王炳友，黨 博，黨瑞榮，王 港，王新亞

（西安石油大學，陜西省油氣井測控技術重點實驗室，陜西西安 710065）

油氣井出砂是油氣生產者所須面對的一個嚴重問題。出砂監(jiān)測技術可以給油氣生產者提供目標井的實時出砂量，為生產者做出決策提供出砂量數據參考，是解決油氣井出砂問題的關鍵技術[1-3]。在出砂監(jiān)測領域，最具行業(yè)認可度的公司是挪威的clampon公司，其最新一代粒子監(jiān)控器SandQTM采用有源聲學和無源聲學相結合的原理實現背景流體流速測量和出砂監(jiān)測的目的，由于SandQTM自身解決了出砂量反演所必須的背景流體流速，所以該儀器在出廠后無需再進行現場校準[4]。采用無源聲學原理，利用線性陣列式出砂監(jiān)測探頭，結合陣列信號處理技術同樣可以實現對背景流體流速間接測量的目的，并且還可以實現對背景噪聲的抑制[5，6]。線性陣列式出砂監(jiān)測探頭的有效使用需要有多通道同步數據緩存系統(tǒng)的支持?，F有的多通道數據處理系統(tǒng)架構多側重于多通道數據處理算法的并行加速以及多通道數據采集，并未涉及到通道間控制邏輯的關聯性，同時，也沒有考慮前端AD轉換器和后端數據處理子系統(tǒng)間的數據速率匹配問題[7-11]?，F有的面向陣列式出砂監(jiān)測探頭的數據采集系統(tǒng)實現了多通道數據的同步采集，但預觸發(fā)方法和數據緩存架構存在諸多問題[12]。例如，固定閾值觸發(fā)的漏觸問題和數據采集板卡與上位機通信期間可能發(fā)生的有效數據遺漏問題。針對以上問題，本文從線性陣列式出砂監(jiān)測探頭的多通道同步數據緩存需求以及保證波形完整性的數據預觸發(fā)需求觸發(fā)，充分考慮數據自適應觸發(fā)、有效數據遺漏等問題，提出了一種適合FPGA器件實現的，具有自適應預觸發(fā)功能的多通道出砂振動信號緩存系統(tǒng)架構，其采用新的自適應觸發(fā)方法，并融入了數據乒乓操作的思想。實例測試結果表明，基于該系統(tǒng)架構設計的多通道數據緩存系統(tǒng)能夠完成連續(xù)數據流的自適應預觸發(fā)緩存，系統(tǒng)架構功能完整而有效。

1 多通道高速數據緩存系統(tǒng)關鍵技術

1.1 自適應閾值觸發(fā)

對于應用于陣列信號采集的信號采集系統(tǒng)，預觸發(fā)功能是保證系統(tǒng)工作效率的關鍵。預觸發(fā)即在有效信號到來時刻“之前”觸發(fā)存儲模塊的寫控制信號，從而緩存完整的有效信號，緩存數據所對應的時刻點應包括有效信號到達時刻及有效信號到達前一定數量的時刻點。預觸發(fā)機制的難度在于觸發(fā)方式及觸發(fā)參數的選擇，它與采集系統(tǒng)將面對的信號特征密切相關。理想情況下，希望信號采集系統(tǒng)的觸發(fā)時刻點就是有效信號的到來時刻，但是，在實際工作環(huán)境中，由于測量信號背景噪聲的影響，信號采集系統(tǒng)的預觸發(fā)機制不可能準確地識別有效信號到來時刻。因此，只能選取一種恰當的預觸發(fā)機制并設置合適的觸發(fā)參數，以準確的緩存包括有效信號到達時刻點在內的數據幀，而不再關心預觸發(fā)機制是否在有效信號到達時刻點處被觸發(fā)。預觸發(fā)機制的觸發(fā)時刻即觸發(fā)點，觸發(fā)后緩存數據幀中觸發(fā)點之前的數據深度即預觸發(fā)深度。還有，由于有效信號幅度值的不同，預先設定的預觸發(fā)參數并不一定適合所有的有效信號，以此系統(tǒng)所面對的出砂信號為例，當管道中流體流速降低時，砂礫撞擊管壁產生的振動信號幅值也會減小，但是遇到這種情況，信號采集系統(tǒng)的預觸發(fā)機制要能夠自動適應。為提高預觸發(fā)機制對測量信號背景噪聲的兼容能力，降低誤觸概率，同時，提高預觸發(fā)機制對有效信號幅值的兼容能力，降低漏觸概率，設計了雙門限自適應預觸發(fā)機制（見圖1），電路原理框圖（見圖2）。

