阅读说明：本技术 一种随钻声波异步串口信号同步的方法 (Method for synchronizing acoustic wave asynchronous serial port signals while drilling ) 是由 魏富强 孙云涛 陈文轩 张文秀 郑健 于 2019-09-12 设计创作，主要内容包括：本发明涉及随钻测井技术领域,提供了一种随钻声波异步串口信号同步的方法,使用异步串口通讯方式实现发射端与接收主控板之间的通讯与高压信号隔离；接收控制板作为主控端通过异步串口通讯方式为发射端配置参数,并控制声源的激发；发射端为同步声源激发信号发起者；通过两者的配合在异步通讯条件下实现信号同步；发射端包括若干发射板,发射板与接收控制板的异步串口通讯通过2根数据线R+和R-实现。本发明的有益效果：发射端强电高压信号不影响接收端数据采集与控制；发射端与接收端只需2根信号线即可完成数据传输与信号同步,不需额外加信号线作为同步信号；同步精度高,最大误差控制在一个晶振时钟之内；方法简单高效,适于推广应用。(The invention relates to the technical field of logging while drilling, and provides a method for synchronizing sound wave asynchronous serial port signals while drilling, which realizes communication and high-voltage signal isolation between a transmitting end and a receiving main control board by using an asynchronous serial port communication mode; the receiving control board is used as a main control end to configure parameters for the transmitting end in an asynchronous serial port communication mode and control the excitation of a sound source; the transmitting terminal is a synchronous sound source excitation signal initiator; the signal synchronization is realized under the condition of asynchronous communication through the cooperation of the two; the transmitting end comprises a plurality of transmitting plates, and asynchronous serial port communication between the transmitting plates and the receiving control plate is realized through 2 data lines R + and R-. The invention has the beneficial effects that: the strong electric high voltage signal of the transmitting terminal does not influence the data acquisition and control of the receiving terminal; the transmitting end and the receiving end can complete data transmission and signal synchronization only by 2 signal lines without additionally adding signal lines as synchronization signals; the synchronization precision is high, and the maximum error is controlled within one crystal oscillator clock; the method is simple and efficient, and is suitable for popularization and application.)

一种随钻声波异步串口信号同步的方法

技术领域

本发明涉及随钻测井技术领域，特别涉及一种随钻声波异步串口信号同步的方法。

背景技术

随钻声波测井与电缆声波测井仪器不同，在随钻声波测井中，受传输速率的限制，控制和数据处理均在井下快速完成。随钻声波测井仪的发射接收时序控制复杂，数据计算量大，为保证实时性，需合理调度控制和数据处理过程，协调仪器的整体工作。

随钻声波测井仪器电子系统由声波发射电路、信号接收及处理电路、数据采集电路、接收主控电路、电源电路等部分组成。发射电路接收到激发信号之后激发声源产生一定频率和波形的声波信号。

现在最新代的声源模式为四极子声源，而声源相互之间驱动信号的同步性能以及驱动波形将直接影响到数据采集电路接收到的信号质量。控制和数据处理电路则要保证发射电路与信号接收电路之间的时间间隔保持精确稳定，这样才能正确的接收到发射端发出的声波信号。

现有技术存在的问题如下：

发射端在激发四极子声源产生声波的时候，需要1000V以上的高压驱动信号，而高压所造成的干扰将会影响控制和数据处理电路的正常运行。

发射板与接收主控板之间常使用RS485异步串口通信的方式进行数据命令的交互，而现有的异步串口通信不能实现发射信号与采集信号的精确同步。

由于发射电路激发声源的时刻t₁与信号接收电路开始采集信号的时刻t₂之间的时间差Δt＝t₂-t₁需要保证精确稳定，这样才能保证每次都能采集到有效的信号。

当采用异步串口通信的方式进行信号同步时，即发射电路板在成功接收到同步命令帧之后延迟t₃激发声源，接收主控电路在接收到发射电路板返回的成功接收命令之后延时t₄开始采集。则声源激发的时刻与开始采集信号的时刻之间的时间差为Δt＝t₄-t₃。

由于使用的是异步串口通信的方式传输命令，假如波特率为9600dps，在其他情况不变的情况下，每次发送的时刻会在1/9600s内波动，则声源激发的时刻与开始采集信号的时刻之间的时间差为Δt也会在1/9600s内波动，从而导致每次信号采集的时间窗偏移。

