測井電纜通信系統(tǒng)簡述及對比

1、國內(nèi)外測井電纜通信系統(tǒng)簡述及對比一、國際三大測井公司電纜通信系統(tǒng)本節(jié)對國際三大測井公司BAKER AT LAS(貝克.阿特拉斯)、 Haliburton（哈里伯頓） 和Schlumberger（斯倫貝謝） 的電纜傳輸通信系統(tǒng)特點進行了較詳細介紹。1BAKER ATLAS 電纜通信系統(tǒng)AT LAS公司的電纜通信系統(tǒng)發(fā)展可分三個階段:AMI PCM ( 3502/ 03 , 3506 ) , Manchester PCM ( 3504/3508 ,2222) ,WTS(AMI Manchester 3510 ,3514) 。第一 代 的 PCM 代 表 為 3502 , 它 使 用 AMI(Alt

2、ernate Mask Inversion)方式編碼 ,它只能用來與雙側(cè)向儀器組合測井 ,傳輸速率為 4 kb/ s ,包含 10 個數(shù)據(jù)道(4 個脈沖道 ,6 個模擬道) 。3503 為其升級后的代表 ,它包含 15 個數(shù)據(jù)道 ,傳輸速率提升到 8 kb/ s 。下一代就是 3504 ,3508 ,2222 ,使用Manchester 編碼方式進行通訊 ,傳輸速率有了進一步的提高 ,達到 20 kb/ s。20 世紀在 80 年代末、 90 年代初開發(fā)了新一代通訊系統(tǒng) WTS (WirelineTelemetry System) 。WTS 使用的編碼方式為 AMI Manchester ,數(shù)

3、據(jù)傳輸總和達到了 230 kb/ s。1. 1 AMI 通訊系統(tǒng)( PCM 3506)PCM 3506 是 CLS3700 系統(tǒng)主要運用的電纜通信短節(jié)。它采用的是AMI脈沖編碼調(diào)制技術(shù) ,PCM數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收是由地面計算機來控制的 ,更確切地說是由地面計算機利用聲波測井的的邏輯信號啟動的。計算機按一定的深度間隔 ,控制 3700 系統(tǒng)內(nèi) 3752 面板的聲波邏輯電路 ,產(chǎn)生聲波邏輯脈沖。該邏輯脈沖沿電纜纜芯 2 # 、 5 # 送至井下儀器 PCM3506 內(nèi)的邏輯解碼電路。邏輯解碼電路一方面把聲波邏輯脈沖送至井下聲波測井儀器;另一方面產(chǎn)生啟動脈沖 ,令PCM短節(jié)向地面發(fā)送數(shù)據(jù)。聲波信號經(jīng)纜

4、芯 7 # 傳送 ,編碼數(shù)據(jù)由纜芯 2 # ,5 # 傳送。3506數(shù)據(jù)通訊格式:使用低電平代表 “0” 數(shù)據(jù)位 ,高電平代表 “1” 數(shù)據(jù)位 ,脈沖的極性交替改變 ,使得電纜上傳輸?shù)臉O性為零。一幀 PCM 數(shù)據(jù)有 16 個數(shù)據(jù)道 ,1 個模擬地道。第一道是同步道 ,它由 16 位 1 組成 ,使同步道與數(shù)據(jù)道區(qū)別 ,便于地面系統(tǒng)檢測出來。緊接著是 6 個脈沖數(shù)據(jù)道和 10 個模擬數(shù)據(jù)道。每一道占寬 2 ms ,含 16 個數(shù)據(jù)位?；緯r鐘頻率為 8kHz ,數(shù)據(jù)位寬 125s。每道實際攜帶的測井信息為12 位 ,其余 4 位為特征碼。1. 2 Manchester 通訊系統(tǒng)( PCM3508

5、)Manchester 通訊系統(tǒng)工作在命令響應(yīng)模式。當它接收到地面采集系統(tǒng)命令后開始采集傳輸數(shù)據(jù) ,與AMI 3506 不同的是其數(shù)據(jù)編碼方式。在 Manchester數(shù)據(jù)編碼中 ,將每個周期中心上升沿表示為 “1”,每個周期中心下降沿表示為 “0”,這樣 ,它便具有消除長串“1” 或 “0” 時直流成分的優(yōu)點。在遠距離的接收器內(nèi) ,可利用再生發(fā)生器時鐘的變化 ,使發(fā)射數(shù)據(jù)同步成為可能。 一幀Manchester 碼包含 20 位 ,前 3 位是同步碼 ,有數(shù)據(jù)同步和命令同步。定義:周期中心上升沿表示數(shù)據(jù) ,周期中心下降沿表示命令;中間 16 位是數(shù)據(jù);最后一位奇偶校驗位。若數(shù)據(jù)中 “1” 的