圖1 雙門限觸發(fā)示意圖

圖2 自適應雙門限觸發(fā)原理框圖

自適應雙門限觸發(fā)電路工作原理：原始采樣信號經過滑動均值濾波模塊降噪后，上一時刻的采樣數據點更新比較器上下門限，比較器利用上一時刻采樣數據更新后的上下門限對下一時刻采樣數據進行比較，如滿足條件則計數器加一，直到計數器的值等于預設定檢測點數，觸發(fā)信號有效。如在計數過程中出現不符合條件的突變采樣點，計數器在下一個時鐘上升沿到來后清零；當一次觸發(fā)完成，計數器會在下一個時鐘邊沿到來后歸零。此時，觸發(fā)門限不再是固定值，觸發(fā)方式也不再是點觸發(fā)。觸發(fā)模塊檢測的是目標信號的某段上升沿，從而降低誤觸概率及漏觸概率。

1.2 乒乓操作

數據流乒乓操作是一種增加設計復雜度及邏輯資源消耗，來保證對連續(xù)數據流緩存的一種方法[13]。乒乓操作的核心是使數據緩存單元的讀寫周期重合，以避免由于讀寫等待所造成的數據流部分丟失，從而可以對連續(xù)高速數據流進行緩存。注意，乒乓操作可以緩解下游信號處理模塊的數據處理壓力，避免數據堵塞，這是以提高下游信號處理模塊的工作時鐘頻率為代價的，如果下游模塊對緩存單元的數據讀取速率低于寫入速率，使用乒乓操作依舊無法對連續(xù)高速數據流進行緩存。單通道數據流乒乓操作模塊圖（見圖3），乒乓操作數據流讀寫時序（見圖4）。

圖3 單通道數據流乒乓緩存

圖4 數據流乒乓操作時序圖

2 帶有預觸發(fā)功能的連續(xù)數據流緩存架構

其中，wrea，wreb分別為FIFO_A和FIFO_B的寫使能信號；wrfa，wrfb分別為FIFO_A和FIFO_B的寫滿指示信號；rdea和rdeb分別為FIFO_A和FIFO_B的讀使能信號；rdma和rdmb分別為FIFO_A和FIFO_B的讀空指示信號。連續(xù)數據流觸發(fā)緩存結構（見圖5）融入了數據乒乓操作的思想，對于每一個數據流緩存通道，使用兩個相同的FIFO模塊，以解決非連續(xù)數據流緩存結構讀期間不能寫所造成的有效數據遺漏問題。

圖5 連續(xù)數據流預觸發(fā)緩存結構

連續(xù)數據流預觸發(fā)緩存結構相比非連續(xù)數據流預觸發(fā)緩存結構在控制邏輯上要復雜，為了更好的描述連續(xù)數據流預觸發(fā)緩存結構控制邏輯的工作過程，分別給出了控制邏輯中的寫操作狀態(tài)機和讀操作狀態(tài)機（見圖6、圖7）；狀態(tài)轉移表（見表1、表2）。