发明内容

本发明的目的就是克服现有技术的不足，提供了一种随钻声波异步串口信号同步的方法，能够实现发射端和接收端之间的信号隔离并且保证精确同步。

本发明采用的技术方案如下：

一种随钻声波异步串口信号同步的方法，所述方法使用异步串口通讯的方式实现发射端与接收主控板之间的通讯与高压信号隔离；所述接收控制板作为主控端通过异步串口通讯方式为所述发射端配置参数，并控制声源的激发；所述发射端为同步声源激发信号的发起者；通过所述发射端与所述接收主控板之间的配合在异步通讯的条件下实现信号的同步。

进一步的，所述发射端包括若干个发射板，所述发射板与所述接收控制板的异步串口通讯通过2根数据线R+和R-实现，接收主控板和发射板直接挂接到这两根数据线上(相当于总线)。

进一步的，所述方法具体包括：

S1、接收主控板的微控制单元通过驱动芯片为若干个发射板配置参数，若干个所述发射板接收到所述配置参数后依次向所述接收主控板返回“成功接收”的命令；

S2、所述接收主控板的微控制单元通过驱动芯片以广播的形式给若干个所述发射板发送激发声源的命令，同时所述接收主控板的微控制单元对应的R+的引脚的配置从串口通讯的模式改变为通用输入端口模式，并开启对应引脚的上升沿中断功能，准备捕获发射端返回命令的时所造成的对应引脚的第一个上升沿；

S3、所述发射板成功接收到激发声源的命令之后，若干个发射板均开启对R+第一个上升沿的捕获；

S4、第一个所述发射板利用现场可编程门阵列并行处理的性能，在开启对R+第一个上升沿的中断之后，向控制与数据处理板返回成功接收的命令，其余的所述发射板不返回命令；

S5、若干所述发射板均捕获第一个上升沿之后，关闭对R+信号线上上升沿的捕获，同时开始使用计时器计时，经过T₁时间之后同时激发声源，保证发射端4块发射板之间的信号同步；

S6、所述接收主控板的微控制单元MCU在捕获R+第一个上升沿之后，重新配置R+对应的引脚为串口通讯的模式，准备下一次通讯，之后开启定时器，在经过T₂时间之后，通过上升沿中断的方式向数据采集电路发送开始采集声波信号的命令；

S7、所述数据采集电路以一定频率的采样率采集特定长度的数据；数据采集电路在声源发出声波信号之后的ΔT＝T₂-T₁时间开始采集数据。

进一步的，所述发射板的数量为4个。

进一步的，步骤S1中，所述参数包括工作模式、死区时间、激发频率和等待时间；所述驱动芯片为RS485芯片。

进一步的，步骤S2中，对上升沿捕获的捕获频率最高设置在100MHz。

进一步的，步骤S3中，发射板对R+第一个上升沿的捕获频率为25MHz。

进一步的，步骤S3中，发射板对R+第一个上升沿的捕获频率最高为现场可编程门阵列FPGA的时钟频率。

进一步的，步骤S5中，计时器的精度为晶振的时钟精度。

进一步的，信号同步精度达到与晶振频率一致，最大误差控制在一个晶振时钟之内，满足声波测井的精度要求。

本发明的有益效果为：

1、解决了声波测井仪器中发射端和接收端的信号同步问题。使用本发明提供方法能够使得同步精度达到与晶振频率一致，最大误差控制在一个晶振时钟之内，满足声波测井的精度要求。

2、简化发射端与接收端的硬件连接。使用本发明提供的方法，发射端与接收端只需要两根信号线就可以完成数据的传输与信号的同步，不需要额外加一根信号线作为同步信号。同时发射端与接收端硬件连接与通用的异步串口通讯连接一致，能够兼容通用的硬件，硬件连接无需改动。

3、实现发射端与接收端的高压隔离。使用本发明提供的方法，发射端与接收端之后是通过异步串口通讯的方式连接，则两者之后不需要共地，则发射端产生的强电高压信号就不会影响到接收端的数据采集与控制。

附图说明

图1所示为本发明实施例一种随钻声波异步串口信号同步的方法的原理示意图。

图2所示为本发明实施例一种随钻声波异步串口信号同步的方法的硬件结构示意图。

图3所示为实施例中接收主控板的程序流程示意图。

图4所示为实施例中发射板的程序流程示意图。

具体实施方式

下文将结合具体附图详细描述本发明具体实施例。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。在下述实施例的附图中，各附图所出现的相同标号代表相同的特征或者部件，可应用于不同实施例中。

