基于大容量非易失flash的隨鉆聲波測井技術(shù)

基于大容量非易失flash的隨鉆聲波測井技術(shù)

2009年2月13日，在鉆井表土井中獲得的數(shù)據(jù)卷受分辨率限制。除少量處理結(jié)果實時傳輸?shù)降孛嫱?，大量結(jié)果表明和原始波形數(shù)據(jù)存儲在機器內(nèi)存中。在鉆井過程中,為了保證隨鉆聲波測量分辨率,需要每隔幾秒鐘進行一次測量。在施工過程中隨鉆聲波測井儀為間歇工作方式,每次測量循環(huán)中,處理結(jié)果通常有幾十個字節(jié),原始波形的數(shù)據(jù)量則以千字節(jié)計,因此需要采用大容量非易失FLASH存儲器進行測井數(shù)據(jù)存儲。本文介紹了用于隨鉆聲波測井數(shù)據(jù)存儲的NANDFLASH芯片,并介紹了存儲系統(tǒng)接口電路設(shè)計方法、隨鉆聲波數(shù)據(jù)存儲方式及存儲流程。1ddflh模塊NANDFLASH和NORFLASH是目前最常用的兩種非易失閃存芯片。NORFLASH為并行結(jié)構(gòu),傳輸效率高,但寫入和擦除速度較低,存儲器結(jié)構(gòu)及引腳信號定義方式難以解決存儲容量增加的矛盾,存儲容量的增加使系統(tǒng)連線復(fù)雜且可靠性降低。NANDFLASH為串行結(jié)構(gòu),數(shù)據(jù)線與地址線復(fù)用為8條I/O線,另外還分別提供了命令控制信號線,命令、地址和數(shù)據(jù)信息均通過8條I/O線傳輸,因此,NANDFLASH存儲器不會因為存儲容量的增加而增加引腳數(shù)目,便于系統(tǒng)設(shè)計和產(chǎn)品升級。通過以上分析和比較,NANDFLASH具有寫入速度較快、容量大、功耗低、體積小、接口簡單等方面的優(yōu)點,更適合于隨鉆聲波測井大容量數(shù)據(jù)存儲需要,因此本設(shè)計選用了三星公司的2GbitNANDFLASH芯片K9F2G08U0M,引腳功能如表1所示。K9F2G080M的主要特點如下:(1)電源電壓為2.7～3.6V;(2)讀、寫、擦除操作電流15mA,待機電流10μA;(3)讀時間80ns,頁編程時間200μs,塊擦除時間2ms;(4)存儲單元陣列為(256M+8192)×8bit,數(shù)據(jù)寄存器和緩沖存儲器均為(2K+64)×8bit;(5)按頁讀2Kbyte/頁,按頁編程(2K+64)byte,按塊擦除(128K+4K)byte;(6)具有指令/地址/數(shù)據(jù)復(fù)用的I/O口;(7)命令寄存器操作,寫控制器能自動控制所有編程和擦除操作;(8)芯片可100K次編程/擦除,數(shù)據(jù)可保存10年不丟失。2fpga與fpss的融合數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)接口電路如圖1所示。隨鉆聲波測井儀采用DSP芯片TMS320LF2407,用于測量控制和數(shù)據(jù)處理。NANDFLASH芯片以頁為單位進行讀寫操作,擦除操作以塊為單位,寫數(shù)據(jù)時,位數(shù)據(jù)只能由1變?yōu)?,對NANDFLASH進行寫操作前必須把寫單元所在塊擦除。而在寫操作時,所要擦除塊的數(shù)據(jù)必須事先保存,然后再對該塊進行擦除,并把數(shù)據(jù)寫到指定單元,最后把其余部分恢復(fù)過來,因此,需要開辟一定的緩沖區(qū)對要擦除的塊進行保存。由于K9F2G08U0M每頁有2048字節(jié),考慮到隨鉆聲波實時計算對存儲空間的需要,因此擴展一片32K×16位SRAMCY7C1020,數(shù)據(jù)采集器將采集到的原始波形數(shù)據(jù)和處理結(jié)果存入SRAM,達到一定的采集深度之后,從SRAM中將數(shù)據(jù)讀出存入FLASH。雖然K9F2G08U0M的容量達到了256MB,其容量和尋址范圍遠遠超過DSP的尋址范圍,但由于芯片上的寫控制器能自動控制所有編程和擦除功能,提供必要的重復(fù)脈沖、內(nèi)部確認和數(shù)據(jù)空間,而且K9F2G08U0M的命令、地址和數(shù)據(jù)信息均通過I/O0～I/O7傳輸,在FLASH的256M物理存貯空間中,28位地址分成5個地址周期(2字節(jié)列地址和3字節(jié)行地址),通過8位I/O口寫入地址寄存器,不需要通過地址線尋址,因此無需考慮采用頁面技術(shù)解決邏輯存儲空間與物理空間的映射問題,大大簡化了DSP與FLASH的硬件接口,實際操作起來非常方便。