6、個數(shù)是偶數(shù) ,則用周期中心下降沿表示 ,若數(shù)據(jù)中 “1” 的個數(shù)是奇數(shù) ,則用周期中心上升沿表示。地面系統(tǒng)接收解碼數(shù)據(jù)后 ,它會給出兩個檢查結(jié)果來確保所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)已被正確解碼。第一是要檢查確保傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位總和是奇數(shù) ,若不是 ,就給出一個標志 NVM;第二是檢查每個數(shù)據(jù)位 ,確保電平變化發(fā)生在位的中間 ,若有兩個或更多的躍遷錯誤 ,則也會給出一個NVM標志。1. 3 WTS ( AMI Manchester)WTS電纜遙傳系統(tǒng)結(jié)合了 AMI 和 Manchester兩種方式 ,被稱作 AMI Manchester 或 Manchester II。它仍然用電平的由高到低的變化代表 “1”,用電平

7、由低到高的變化代表 “0”,但它由正負交替的脈沖組成數(shù)據(jù) ,使用了 3 種傳輸模式M2、 M5、 M7 (TM7) 。M2 為雙向傳輸模式 ,既可向井下傳輸命令 ,又可向地面?zhèn)鬏敂?shù)據(jù);M5、 M7 則只用來向地面?zhèn)鬏敂?shù)據(jù)。傳輸模式M2、M5、 M7 的接法示意圖如圖 1 所示。1. 3. 1 WTS M2模式M2 使用纜芯 2 ,3 相對于纜芯 5 ,6 來傳輸命令和數(shù)據(jù)。傳輸命令時速率為 20 kb/ s ,傳輸數(shù)據(jù)時為41 kb/ s。典型的數(shù)據(jù)字同 Manchester 數(shù)據(jù)字具有一樣的格式:占寬 20 位 ,包括 3 位同步 ,16 位數(shù)據(jù)和 1位校驗位。1. 3. 2 WTS M5模

8、式M5 使用纜芯 2 ,5 相對于纜芯 3 ,6 傳輸數(shù)據(jù)。這種接法使得傳輸數(shù)據(jù)的速率達到 93. 75 kb/ s。M5可與M2 同時傳送數(shù)據(jù) ,它們之間的交叉干擾非常小。M5 只用來向地面?zhèn)鬏敂?shù)據(jù) ,用于采集數(shù)據(jù)量大的儀器 ,如陣列聲波等儀器。M5的數(shù)據(jù)格式與 M2 略有不同 ,先是 3 位同步 ,然后是 16 位數(shù)據(jù) ,一個字一個字地連續(xù)傳送 ,中間沒有間斷 ,也沒有奇偶校驗位 ,只作數(shù)據(jù)傳輸錯誤檢測 ,若有錯誤 ,則給出一個NVM字。1. 3. 3 WTS M7M7 是利用纜芯 7 相對于電纜外皮來傳輸數(shù)據(jù)的。數(shù)據(jù)格式同M5 一樣 ,傳輸數(shù)據(jù)的速率也可達到 93. 75kb/ s ,可

9、與M2、 M5 同時工作 ,交叉干擾非常小。通常用于采集數(shù)據(jù)量大的儀器 ,如陣列感應(yīng)等儀器。TRUE M7 (TM7)是在M7 模式的基礎(chǔ)上改進而來的一種傳輸模式。它較M7 模式有如下改進: (1)使得運用M2、 M5、 TM7 與直流供電和直流馬達的儀器同時測井成為可能; (2) RCI 儀器與 WTS、 RCI 與MRI L 組合測井; (3) M7 與雙側(cè)向組合測井; (4) 3514XA 中Channel 8 提供了數(shù)字井徑信號; (5) 解決了 ECLIPS -S系統(tǒng)使用 3506 測井時 “SP” 信號的衰減問題; (6) 提供了 PCL 測井時的電壓保護;WTS通訊模式在數(shù)據(jù)傳輸