圖6 寫操作狀態(tài)機

圖7 讀操作狀態(tài)機

結合連續(xù)數據流緩存結構寫操作狀態(tài)機狀態(tài)轉移圖和狀態(tài)轉移表，連續(xù)數據流緩存結構的寫操作過程如下：模數轉換器輸出的原始數字信號，經滑動濾波模塊降噪后，被平滑濾波后的數據流同時進入預觸發(fā)模塊和移位寄存器，預觸發(fā)模塊和移位寄存器一直處于工作狀態(tài)。當進入預觸發(fā)模塊的數據滿足觸發(fā)條件后，觸發(fā)標志信號tri_ctrl有效，寫時鐘上升沿翻轉電平，高電平有效，持續(xù)時間一個時鐘周期；當觸發(fā)信號有效后，如果寫操作狀態(tài)機處于空閑狀態(tài)wr_idle且FIFO_A讀空，則下一個狀態(tài)進入wra，即FIFO_A寫狀態(tài)，若FIFO_A非空，則下一個狀態(tài)進入wrb，即FIFO_B寫狀態(tài)；當觸發(fā)信號有效后，如果寫操作狀態(tài)機處于寫FIFO_A的狀態(tài)，即恰好寫完FIFO_A，FIFO_A的寫滿標志有效，則下一個狀態(tài)進入FIFO_B寫狀態(tài)；當觸發(fā)信號有效后，如果寫操作狀態(tài)機處于FIFO_B寫狀態(tài)，即恰好寫完FIFO_B，FIFO_B的寫滿標志有效，則下一個狀態(tài)進入FIFO_A寫狀態(tài)。注意，在FIFO_A或者FIFO_B寫滿后，如果沒有觸發(fā)標志信號，則寫操作狀態(tài)機會返回空閑狀態(tài)。在讀時鐘速率大于寫時鐘速率的情況下，不可能出現FIFO_A和FIFO_B同時寫滿的情況。利用連續(xù)預觸發(fā)數據流緩存結構做單通道或多通道數據采集處理系統(tǒng)，其面對的最差情況就是FIFO的讀寫時鐘頻率相等，一般情況下，FIFO的寫時鐘頻率遠小于讀時鐘頻率，因為要利用讀寫時鐘頻率差預留出一幀有效數據的處理時間。

表1 寫操作狀態(tài)轉移表

表2 讀操作狀態(tài)轉移表

連續(xù)數據流預觸發(fā)緩存結構的讀操作狀態(tài)機并不是獨立的，讀操作狀態(tài)機的狀態(tài)切換與寫操作狀態(tài)機的當前狀態(tài)有關。讀操作狀態(tài)機工作在寫時鐘域，并非工作在讀時鐘域，其中的原因是為保證FIFO讀寫使能信號電平翻轉的同時性，保證FIFO讀寫周期時間的相等，這是理想乒乓操作的時序要求。讀操作狀態(tài)機的工作過程如下：復位后，讀操作狀態(tài)機處于空閑狀態(tài)rd_idle，當寫操作狀態(tài)機處于FIFO_A寫狀態(tài)，即表2中的wr_cur.wra有效，且FIFO_A寫滿標志信號有效，則讀操作狀態(tài)機的下一個狀態(tài)是rda，即FIFO_A的讀狀態(tài)，否則，讀操作狀態(tài)機狀態(tài)不跳轉；如果讀操作狀態(tài)機的當前狀態(tài)是FIFO_A讀狀態(tài)，當寫操作狀態(tài)機處于FIFO_B寫狀態(tài)，即表2中的wr_cur.wrb有效，且FIFO_B寫滿標志信號有效，則讀操作狀態(tài)機的下一個狀態(tài)是rdb，即FIFO_B讀狀態(tài)，否則，讀操作狀態(tài)機狀態(tài)不跳轉；如果讀操作狀態(tài)機的當前狀態(tài)是FIFO_B讀狀態(tài)，當寫操作狀態(tài)機處于FIFO_A寫狀態(tài)，即表2中的wr_cur.wra有效，且FIFO_A寫滿標志信號有效，則讀操作狀態(tài)機的下一個狀態(tài)是FIFO_A讀狀態(tài)，否則，讀操作狀態(tài)機狀態(tài)不跳轉。