本发明所解决的技术问题：

同步的串口通讯则需要时钟信号ClK，地信号GND，差分信号R+，R-四根线。同步串口通讯虽然能够实现信号的准确同步，但是由于发射端和接收端的GND地信号要连接在一起，所以发射端激发声源时所产生的高压激励信号会通过GND信号影响到接收端的信号采集和数据处理；并且同步串口通讯需要4根信号线作为通讯传输，而本发明采用的异步串口通讯只需要2根信号线作为通讯传输，简化了硬件结构，降低成本。

本发明一种随钻声波异步串口信号同步的方法，使用异步串口通讯的方式实现发射端与接收主控板之间的通讯与高压信号隔离；所述接收控制板作为主控端通过异步串口通讯方式为所述发射端配置参数，并控制声源的激发；所述发射端为同步声源激发信号的发起者；通过所述发射端与所述接收主控板之间的配合在异步通讯的条件下实现信号的同步。本发明的原理如图1所示。

在本实施例中，所述发射端包括1个发射板和1个接收主控板，所述接收主控板上有微控制单元(MCU)和RS485驱动芯片1，发射板上有现场可编程逻辑门阵列(FPGA)和RS485驱动芯片，2所述，发射板的现场可编程逻辑门阵列(FPGA)和接收主控板的微控制单元(MCU)都能够实现异步串口通信的功能。发射板的与接收主控板之间由2根差分信号线R+和R-连接。本发明实施例的硬件架构如图2所示。

在一个具体实施例中，本发明方法的具体步骤为：

S1、系统上电之后，首先接收主控板的微控制单元MCU通过RS485驱动芯片给4块发射板依次点名配置参数，包括工作模式，死区时间，激发频率和等待时间。4块发射板成功接收到配置参数之后依次返回成功接收的命令。

S2、接收主控板的微控制单元MCU通过RS485驱动芯片以广播的形式给4块发射板发送激发声源的命令，同时微控制单元MCU对应R+的引脚的配置从串口通讯的模式改变为通用输入端口模式，并开启对应引脚的上升沿中断功能，准备捕获发射端返回命令的时所造成的对应引脚的第一个上升沿，捕获的频率最高可以设置在100MHz。

S3、4块发射板同时成功接收到激发声源的命令之后，4块发射板开启对R+第一个上升沿的捕获，捕获的最高频率为现场可编程逻辑门阵列FPGA的时钟频率，一般在25MHz。

S4、1号发射板利用现场可编程逻辑门阵列FPGA并行处理的性能，在开启对R+第一个上升沿的中断之后，向控制与数据处理板返回成功接收的命令，2～4号发射板不返回命令。

S5、4块发射板捕获到第一上升沿之后，关闭对R+信号线上上升沿的捕获，同时开始使用计时器计时，经过T₁时间之后按照接收到的配置参数实现单极子发射或者4极子发射，实现不同的发射模式，同时保证发射端4块发射板之间的信号同步，计时器的精度为晶振的时钟精度。

S6、接收主控板的微控制单元MCU在捕获R+第一个上升沿之后，重新配置对应的引脚为串口通讯的模式，准备下一次通讯，之后开启定时器，在经过T₂时间之后，通过上升沿中断的方式向数据采集电路发送开始采集声波信号的命令。

S7、数据采集电路以一定频率的采样率采集特定长度的数据；数据采集电路相当于在声源发出声波信号之后的ΔT(ΔT＝T₂-T₁)时间开始采集数据，而且ΔT能够保证足够高的精度。

上述实施例中，接收主控板的程序流程如图3所示，发射板的程序流程如图4所示。

本发明通过异步串口通讯的方式，实现发射端与接收端之间的数据命令的传输，同时实现发射端与接收端之间高压信号的隔离。在整个仪器中接收端作为主控通过异步串口通讯的方式给发射端的配置参数并控制声源的激发，但是发射端却作为同步声源激发信号的发起者。通过两者的配合在异步通讯的硬件条件下实现信号的同步。充分利用现场可编程逻辑门阵列FPGA并行处理的性能，以及微控制单元MCU中断触发的功能，实现通过异步通讯达到信号同步的目的。

本文虽然已经给出了本发明的几个实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。