10、上效率很高 ,總的向上傳輸速率達到 228 kb/ s ,完全滿足了成像測井系統(tǒng)數(shù)據(jù)量大的要求。2 Schlumberger 電纜通信系統(tǒng)2. 1 CTS 遙測系統(tǒng)原理CTS是一種高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng) ,數(shù)據(jù)傳輸速率達到100 kb/ s ,CTS是所有井下儀器與地面計算機測井系統(tǒng)之間的統(tǒng)一的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。在井下采用了類似計算機系統(tǒng)的設(shè)計思想 ,即在 CTS 與各井下儀器之間安排了 3 條串行總線(DTB) ,由 3 根 56的同軸電纜組成 ,進行信息交換。這 3 條總線是:下行信號線DSIG,上行時鐘線 UCLK和上行數(shù)據(jù)線 UDATA/ G O。這樣地面的中央處理機把每個井下儀器(包括 CTS

11、)看成是它的外部設(shè)備 ,在電纜上傳送的信息有中央處理機給井下發(fā)送的指令和井下儀器向上傳送的數(shù)據(jù) ,但二者在時間上是隔開的 ,即地面與井下之間的信息傳遞是采用半雙工方式進行的。CTS是在計算機指令的控制下進行數(shù)據(jù)的采集、 格式編排和傳輸?shù)?,每一幀的上行數(shù)據(jù)和下行指令中均含有幀同步字 FSP (在一幀之首)和循環(huán)冗余校驗碼 CRC (在一幀之尾) 。CTS 由井下遙測單元 TCC - A 和地面遙測模塊 TCM - A 兩部分組成。各井下儀器均與井下總線相連 ,分別有規(guī)定的地址碼。計算機首先向井下發(fā)送指令 ,指令中含有井下儀器的地址碼 ,當井下儀器從指令中識別出自己的地址碼后 ,即執(zhí)行該指令 ,

12、并把數(shù)據(jù)送至井下總線上 ,編成一定格式后 ,經(jīng)測井電纜傳輸至地面。在地面遙測模塊中 ,上行數(shù)據(jù)經(jīng)解調(diào)后 ,由總線送至中央處理機處理。CTS遙測系統(tǒng)原理框圖如圖 2 所示。2. 2 CTS 遙測系統(tǒng)數(shù)據(jù)格式CTS 采用雙相位碼制。雙相位碼的電平變化發(fā)生在位的邊界處 ,如果在位的中間有電平變化則代表數(shù)據(jù)1 ,無變化則代表數(shù)據(jù) 0 ,每位邊界之間的時間間隔為10s ,所以全 “0” 數(shù)據(jù)的視頻率為 50 kHz 方波 ,全“1” 數(shù)據(jù)視頻率為 100 kHz 方波。CTS 采用雙相位碼制的優(yōu)點: (1)數(shù)據(jù)信息可以與時鐘的時間信息合在一起傳輸; (2)能有效地利用電纜的頻帶寬度; (3)雙相位碼中無

13、直流成分 ,便于電纜傳輸和變壓器耦合。CTS遙測系統(tǒng)數(shù)據(jù)格式如圖所示。2. 2. 1 幀格式(上行線)上行數(shù)據(jù)由幀同步字 FSP、 2 個狀態(tài)字、 2N 個井下數(shù)據(jù)字和循環(huán)6 校驗碼組成 ,字長16 位。在 FSP 前有8個 0 是為了便于接收設(shè)備確定位的邊界。FSP 為固定字 ,值為 003152 (8) 。狀態(tài)字 1 的含義是:低 8 位代表幀長的N 值 ,B8 位為指令接收位 CMD REC ,B9 為指令錯誤位CMDERROR ,B10為超時位 ,B11、 B12未用 ,B13 為波形允許位 WFMEN ,B14 為現(xiàn)在位 NOW ,B15 為指令等待位 WAIT。狀態(tài)字 2 的唯一信

14、息是電纜頭電壓 ,它由高字節(jié)的 B15 - B11 給出。井下數(shù)據(jù)字是井下遙測單元 TCC - A 從上至下對各井下儀器依次采集的。上行幀的最后 16 位是 CRC 字。在上行幀中 ,高位數(shù)據(jù)先傳送。2. 2. 2 指令格式(下行線)同幀格式一樣 ,它也由 8 位 0 開頭 ,然后是 8 位FSP ,16 位用戶字 UW , 16 位基本指令字 BIW , 8 位CRC字 ,最后是尾隨的 8 位 0。與上行幀格式相反 ,它由低位線傳送。指令中的 FSP 和 CRC 不送至井下儀器。Schlumberger 公司目前所有測井設(shè)備都配備了多任務(wù)采集和成像系統(tǒng) ,MAXIS500 是其最新一代產(chǎn)品。

