGA的通信数据进行命令解析，并完成相应的功能。

电路中FPGA是通信系统完成编解码功能的核心部分，利用FPGA优良的硬件可编程能力，可以完成对通信数据进行实时的曼彻斯特码编解码并进行1553B通信有关的字和消息处理。一方面根据DSP的控制，对来自DSP的数据进行曼彻斯特编码后送到收发器，进而通过通信链路将数据传输到地面控制中心；另一方面将从收发器上收到的数据解码后，送入字、消息处理模块处理。完成字、消息的处理后将数据输出至DSP, 进而由DSP完成相应的指令操作。实现1553B通信总线的编解码的工作流程见图2所示。

收发器电路是本通信系统的最前端部分，也是其关键器件。它包括驱动、数据缓存、隔离电阻、隔离变压器等。设计中发送接口电路见图3收发器发送接口电路，采用SN75453BD驱动芯片，对FPGA生成的曼彻斯特数字编码信号进行驱动，并通过变压器T1完成电平转换和隔离功能，最终输出的差分信号S+和S-，接入通信链路。

设计中接收接口电路见 图 4。对来自通信链路的差分信号进行变压器的隔离与电平转换后，经过DS78C20芯片的转换，形成单极性曼码信号Signal，并经过芯片SN74LVC1G07驱动后输出到FPGA，由FPGA完成信号的校对、解码等工作。

4 通信电路的验证

地面控制系统与通信电路通过4km长测井电缆连接，同时，为验证电路在高温下工作的稳定性，通信电路放置在电热恒温箱中，恒温箱设置温度为150。地面控制系统与通信电路分别完成通信的收、发功能。通过比较发送和接收得到的数据，结果表明，本通信电路能够稳定的工作在150的高温环境中，性能稳定。

在传输链路上的信号波形如图5所示。其中示波器第一通道的波形是要求数据命令波形，第二通道的波形是上传数据，两者的都是交替反转曼彻斯特编码。

5 总结

本文对二维核磁共振测井仪通信电路的设计实现进行了介绍，硬件设计上采用DSP+FPGA+收发器的结构形式，由DSP控制通信过程并产生和处理通信数据，FPGA完成通信编解码的功能，并由收发器电路实现电平的转换和隔离功能。试验结果表明，本通信电路设计结构简单，工作稳定可靠，可以在高温和复杂的电磁环境中实现各种消息、数据的通信功能。

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作者简介

薛志波（1980-），男，现供职于中海油田服务股份有限公司油田技术研究院。主要研究方向为核磁共振测井仪器。

作者单位

中海油田服务股份有限公司油田技术研究院 北京市101149