3 系統(tǒng)集成及功能測試

3.1 系統(tǒng)集成

在上述理論分析的基礎上，使用硬件描述語言，搭建了基于連續(xù)數據流預觸發(fā)緩存結構的單通道數據采集系統(tǒng)，綜合后模塊框圖（見圖8）。多通道數據采集系統(tǒng)是在單通道數據采集系統(tǒng)的基礎上進行搭建，綜合后模塊框圖（見圖9），其搭建方法也很簡單，只需將多路獨立的預觸發(fā)信號或運算后輸入各通道控制邏輯模塊，然后各通道數據在高速讀時鐘的作用下輪詢輸出即可。

3.2 功能測試

3.2.1 仿真測試 利用采集的砂礫撞擊管壁產生的振動信號，針對五通道數據采集系統(tǒng)的設計要求，制作測試所需的數據文本文件，編寫測試腳本。使用Modelsim軟件進行測試。

圖8 單通道數據采集系統(tǒng)模塊框圖

圖9 五通道數據采集系統(tǒng)模塊框圖

圖10 板級測試系統(tǒng)框圖

由測試結果可以看出，觸發(fā)模塊正常工作，未受信號幅值變化的影響；五組有效信號組成的連續(xù)數據流被成功緩存，未出現有效數據丟失現象。這說明基于連續(xù)數據流預觸發(fā)緩存結構的五通道數據采集系統(tǒng)工作各子通道工作正常，并滿足指定設計要求。頂層模數據輸出端口在每個讀緩存周期都會讀出五組同一有效信號，這說明在單通道數據采集系統(tǒng)的基礎上搭建的五通道數據采集系統(tǒng)工作正常，可以實現連續(xù)數據流的多通道同步采集，同時，也說明本文提出的連續(xù)數據流預觸發(fā)緩存結構支持多通道擴展。

3.2.2 板級測試 在仿真測試的基礎上，為測試基于連續(xù)數據流預觸發(fā)緩存結構的五通道數據采集系統(tǒng)的實際工作性能，利用實驗室現有的多通道數據采集板卡、任意信號發(fā)生器及signaltap II嵌入式邏輯分析儀進行了系統(tǒng)的板級測試。多通道數據采集板卡載有4片AD9650模數轉換器，采樣率為10 MHz，輸出數據格式為有符號16位。板卡載有FPGA芯片三片，為Intel公司的EP4CE6E22C8芯片。AD9650與FPGA芯片之間的數據通信接口為16位并行接口。完成五通道數據采集系統(tǒng)的移植后，板級測試系統(tǒng)框圖（見圖10）?，F設置系統(tǒng)模數轉換器為10 MHz，即數據寫時鐘頻率為10 MHz，數據讀時鐘頻率為50 MHz，任意信號發(fā)生器充當信號源，signaltap II邏輯分析儀作為上位機。

板級測試結果與仿真測試結果一致，實測結果進一步證明了連續(xù)數據流緩存結構功能的完整性。此外，由圖10板級測試系統(tǒng)框圖可知，連續(xù)數據流緩存結構具有良好的通道擴展性，且這種擴展性不局限于單片FPGA器件。

4 結語

仿真和實測結果表明基于自適應觸發(fā)方法和乒乓操作原理的多通道出砂振動信號緩存系統(tǒng)架構能夠實現數據自適應觸發(fā)及連續(xù)數據流緩存，可有效降低由于信號幅值引起的誤觸和漏觸概率，避免傳統(tǒng)數據緩存架構讀寫訪問沖突所引起的有效數據幀丟失問題。此外，該多通道數據緩存系統(tǒng)架構具有良好的通道擴展性及模塊功能獨立性，加之架構所使用資源均為常規(guī)FPGA器件片上資源，所以系統(tǒng)架構具有良好的可移植性。該多通道數據緩存系統(tǒng)架構不僅能夠解決油氣出砂監(jiān)測系統(tǒng)的數據緩存問題，還能夠為其他應用場景下的多通道數據采集處理系統(tǒng)的設計提供參考。