15、這種基于 PC的模塊式平臺大量采用了可從市場上購買的硬件和操作系統(tǒng) ,所以適用性更廣泛。其數(shù)據(jù)傳輸速率達到 500 kb/ s ,成像測井儀采集數(shù)據(jù)的能力有了突飛猛進的進步。3 Hall iburton 測井通信系統(tǒng)EXCELL - 2000 成像測井系統(tǒng)使用的數(shù)字通信系統(tǒng)為DITS ,它包括遠程通信設(shè)備(RTU) 、 1553 儀器總線、 數(shù)字井下通信模塊 (D4TG) 和地面通信接口(D2MP) 。RTU 是儀器電子測量部分和井下通信系統(tǒng)之間的接口。每一種儀器都有自己的RTU 地址 ,通過1553總線與D4TG連接 ,進行雙向通訊。D4TG作為儀器總線控制器可在地面和 RTU 之間進行雙向

16、通信連接 ,它由井下調(diào)制解調(diào)器(SSM) 和總線控制單元(BCU) 組成。BCU 根據(jù)總線命令表從儀器串中采集數(shù)據(jù) ,編譯成上傳數(shù)據(jù)格式 ,然后以 50ms 一幀上傳到地面系統(tǒng)。D2MP 將上傳的信號譯碼成串行數(shù)據(jù) ,以便進一步處理 ,而且放大從D2MP 到D4TG的信號 ,使信號能與測井電纜相匹配。EXCELL - 2000 成像測井系統(tǒng)使用模式傳輸方式 ,此模式通過 7 芯電纜實現(xiàn)最小的交叉干擾 ,來傳輸信號和電源。共有 4 種模式。模式 W2 利用電纜 1、 2和4、 5 為高壓儀器或井徑馬達提供輔助電源;模式W5利用 1、 2 和 4、 5 為井下儀供電;模式 W6 利用 2 組 3芯

17、電纜 1、 3、 5 和 2、 4、 6 傳輸數(shù)據(jù) ,其纜芯電阻低 ,傳輸速度高 ,波段寬;模式 W7 利用纜芯 7 和電纜外皮上傳通信信號 ,如自然電位 SP 信號。目前 Halliburton 公司推出的新型測井系統(tǒng) IQ 快速測井平臺 ,使用了ADS L 通訊方式 ,該通訊方式對所有外設(shè)均分配 IP 地址 ,通過網(wǎng)絡(luò)進行傳輸 ,大大提高了性能。4 以上通信方式的比較無論那種通信方式 ,面臨的問題都是傳輸速度、 傳輸效率以及傳輸數(shù)據(jù)的準確性。幾種通信方式對比見表 1。二、國內(nèi)常用到的測井電纜通信系統(tǒng)1. 基于Manchester碼的通訊系統(tǒng)1.1 Manchester碼簡述曼徹斯特碼，也叫

18、數(shù)字雙相碼或分相碼，是一個同步時鐘技術(shù)，被物理層用來編碼一個同步位流的時鐘和數(shù)據(jù)。它是一種超越傳統(tǒng)數(shù)字傳輸?shù)男诺谰幋a技術(shù)，由于其具有隱含時鐘、去除了零頻率信號的特性使得它在石油勘探測井中得到廣泛的應(yīng)用。在曼徹斯特編碼中，每一位的中間有一跳變，位中間的跳變既作時鐘信號，又作數(shù)據(jù)信號；從高到低跳變表示"1"，從低到高跳變表示"0"。曼徹斯特編碼是將時鐘和數(shù)據(jù)包含在數(shù)據(jù)流中，在傳輸代碼信息的同時，也將時鐘同步信號一起傳輸?shù)綄Ψ?，每位編碼中有一跳變，不存在直流分量，因此具有自同步能力和良好的抗干擾性能。但每一個碼元都被調(diào)成兩個電平，所以數(shù)據(jù)傳輸速率只有調(diào)制速率的

