摘要：随着我国经济发展水平的不断提高，可编程逻辑器件不断更新并且发展速度增快，其中，最具代表性的就是FPGA，凭借自身诸多优势在各领域中应用日趋广泛，并逐渐将传统普通集成电路取代，成为集成电路新的发展趋势。在石油勘探仪器中使用FPGA，可以凭借FPGA的高集成度、高速度、良好的稳定性，提高勘探精度及速度。本文将具体探究FPGA使用原理，分析其在石油勘探仪器中的应用，以体现该技术优势。
关键词：FPGA原理；石油勘探；技术应用
FPGA通过采用LCA才得以基于PAL、CAL可编程逻辑器件发展起来，内部分为三个模块，即可配置逻辑模块CLB、输出与输入模块IOB以及内部连线。优势体现在：有着较高的集成度，逻辑门数量庞大；安全、可靠、重量小、灵活、功耗低，更便于使用；具有可编程性，且可以修改方案，缩短了电路设计周期。
1.FPGA组成及原理
当前，FPGA被开发出很多系列，包括XILINX的XC系列、TI公司的TPC系列等，而结构上最具有代表性的是XILINX公司的系列。该系列中有很多的产品，而在这些产品中，最能够体现结构特点的是Spartan-II产品，其内部结构最具有代表性，详见图1。
图1 Spartan-II芯片内部结构
该产品由众多的模块组成，并且每一个模块均有各自的功能，其中最重要的组成为CLBs、I/O、RAM块及可编程连线，继续对这些模块划分，又分为2个Slices，这是CLB的组成，对Slices组成继续划分，包括2个LUT及2个触发器。Spartan-II实现逻辑的基本结构就是Slices。而实现用户所需逻辑功能单元为CLB，在器件中以矩阵形式排列。查找表（LUT）结构是Spartan-II的基础。实现这一结构的OLD芯片就是FPGA，包括Xilinx的spartan，APEX系列、AItera的ACEX等。LUT本质上是一个RAM。当前，4输入的LUT是FPGA主要使用的，由此，有4位地址线的16xl的RAM实际上就可以看做是每一个LUT。如果用户通过硬件或者原理图对一个逻辑电路描述以后，所有可能的逻辑电路结果会通过PLD开发软件自动计算出来，然后事先写入到RAM将结果，，输入信号就如同输入了地址，通过输入的这个地址可以实现查表功能，一个地址对应一个内容，这样就可以最快找出需要的内容，然后快速输出。
FPGA内部逻辑块需要与外部器件外部引脚相互连接，而要想实现这两者的顺利连接，就必须使用到IOB这一构件，同时这也是IOB的主要作用。而PI也起到连接作用，连接的是IO与CLB，具体为：通过PI可以让CLB之间连接，IOB与CLB连接，并且无论是CLB还是IOB均是FPGA的重要组成。由此可见，FPGA的工作状态可以受编程数据的影响，并且还能对其运行进行控制。
2.FPGA在石油勘探仪器中的应用
在当前我国石油工业迅速发展下，将地震勘探效率及经济性提高，将三维勘探周期缩短已经成为主要需求。我国地震仪器无论从纵向分辨率还是横向分辨率上均有显著改进与提高。道数普遍增加了，最大道容量可以达到3500道；缩短了采样间距，已经能够缩短至0.5ms。为了进一步将勘探精度提高，数字地震仪器得到广泛采用，在速度上及准确率上比传统的地震仪器更显著。408UL24数字地震仪器就是典型代表。
408UL24数字地震仪器比起其他的地震仪器有着更多的优势，其中最显著的优势就是稳定性及可靠性，这是确保传输更加可靠及安全的基础。尤其是在野外电子设备中，这与FPGA产品的使用密不可分。FPGA器件要在交叉站及电源站大量使用，不仅能够将系统运行成本降低，减小了运行能耗，避免了能源浪费，提高了运行安全性。
该地震仪器内部结构较为复杂，组成部件较多，通过内部总线将DSP、IBM微型控制器与XilinxFPGA连接，与来自中心站的指令处理共同完成，还能数字信号处理FDU采集站发送的数据。其中，由XilinxFPGA完成内部总线间逻辑接口功能。Xilinx芯片一共有2个，在EEPROM存储器中存储Xilinx的程序。
图2 408UL数字地震仪LAUX LIPX板结构图
接收及发送数据主要通过FPGA完成，指令通过接收中心站发来以后，数据会被转换为单极性数据，从原本的双极性数据转换而来，基于内部总线协议，将数据传输给微处理器进行进一步处理，按照不同类型指令将不同功能完成，包括测试命令、采集指令、将建排命令发送到FDU等。
按照以上过程还可以进行数据的接收与发送。此外，FPGA还要负责串行数据的转换，在接收数据的时候，主要将串行数据转换为并行数据，目的是确保数据在内部并行总线上传输更加方便，可以作为IBM微处理器与数字信号处理器间的接口。数据在交叉站发送时，要转换并行数据，主要将其转换为串行数据，然后才能通过FPGA更顺利的将数据传输给排列。可以采用分立的小规模集成电路或者微处理器实现这些复杂的逻辑功能，但是要利用大面积的电路板，处理过程复杂，消耗更多的时间。通常，单片微处理器有一个普遍弱势就是较低的工作频率，难以实现数据的快速传输及处理，且经济性不高。而采用FPGA技术不仅在速度上有着显著优势，更有着显著的经济性，将电路设计简化了，同时也节省了能耗，在性能上也更加优越，这是Sercel仪器设计令人满意的地方。
结束语：总之，石油勘探仪器在石油产业快速发展下得到快速更新与发展，已经成为石油勘探及开采领域不可缺少的工具，并且在石油开采规模不断增大下，对石油勘探仪器的精准性及高效性也提出了更高要求。基于FPGA技术的可编程逻辑器件在石油勘探仪器中应用日趋普遍，通过本文对FPGA技术原理的分析及其在石油勘探仪器中的使用，可以发现该技术有着更高的集成性，性能更加稳定、优越，无论在速度上还是电路设计上均有一定优势。总之，在科学技术不断进步与发展下，各领域均会提高集成度要求，从而推动生产变革，FPGA也将随之得到更新与发展，为各个领域提供更加便捷的服务。
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论文作者:王博
论文发表刊物:《基层建设》2018年第5期
论文发表时间:2018/5/22
标签：石油勘探论文; 仪器论文; 数据论文; 逻辑论文; 可编程论文; 石油论文; 器件论文; 《基层建设》2018年第5期论文;