由于DSP和FLASH的工作電壓均是3.3V,因此兩者的引腳可以直接連接,不需要進行電平轉(zhuǎn)換。在圖1中,FLASH的8位I/O口直接與DSP的通用I/O口IOPB0～IOPB7相連,FLASH的CE、CLE、ALE分別由DSP的IOPF1～IOPF3控制。DSP的WE、RD分別接FLASH的WE、RE,控制讀、寫操作。DSP的通用I/O口IOPF0接FLASH的R/B,監(jiān)測存儲器的工作狀態(tài),當R/B處于低電平時,表示有編程、擦除或隨機讀操作正在進行,操作完成后,R/B自動返回高電平。3存儲sdrap由于隨鉆聲波測井中一個波列的數(shù)據(jù)量較大,有可能超過FALSH的頁長度,而K9F2G08U0M容量為256M,不可能將測井過程中的全部波列數(shù)據(jù)均保存下來,因此,FALSH主要保存處理結(jié)果,另外根據(jù)測井需要,每隔若干頁保存一次原始波形數(shù)據(jù),兩種數(shù)據(jù)均按順序結(jié)構(gòu)保存。由于寫操作時,必須先擦除當前數(shù)據(jù)塊,因此如果每次測量完成后存儲一次,就需要將FLASH當前塊中的數(shù)據(jù)保存到SRAM中,然后擦除該塊,再讀出存入SRAM中的歷史數(shù)據(jù),連同當前數(shù)據(jù)一起重新寫入FLASH當前塊。這種存儲方式需要DSP頻繁訪問FLASH存儲器,影響DSP處理聲波測量數(shù)據(jù)的實時性,因此采用整頁存儲方式。在整頁存儲方式中,每次測量完成后將數(shù)據(jù)存入SRAM,并根據(jù)測量結(jié)果占用的字節(jié)數(shù),設(shè)置一個低于FALSH頁長度(2048字節(jié))的SRAM數(shù)據(jù)存儲長度,當SRAM中數(shù)據(jù)達到該長度時,將數(shù)據(jù)從RAM中讀出,轉(zhuǎn)換成規(guī)定格式,再加上診斷狀態(tài)和數(shù)據(jù)區(qū)標志等信息,一次性寫入FLASH。存儲流程如圖2所示。對NANDFLASH的操作主要包括按頁讀操作、頁編程、塊擦除等,讀、寫操作以頁為基礎(chǔ),擦除按塊進行,編程和擦除操作采用兩級命令確認方式,以防止誤操作。以下介紹NANDFLASH的主要操作方法。3.1數(shù)據(jù)表達文件的總體功能讀操作流程如圖3所示,寫入30H后,5個字節(jié)的行地址所指定的頁中的數(shù)據(jù)將在25μs內(nèi)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)寄存器中,在RE脈沖的作用下,不但可以從指定的列地址開始連續(xù)讀到該頁末尾,也可以按照流程圖中的虛線部分輸入隨機讀指令碼,任意讀取該頁中的內(nèi)容,并且不受次數(shù)限制。3.2待錄入數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)頁編程流程如圖4所示。首先寫入頁編程命令80H,然后順序輸入行列地址以及待寫入的數(shù)據(jù)。頁編程確認命令10H用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)從緩沖區(qū)到FLASH的編程操作。寫入完成后,讀狀態(tài)寄存器(通過寫入70H實現(xiàn))判斷操作是否成功,若未成功,將當前塊聲明為壞塊,并進行塊數(shù)據(jù)替換操作,以保證可靠性。3.3地址碼的輸入塊擦除流程如圖5所示。擦除操作以塊為單位進行,由于器件分為2048塊,因此輸入的地址碼中只有A18～A28的11位有效,其余位將被忽略。裝入擦除確認指令D0H和塊地址即開始擦除,與頁編程操作類似,擦除完畢后應(yīng)檢查寫狀態(tài)位I/O0并處理返回結(jié)果。3.4塊置換業(yè)務(wù)在閃存的使用中,可能會產(chǎn)生壞塊。在擦除和編程操作后,如果出現(xiàn)讀失敗,應(yīng)當進行塊置換。塊置換由容量為一頁的緩沖器來執(zhí)行,可以通過發(fā)現(xiàn)一個可擦的空塊和重新對當前數(shù)據(jù)對象進行編程來復(fù)制塊中的剩余部分。為了提高存儲空間的使用效率,當由單個字節(jié)錯誤而引起的讀或確認錯誤時,應(yīng)由ECC收回而