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8 0 石油仪器 P E T R O L E U M I N S T R U ME N T S 2 0 1 0年 0 8月 计算机与通讯技术 F P G A原理及其在石油勘探仪器中的应用 雷小青 蒋立冬 潘 中印 1 ． 贵州大学职业技术学院贵州 贵阳 2 ． 东方地球物理公司西安物探装备分公司陕西 西安 摘 要随着可编程逻辑器件的发展 ， F P G A的应用已经越来越广泛， 且用可编程逻辑器件代替传统的普通集成电路 已成为一种发展的趋势。可编程逻辑器件 F P G A以其高集成度、 高速度、 开发周期短、 稳定性好而受到了人们的青睐 ，并 得到了广泛的应用。文章介绍了F P G A的原理及实现技术， 并阐述了其在石油勘探仪器中的具体应用。 关 键 词 F P G A； 逻辑 电路 ； 4 0 8 U L 中图法分类号 P 6 3 1 ． 4 3 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 4 9 1 3 4 2 0 1 0 0 4 ． 0 0 8 0 0 3 O 引 言 F P G A F i e l d P r o g r a m ma b l e G a t e A r r a y 是在早期的 可编程逻辑器件 P A L 、 G A L等基础上发展起来 。它采 用了逻辑单元阵列 L C A L o g i c C e l l A r r a y 这样一个新 概念 ， 内部包 括 可 配 置逻 辑 模 块 C L B C o n fi g u r a b l e L o g i c B l o c k 、 输 出输入模 块 I O B I n p u t O u t p u t B l o c k 和内部连线 I n t e r c o n n e c t 三个部分。与早期的可编程 器件相比 F P G A具有如下优点 1 F P G A器 件 的集成 度高 、 功 能强。 目前单 片 F P G A的逻辑门数 已经达 到数十万 门， 完全可 以满足 芯片内集成系统的要求 ； 2 F P G A器件可靠性高 、 保密性好 、 重量轻 、 体积 小 、 功耗低 、 速度快 ； 3 F P G A器件具有可编程性 和实现方案容易改 动性 ， 使得电路设计周期短 ， 占领市场速度快 ； 4 F P G A器件所设计 的电子系统 ， 研制和开发成 本相对较低。F P G A芯片在 出厂前都做过测试 ， 不需 要设计人员承担风险和费用。 正因为 F P G A具有如此多的优点 ， 使得它在各种 电子设备中使用非常广泛 。目前的第五代数字石油勘 探仪器 中也普遍采用这一技术 ， 本文将 以法国 S e r c e l 公司的 4 0 8 U L地震勘探仪器为例 ， 介绍 F P G A的组成 结构及技术的应用， 分析其工作机理， 总结其设计思想 和实现技巧⋯。 1 F P GA的组成和工作原理 l2 J 经过几十年的发展 ， 许多公司都开发出了多种类 型的 F P G A， 有 X I L I N X的 X C系列、 T I 公 司的 T P C系 列、 A L T E R A公司的 F I E X系列等。但是在众多的产品 中， X I L I N X公司的系列产品在结构上最具代表性。 X I L I N X公司的 S p a a nI I 的内部结构如图 1 所 示 。 图 1 Xi l i n x S p a r t a nI I 芯片 内部结构 S p a r t a n～I I 主要包括 C L B s ， I ／ 0块 ， R A M块和可 编程连线 未表示出 。在 S p a rt a n I I 中， 一个 C L B包 括 2 个 S l i c e s ， 每个 S l i c e s 包括 2个 L U T及 2个触发器 和相关逻辑。