19、1/2。相比于二進制碼的優(yōu)點：由于曼碼采用跳變沿表示0和1，波形在每一位元中間都 有跳變，因此具有豐富的定時信息，便于接收端提取定時信號。而二進制傳輸，當出現(xiàn)連續(xù)的0或1時，無法區(qū)分丙位元之邊界。由于曼碼在每一位元都有電平的轉(zhuǎn)變，因此傳輸時無直流分量，可降低系統(tǒng)功耗。而二進制波形，當出現(xiàn)連續(xù)的1時，將有直流分量產(chǎn)生。曼碼的傳輸非常適合多路數(shù)據(jù)的快速切換。1.2 Manchester碼數(shù)據(jù)傳輸格式Manchester碼傳輸廣泛采用的數(shù)據(jù)幀格式，一幀共20位，其中3位同步頭，16位數(shù)據(jù)位，1位校驗位。數(shù)據(jù)字字中，同步頭1.5位元處有一個上跳變；命令字中，同步頭1.5位元有一個下跳變。每幀最后一位為

20、校驗位。曼碼采用奇校驗。下圖為：系統(tǒng)硬件框圖。為減小編碼發(fā)送端的驅(qū)動功率及為了更加適合信號第距離傳輸，Manchester碼經(jīng)RB調(diào)制成雙極性曼碼。下圖為：曼碼的RB調(diào)制。該系統(tǒng)在實際測井中傳輸速率為20kbit/s時，誤碼率為10負4次，在系統(tǒng)時鐘偏差達30%時仍能可靠地傳輸數(shù)據(jù)，抗干擾能力強，性能可靠。1.3 Manchester碼在石油測井中有兩種典型實現(xiàn)方式1）使用曼碼作為儀器串接的內(nèi)部總線，通過特殊的信號變壓器允許多只儀器信號并接在一條總線上；2）用于點對點的井下通信短節(jié)和地面系統(tǒng)之間的通信。曼徹斯特編譯碼芯片實現(xiàn)方式HD6408，HD6409是Intersil公司生產(chǎn)的Manche

21、ster編譯碼芯片其主要是針對高速異串行總線通信而設(shè)計的。在把NRZ二進制碼轉(zhuǎn)換為曼徹斯特碼時，要附加一個同步脈沖和校驗位，解碼時，芯片可以識別這個同步脈沖并確定是命令同步還是數(shù)據(jù)同步最后數(shù)據(jù)被解碼為NRZ二進制碼并輸出。最后進行奇偶校驗，正確則將有效標志信號置位。HD6408和HD6409.前者主要用于M2和指令通道，后者主要用于M5和M7通信方式。使用單片機GPIO用軟件完成編譯碼，適合M2數(shù)據(jù)方式，但其缺點明顯：不允許收發(fā)中途有中斷信號，另由于時鐘精度低于硬件定時，接收采樣的時序調(diào)整比較費力。曼徹斯特碼的時序比較復(fù)雜，實現(xiàn)編解碼器和單片機的接口需要添加大量的邏輯電路，給電路設(shè)計和調(diào)試帶來

22、很多困難。采用可編程的CPLD或FPGA，可大大簡化這一過程。主控CPU可以主用少量資源即可完成收發(fā)數(shù)據(jù)。關(guān)于M2，M5的語言實現(xiàn)，Xilinx公司和Altera公司都提供了相應(yīng)模塊，可以直接使用。RS232串口實現(xiàn)方式采用數(shù)據(jù)通過RS232串口進行發(fā)送和接收，發(fā)送前采用實現(xiàn)方式1中的編碼方式將每半字節(jié)數(shù)據(jù)擴展到1字節(jié)后發(fā)送：接收的數(shù)據(jù)每1字節(jié)進行每兩位的異或操作得到半字節(jié)的解碼數(shù)據(jù)。該方式一是借鑒了串口通信的便捷性，二是井下儀器經(jīng)傳輸器后可以通過簡單的硬件接口與計算機直接通信，省掉了系統(tǒng)中地面處理器，節(jié)省了系統(tǒng)的成本，三是通過雙相編碼方式，兼容了傳輸線及傳輸器對信號頻率范圍的要求，三是提高了

