基于大容量非易失flash的随钻声波测井技术

基于大容量非易失flash的随钻声波测井技术

2009年2月13日，在钻井表土井中获得的数据卷受分辨率限制。除少量处理结果实时传输到地面外，大量结果表明和原始波形数据存储在机器内存中。在钻井过程中,为了保证随钻声波测量分辨率,需要每隔几秒钟进行一次测量。在施工过程中随钻声波测井仪为间歇工作方式,每次测量循环中,处理结果通常有几十个字节,原始波形的数据量则以千字节计,因此需要采用大容量非易失FLASH存储器进行测井数据存储。本文介绍了用于随钻声波测井数据存储的NANDFLASH芯片,并介绍了存储系统接口电路设计方法、随钻声波数据存储方式及存储流程。1ddflh模块NANDFLASH和NORFLASH是目前最常用的两种非易失闪存芯片。NORFLASH为并行结构,传输效率高,但写入和擦除速度较低,存储器结构及引脚信号定义方式难以解决存储容量增加的矛盾,存储容量的增加使系统连线复杂且可靠性降低。NANDFLASH为串行结构,数据线与地址线复用为8条I/O线,另外还分别提供了命令控制信号线,命令、地址和数据信息均通过8条I/O线传输,因此,NANDFLASH存储器不会因为存储容量的增加而增加引脚数目,便于系统设计和产品升级。通过以上分析和比较,NANDFLASH具有写入速度较快、容量大、功耗低、体积小、接口简单等方面的优点,更适合于随钻声波测井大容量数据存储需要,因此本设计选用了三星公司的2GbitNANDFLASH芯片K9F2G08U0M,引脚功能如表1所示。K9F2G080M的主要特点如下:(1)电源电压为2.7～3.6V;(2)读、写、擦除操作电流15mA,待机电流10μA;(3)读时间80ns,页编程时间200μs,块擦除时间2ms;(4)存储单元阵列为(256M+8192)×8bit,数据寄存器和缓冲存储器均为(2K+64)×8bit;(5)按页读2Kbyte/页,按页编程(2K+64)byte,按块擦除(128K+4K)byte;(6)具有指令/地址/数据复用的I/O口;(7)命令寄存器操作,写控制器能自动控制所有编程和擦除操作;(8)芯片可100K次编程/擦除,数据可保存10年不丢失。2fpga与fpss的融合数据存储系统接口电路如图1所示。随钻声波测井仪采用DSP芯片TMS320LF2407,用于测量控制和数据处理。NANDFLASH芯片以页为单位进行读写操作,擦除操作以块为单位,写数据时,位数据只能由1变为0,对NANDFLASH进行写操作前必须把写单元所在块擦除。而在写操作时,所要擦除块的数据必须事先保存,然后再对该块进行擦除,并把数据写到指定单元,最后把其余部分恢复过来,因此,需要开辟一定的缓冲区对要擦除的块进行保存。由于K9F2G08U0M每页有2048字节,考虑到随钻声波实时计算对存储空间的需要,因此扩展一片32K×16位SRAMCY7C1020,数据采集器将采集到的原始波形数据和处理结果存入SRAM,达到一定的采集深度之后,从SRAM中将数据读出存入FLASH。虽然K9F2G08U0M的容量达到了256MB,其容量和寻址范围远远超过DSP的寻址范围,但由于芯片上的写控制器能自动控制所有编程和擦除功能,提供必要的重复脉冲、内部确认和数据空间,而且K9F2G08U0M的命令、地址和数据信息均通过I/O0～I/O7传输,在FLASH的256M物理存贮空间中,28位地址分成5个地址周期(2字节列地址和3字节行地址),通过8位I/O口写入地址寄存器,不需要通过地址线寻址,因此无需考虑采用页面技术解决逻辑存储空间与物理空间的映射问题,大大简化了DSP与FLASH的硬件接口,实际操作起来非常方便。由于DSP和FLASH的工作电压均是3.3V,因此两者的引脚可以直接连接,不需要进行电平转换。在图1中,FLASH的8位I/O口直接与DSP的通用I/O口IOPB0～IOPB7相连,FLASH的CE、CLE、ALE分别由DSP的IOPF1～IOPF3控制。DSP的WE、RD分别接FLASH的WE、RE,控制读、写操作。DSP的通用I/O口IOPF0接FLASH的R/B,监测存储器的工作状态,当R/B处于低电平时,表示有编程、擦除或随机读操作正在进行,操作完成后,R/B自动返回高电平。3存储sdrap由于随钻声波测井中一个波列的数据量较大,有可能超过FALSH的页长度,而K9F2G08U0M容量为256M,不可能将测井过程中的全部波列数据均保存下来,因此,FALSH主要保存处理结果,另外根据测井需要,每隔若干页保存一次原始波形数据,两种数据均按顺序结构保存。由于写操作时,必须先擦除当前数据块,因此如果每次测量完成后存储一次,就需要将FLASH当前块中的数据保存到SRAM中,然后擦除该块,再读出存入SRAM中的历史数据,连同当前数据一起重新写入FLASH当前块。这种存储方式需要DSP频繁访问FLASH存储器,影响DSP处理声波测量数据的实时性,因此采用整页存储方式。在整页存储方式中,每次测量完成后将数据存入SRAM,并根据测量结果占用的字节数,设置一个低于FALSH页长度(2048字节)的SRAM数据存储长度,当SRAM中数据达到该长度时,将数据从RAM中读出,转换成规定格式,再加上诊断状态和数据区标志等信息,一次性写入FLASH。存储流程如图2所示。对NANDFLASH的操作主要包括按页读操作、页编程、块擦除等,读、写操作以页为基础,擦除按块进行,编程和擦除操作采用两级命令确认方式,以防止误操作。以下介绍NANDFLASH的主要操作方法。3.1数据表达文件的总体功能读操作流程如图3所示,写入30H后,5个字节的行地址所指定的页中的数据将在25μs内传输到数据寄存器中,在RE脉冲的作用下,不但可以从指定的列地址开始连续读到该页末尾,也可以按照流程图中的虚线部分输入随机读指令码,任意读取该页中的内容,并且不受次数限制。3.2待录入数据的数据页编程流程如图4所示。首先写入页编程命令80H,然后顺序输入行列地址以及待写入的数据。页编程确认命令10H用于实现数据从缓冲区到FLASH的编程操作。写入完成后,读状态寄存器(通过写入70H实现)判断操作是否成功,若未成功,将当前块声明为坏块,并进行块数据替换操作,以保证可靠性。3.3地址码的输入块擦除流程如图5所示。擦除操作以块为单位进行,由于器件分为2048块,因此输入的地址码中只有A18～A28的11位有效,其余位将被忽略。装入擦除确认指令D0H和块地址即开始擦除,与页编程操作类似,擦除完毕后应检查写状态位I/O0并处理返回结果。3.4块置换业务在闪存的使用中,可能会产生坏块。在擦除和编程操作后,如果出现读失败,应当进行块置换。块置换由容量为一页的缓冲器来执行,可以通过发现一个可擦的空块和重新对当前数据对象进行编程来复制块中的剩余部分。为了提高存储空间的使用效率,当由单个字节错误而引起的读或确认错误时,应由ECC收回而