S l i c e s 可 以看成是 S p a rt a n l I 实现逻辑的 最基本结构 ， 如图 2所示 。C L B 可编程逻辑模块 是 实现用户所需逻辑的功能单元 ， 以矩 阵形式安排在器 件的中心。 S p a rt a n I I 是基于查找表 L U T 结构的。采用这 种结构的 P L D芯片我们也可 以称之为 F P G A 如 A l t e r a 的 A C E X， A P E X系列， X i l i n x的 S p a a a n ， V i e x系列等。 查找表 L o o k U pT a b l e 简称为 L U T ， L U T本质上就 第一作者简介 雷小青， 女， 1 9 7 1 年生， 实验师， 贵州大学职业技术学院毕业， 现为贵州大学通信与信息工程在职硕士。邮编 5 5 0 0 0 3 2 0 1 0年第 2 4卷第 4期 雷小青等 F P G A原理及其在石油勘探仪器中的应用 8 1 图 2 CLB 结 构 图 是一个 R A M。目前 F P G A中多使用 4输入的 L U T， 所 以每一个 L U T可以看成一个有 4位地址线 的 1 6 x l的 R A M。当用户通过原理图或硬件描述语言描述 了一个 逻辑电路以后 ， P L D ／ F P G A开发软件会 自动计算逻辑 电路的所有可能的结果 ， 并把结果 事先写入 R A M， 这 样 ， 每输人一个信号进行逻辑运算就等于输入一个地 址进行查表， 找出地址对应的内容 ， 然后输 出即可。 另外 F P G A 中还包括 I O B 可编程输入／ 输 出块 和 P I 可编程内部连线 。I O B就是 F P G A内部逻辑块 与器件外部引脚之间的接 口。P I 是各个 I O、 C L B的连 接通道 ， 在编程数据控制下 ， 它为 F P G A芯片 内的 C L B 之间、 C L B和 I O B之间提供连接。 F P G A的工作状 态完全 由编程数据来控 制， 它存 放在 F P G A片内的独立静态存储器 中。由于停 电后 ， 静态存储器中的数据不能保存 ， 因此每次接通电源后 必须重新给静态存储器装载编程数据 ， 这些数据通常 存放在 E P R O M 中。F P G A加 电后 ， 从 E P R O M 中加载 程序 ， 在程序的控制下实现一系列预先设定好 的逻辑 功能 。 2 F P GA在石油勘探仪器中的应用 法国 S e r c e l 公司生产 的4 0 8 U L 2 4位数字地震仪器 以其 良好的可靠性和稳定 的数据传输等特点而受到关 注[ 。其野外电子设备更是体现了这一特点。这与其 具体实现技术是紧密联系在一起 的。其 中 F P G A产品 的使用就极具代表性 。在交叉站和电源站中则更是大 量使用 F P G A器件。F P G A器件 的使用不但 降低 了系 统成本 ， 而且提高了可靠性 ， 降低了功耗 ， 最为重要的 是可以通过软件的升级来实现逻辑功能 的升级 ， 从而 是整个仪器系统的灵活性大为提高 ， 降低了维护成本 ， 获得了 良好 的可扩 展性。以 4 0 8 U L仪器 中的交叉 站 L A U X为例进行阐述 。 4 0 8 U L交叉站 L A U X的数字板的内部结构原理图 如图 3所示 。D S P， I B M微控制器和 X i l i n x F P G A通过 内部总线连 接 。 共 同完成对来 自中心站 的指令 的处 LAUX h a r d wa r e 图 3 4 0 8 U L数字地震仪 L A UX L I P X板 结构 图 理 ， 以及对 F D U采集站发送来 的数据进行数字信号处 理 。其中大线数据 和内部 总线间的逻辑接 口功 能由 8 2 石油仪器 P E T R 0 I J E U M I N S T R U ME N r S 2 0 1 0年 O 8 月 X i l i n x F P G A完成。一共有 2块 X i l i n x芯片。