收稿日期:1996205210 收到修改稿日期:1996207230
第31卷第2期
原子能科学技术V o l .31,N o .2 1997年3月A tom ic Energy Science and T echno logy M ar .1997
母线夹
刘国荣 陈宝流 凌 岩
(中国原子能科学研究院核技术应用研究所，北京,102413)
应用计算机、单片机和BD PSK 数字调制技术设计、研制了测井电缆遥传系统，该系统遥传速
率为100kb s ，遥传距离7km ，误码率小于10-6。
关键词 测井电缆 BD PSK 数字调制 通讯 CRC 校验
随着微电子学和计算机技术的迅速发展，测井仪器不断更新换代，形成了以计算机为中心的数控测井仪。超声成像测井仪是一典型数控测井仪，数据传输、获取、存储、实时控制、实时成像、图像处理、出图等都应用了计算机。 超声成像测井的数据产生率大，约为
70kb s 。
为了保证一定的测井速度，遥传系统的传输速率需在70kb s 以上。
本文涉及传输速率高、误码率低的测井电缆遥传系统的研制。1 系统原理
系统原理框图示于图1。
图1 系统原理框图
F ig 11 Schem atic diagram of the system
电缆遥传系统由地面遥传单元(自行研制插放在计算机扩展槽内的通讯卡)、井下遥传单元(电路板面积(237+187)mm ×48mm )和测井电缆传输线组成。测井电缆传输线将地面单
元和井下单元联接起来。井下遥传单元接收井上单元传送下来的指令和往井上传送测井过程中井下仪器采集的数据。井上单元接收计算机指令和向井下转发指令，接收井下单元传送上来的测井数据并输送给计算机。
2 电缆
测井电缆是井下与地面之间的信息传输媒介，采用的是普通七芯铠状电缆，由7股(沿周边顺时为1-6，居中为7)金属导线外包绝缘材料绞合而成。电缆的最外层为钢丝编织层，俗称电缆铠装，保证电缆有一定的机械强度，其长度一般为315-710km 。缆芯的直流电阻约为258 km ，分布电容约为011ΛF km ，信号频率为M H z 时分布电感约为2Λ∋ km 。因此，这种测井电缆的信号传输频带宽度仅约为100H z -100kH z 。作为信息传输媒介，其电特性是相当差的，也正是它限制了井下与地面之间的数据传输速率。
电缆联接为T 5方式(图1)。这种方式与其它方式,T 1、T 3、T 4、T 6、T 7相比较，使用缆芯较少。从信号的角度看，缆芯2、5为1组，缆芯3、6为1组。例如，在某一时刻，若信号在2、5上为“+”，则在缆芯3、6上为“-”，信号电流产生的磁场是相互抵消的，缆芯间的串扰最小，外皮对传输信号的影响也降低到了最低程度。采用T 5方式联接，提高了高频传输性能，降低了信号衰减，抑制了串扰。
3 B D PSK 数字调制
七芯测井电缆是1种传输特性相当差的线路，为提高传输速率，信号必须进行适当的调制。
对电缆上传输的信号，采用了BD PSK 数字调制技术，即二相相对(差分)相移键控调制技术(图2)。其特点是：每一码元对应的载波相位变化不是以固定相位作为参考,
而是以前一个码元对应的相位为参考。当传输数字信号“1”时，码元对应的载波相位相对于前一码元不变化；为“0”时，码元对应的载波相位相对于前一码元产生180°相移。
图2 BD PSK 调制信号波形F ig 12 W avefo rm s of BD PSK modu lati on signal
(A )——不归零制波形N R Z 2L ;(B )——BD PSK 调制波形，其载波是正弦波;
(C )——BD PSK 调制波形，其载波是矩形波
设计的遥传系统中的载波是矩形波，在这种信号上调制，就会看到每一码元边界都有电平变化，信息包含在位中间信号跳跃变化上，如果在位中间有电平变化则代表数据“1”，位中间无841原子能科学技术 第31卷
电平变化则代表数据“0”。
每一位码元的宽度为10Λs ，全“0”数据的视频率为50kH z 方波，全“1”数据为100kH z 方波。遥传系统信号频带宽度为50-100kH z 。
采用BD PSK 数字调制技术，有下列3个优点:
1)数据信号中含有位时钟信息，无需单独的时钟通道;
2)充分利用了电缆的频带宽度;
3)码形中无直流成份，便于电缆传输和变压器耦合。
4 遥传格式
411 下传指令格式
下传指令格式如下:
8位8位
8位8位8位尾“0”CRC 指令帧同步字FSP 先导“0”
指令帧由8位先导“0”、8位帧同步字FSP 、8位指令、8位循环冗余校验码CRC 、8位尾“0”，共40位组成。传送时，高位在先，低位在后。
由图2(c )可以看出：在每位边界处电平皆发生变化，如果由“1”开始1帧数据，则很难到位的边界。,1帧数据是由一连串的“0”开始，便于接收设备确定位的边界。所以，在帧同步字FSP 前面有8个先导“0”。帧同步字FSP 为1固定字，它使井下遥传单元能够准确到下传指令的开始位。8位FSP 的值为10111000。
8位命令字为井上控制井下仪器工作的命令。8位循环冗余校验码用来判断接收到的命令是否正确。8位尾“0”安排在下传命令的尾部，它是结束标志。
412 上传数据格式
上传数据格式如下:
8位8位
8N 位16位8位先导“0”FSP 数据DA TA CRC 尾“0”
与下传指令相似，上传数据也由8位先导“0”开始。8位帧同步字FSP 供地面遥传单元同步和确定数据开始位。接着传输测井数据，其长度可变。随后传输16位循环冗余校验码CRC ，用以检验数据传输是否正确；再以8位尾“0”标志1帧上传数据结束。传输中，高位在先，低位在后。
上述测井电缆遥传系统是1个高速数据传输系统，数据传输速率100kb s ，足以满足超声成像测井的数据传输要求。电缆遥传系统是井下仪器与地面计算机测井系统之间的统一的数据传输系统，在电缆上传送的信息有地面计算机向井下仪器发送的下传指令和井下仪器向上传输的上传数据，但二者在时间上是分隔开的，即地面与井下之间的信息传输采用半双工方式。
每1帧上传数据和下传指令中均含有帧同步字FSP (在1帧之首)和循环冗余校验码
地源热泵系统
CRC (在1帧之尾)。
这样，数据传输高度可靠。941第2期 刘国荣等：测井电缆遥传系统
5 井下遥传单元工作原理
井下遥传单元的工作原理框图示于图3
。
图3 井下遥传单元原理框图
F ig 13 Schem atic diagram of dow nho le telecomm un icati on un it
焊接钢板
接收指令时，开关K 1的3与1接通。此时，下传指令信号经接收放大、滤波、检测后，被解调为不归零制N R Z 2L 码，其经帧同步字FSP 识别后,8位命令字和8位循环冗余校验码
CRC 经串
并变换送往单片机，单片机对命令字进行循环冗余校验(CRC )判断指令传输是否正确
；错不予理睬，对则执行相应操作。
向上传送数据时，开关K 1的3与2接通。由单片机控制先送8位先导“0”、8位帧同步字FSP 、RAM 中需发送数据及其16位循环冗余校验码CRC (由单片机软件实现)和8位尾“0”。它们先经并 串变换电路成为不归零制N R Z 2L 码，再经BD PSK 调制器调制成BD PSK 码形，经滤波驱动送上电缆。
七芯电缆传输正弦波比矩形波效果好得多，所以在电缆驱动前滤掉BD PSK 码形中的高频成份，使其
成为正弦波。
6 地面遥传单元工作原理地面遥传单元原理框图示于图4。
图4 地面遥传单元原理框图
F ig 14 Schem atic diagram of ground telecomm un icati on un it
正常工作时，从计算机键盘上敲1个已定义好的功能键，计算机通过总线向单片机发送指令，并向单片机发出1个中断信号I N T 。
单片机响应中断接受指令，等电缆传输线空闲时，使开关K 2的3与2接通，单片机相继发送8位先导“0”,8位帧同步字FSP ,8位指令及其
CRC 码(由单片机软件实现)和8位尾“0”。它们经并 串变换、BD PSK 调制、
滤波、电缆驱动送051原子能科学技术 第31卷
上电缆，完成1个下发指令的发送。
当开关K 2中3与1连通时，上传数据经接收放大、滤波、检测、BD PSK 解调、FSP 检测、串 并变换