它 的程 序存储在一块 E E P R O M存储器 中。 F P G A负责接收和发送大线数据。接收中心站发 来的命令时 ， 将交叉线上传输 来的 1 6 ． 3 8 4 Mb p s 基带 双极性曼彻斯特编码数据转换成单极性数据 ， 然后遵 循内部总线传输协议 ， 将数据传输给 I B M 微处理器 ， 同时也传输给另一给交叉口， 以便传输给下一条测线。 I B M根据指令的种类执行相应 的程序 ， 完成不同的功 能 如发送给 F D U建排命令 ， 测试命令 ， 采集指令等 。 在接收和发送数据时 ， 也类似于这个过程。另外 ， 接收数据时 F P G A还要完成将 串行数据转换成并行数 据的任务 ， 以便数据可以在内部并行总线上传输 ， 实现 和 I B M微 处理器 以及数字信 号处理器 之间 的接 口。 交叉站发送数据时 ， 则将微处理器 的并行数据转换成 串行数据 ， 通过 F P G A发送给排列 。 理论上讲 ， 这一 系列复杂的逻辑功能也可以用分 立的小规模集成电路或微处理器来实现 ， 但会 占用过 多的电路板空间， 最主要 的是速度上达不到要求。普 通单片微处理器的核心工作频率达不到 1 6 ． 3 8 4 Mb p s 数据传输与处理的要求 ， 3 2位微处理器速度价格方面 则不占优势。利用 F P G A技术 ， 充分发挥其速度上和 价格上的优势， 简化 了电路设计 ， 降低了耗 电， 性能更 加可靠稳定 ， 这也是 S e r c e l 在仪器设计上的一贯特色。 除了在 交叉 站 L A U X使 用 F P G A外 ， 在 电源站 L A U L和 中心 站 的大 线 接 口板 L C I 上 也 使 用 了 F P G A。在实现高速数字逻辑功能方面， 发挥了重要作 用 。 3 结束语 近些年来 ， 以 F P G A和 P L D技术为代表 的大规模 可编程逻辑器件技术发展迅猛， 应用也十分广泛。通 过介绍 了 F P G A的工作机制 ， 并结合法 国 4 0 8 U L数字 地震仪器， 阐述 了 F P G A的具体应用。相信 随着设计 方法的进步和工程应用对集成度要求 的进一步提升 ， F P G A的应用范围会越来越广泛。 参 考 文 献 [ 1 ] 王有绪． 数字电路与逻辑设计[ M] ． 西安 西北工业大学 出版社 ， 2 0 0 3 [ 2 ] 王刚 ， 张潋 ． 基 于 F P G A的 S O P C嵌 入式系统设计 与 典型实例[ M] ． 北京 电子工业出版社， 2 0 0 9 [ 3 ] S e r c e 1 ． 4 0 8 U L T r a i n i n g C o u r s e ． 2 0 0 3 资料 收稿 E l 期 2 0 0 9 1 2 2 9 编辑 梁保 江 中 国 石 油 仪 器 信 息 网 石油仪器企业商务信息管理平 台 立足企业服务 加快企业产品推广 功能强大的企业信息发布系统 ◆综合要 闻◆企业动态◆最新 供应 ◆最新求购◆招聘信息 在这里您不仅可以发布 自己企业、产品信 息，而且更能了解到行业内最新的其他企 业、产品信息。 电话 0 2 9 8 7 9 1 5 6 9 1 传 真 0 2 9 8 7 9 1 5 6 9 0 网 址 WWW． o i l x x ． c o m 8 7 91 5 7 3 9 邮箱 o i l x x 1 6 3 ． c o m ■ 汇集 全 国石油 、石 化系 统通 讯 录 可直 击您 的终 端 客 户⋯ ⋯ ◆测 井 公 司◆录 井 公 司◆ 物 探 公 司 ◆采 油 厂 ◆炼 油 厂 ◆ 油 田 ◆⋯⋯ ◆其 它相 关 石油 石化物 资 装备 生产 服务企 业 加入 我i f ] 您 不会 再为寻 找您 的 客 户在 哪里而 发愁 ，我 们 将为 您提 供最 有价 值 的信 息和优 质全方位 的服务 。 我 们 关 注 您 的 需 要 和 利 益 免 费 注 册 您 就 是 网 站 蕾 曩 者