送往单片机。单片机再把数据送入双端口缓存中。接收完1帧上传数据，单片机对其进行CRC 校验。如不正确，则不向计算机总线发送中断信号I RQ ，即不要这1帧数据；如果正确，则向计算机总线发送中断信号I RQ ，通知计算机取走接收到的1帧上传数据，完成1帧上传数据的接收。
7 循环冗余校验码CRC 的单片机软件实现与校验
数据在传输过程中可能会受到各种干扰，产生丢码或误码现象。为了控制传输质量，在每帧信息的末尾一般都要加上校验码。在所设计的遥传系统中采用的是循环冗余校验码CRC 。
CRC 的编码和校验既可由硬件完成，也可由软件完成。
为了充分发挥单片机的功能，简化电路，在遥传系统中，下传指令和上传数据的CRC 编码和校验都由单片机软件完成。这构成本系统的1个特点。
711 CRC 校验原理
(1)编码
设T (x )为编出的码组,n 为码组长度。a (x )为信息多项式,a (x )中的x 方次小于k ,k 为信息位长度。g (n )为编码多项式，其中x 的最高次为(n -k )。
编码分3步进行:
1)乘法运算：经此运算得x (n -k )a (x )，即把a (x )左移(n -k )位
2)除法运算：通过该运算求余项r (x )
x (n -k )a (x ) g (x )=q (x )+r (x ) g (x )
家用智能控制系统 式中:q (x )为商,r (x )为余项。
3)编成码组:T (x )=x (n -k )a (x )+r (x )
余项r (x )即为信息多项式a (x )的CRC 码
(2)校验
若在接收端，对编码组T (x )用同样的编码多项式g (x )去除，当除得结果的余数值为0时，则可判断所接收到的数据(即信息多项式a (x ))是正确的。
712 下传指令CRC 校验软件
下传指令的编码多项式为g (x )=x 8+1。其CRC 编码、校验程序如下:
CRC 28:M OV R 3, I W O
M OV R 2, #00H
M OV R 1, #00H
CRC 821:M OV A , @R 3
I N C R 3
M OV R 4, #08H
CRC 822:CL R C
RL C A
M OV A , R 1
RL C A
151第2期 刘国荣等：测井电缆遥传系统
M OV R 1, A
M OV A , R 2
RL C A
电渣重熔M OV R 2, A
JBC A
CC .0, CRC 823
CRC 823:DJN Z
R 4, CRC 822
DJN Z R 5, CRC 821
SJM P CRC 825
CRC 824:M OV A , R 2XRL A , #01H
M OV R 2, A
M OV A , R 1
XRL A , #01H
M OV R 1, A
SJM P CRC 823CRC 825:R ET
I W O 为指令(或指令及CRC 码)在单片机内存中存放的地址。R 1为8位CRC 码，编码时,R 5=1,R 1中的8位CRC 码传送到井下遥传单元；校验时,R 5=2，如果R 1=0，则表示指令传输正确，否则传输错误。
713 上传数据CRC 校验的软件
上传数据的编码多项式为g (x )=x 16+x 12+x 5+1。CRC 校验程序如下:CRC 216:M OV R 3, #00H
M OV R 2, #00H
M OV R 1, #00H
精准的失控CRC 1621:M OV X A , @D PTR
I N C D PTR
M OV RL CN T , #08H
CRC 1622:CL R C
RL C A
M OV A , R 1
RL C A
M OV R 1, A
M OV A , R 2
RL C A
M OV R 2, A
M OV A , R 3
RL C A
M OV R 3, A
JBC A CC .0, CRC 1625251原子能科学技术 第31卷
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