23、系統(tǒng)的可操作性，用戶可以在計算機上完成地面處理器的所有功能。該方式的缺點是實際傳輸速率是RS232串口傳輸速率的一半左右。2. 基于CAN總線的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)2.1 CAN總線電氣特性與通訊距離CAN總線信號采用差分傳輸方式，所有節(jié)點CAN H連接在一起，CAN L連接在一起，當CANH、CANL之間電壓差O9V，稱“顯性(Dominant)，表示邏輯“0"，CANH、CAN-L之間電壓差O4V，稱“隱形(Recessive)"，表示邏輯“l(fā)”?？臻e或隱性位期間，發(fā)送隱性位，顯性位以大于最小閥值的差分電壓表示。但在實際電路中，總線上傳輸?shù)碾妷褐蹬c理論值是略有差異的。CAN總線

24、上任意兩個節(jié)點之間的最大傳輸距離與其位速率有關(guān)，CAN總線通訊距離與通訊速率關(guān)系如下比特率 總線長度 1 Mbit/s 25 m 800 kbit/s 50 m 500 kbit/s 100 m 250 kbit/s 250 m 125 kbit/s 500 m 50 kbit/s 1000 m 20 kbit/s 2500 m 10 kbit/s 5000 m 5 kbit/s 10000 m 在低速、短距離、無干擾的場合可以采用普通的雙絞線。在高速、長線傳輸時，則必須采用阻抗匹配（一般為120）的專用電纜（STP-120（for RS485 & CAN） one pair 18 A

25、WG）。在干擾惡劣的環(huán)境下還應(yīng)采用鎧裝型雙絞屏蔽電纜（ASTP-120（for RS485 & CAN） one pair 18 AWG）。2.2 基于單片機的CAN實現(xiàn)CAN通訊網(wǎng)絡(luò)主要由兩部分組成：(1)各種數(shù)據(jù)采集傳輸節(jié)點：單片機、CAN控制器、CAN驅(qū)動器構(gòu)成CAN通訊硬件：CAN通訊程序完成CAN通訊軟件控制。(2)監(jiān)控機主節(jié)點：PCICAN通訊卡PCIl680U實現(xiàn)主節(jié)點監(jiān)控機與CAN通訊網(wǎng)絡(luò)硬件接口；基于VC+的CAN通訊控制程序完成通訊軟件接口。CAN總線型通訊結(jié)構(gòu)圖如下圖所示。整個網(wǎng)絡(luò)工作在主從方式下，各個數(shù)據(jù)采集節(jié)點自主的不斷進行數(shù)據(jù)采集，將采集到的數(shù)據(jù)存放于數(shù)據(jù)緩

26、沖區(qū)中。主節(jié)點根據(jù)需要，針對不同實時性要求，分別對數(shù)據(jù)采集節(jié)點發(fā)送詢問命令，數(shù)據(jù)采集節(jié)點在接收到詢問命令后，將采集到的最新的數(shù)據(jù)通過CAN總線發(fā)送到主節(jié)點。主節(jié)點對采集到的數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的處理，完成鉆井過程監(jiān)控的功能。2.3基于 DS P和 F P GA的1553B總線與CAN總線實現(xiàn)（實例借鑒）井下儀器與地面系統(tǒng)之間的通訊需要設(shè)計一個完整的信號實時雙向通訊系統(tǒng)，把井下儀器采集的全部地層信息傳輸?shù)降孛妫?地面系統(tǒng)給井下儀器供電， 記錄、 解碼并處理井下儀器傳輸?shù)降孛娴男盘栆约翱刂凭聝x器的各種狀態(tài)。通訊接口通過 1 5 5 3 B總線和地面系統(tǒng)通信， 通過 C A N總線和井下工控機通信。所以，

27、通訊接口是整個測井系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，主要完成總線的信息綜合、資源共享任務(wù)協(xié)調(diào)和容錯重構(gòu)。 通訊接口框圖如圖 1 所示，由 1 5 5 3 B調(diào)制解調(diào)電路、F P G模塊電路、 D S P模塊電路和 C A N總線控制模塊組成， 執(zhí)行總線通訊協(xié)議，正確接收總線上的曼徹斯特碼數(shù)據(jù) ，按照規(guī)定 的格式發(fā)送曼徹斯特 I I 型碼，實現(xiàn) 1 5 5 3 B總線和終端的連接通道的通訊接口功能。 2.3.1調(diào)制解調(diào)模塊 1 5 5 3 B總線信號進入接口板后，通過耦合變壓器實現(xiàn)電氣隔離，防止故障的傳播；通過隔離電阻，主電纜可以短路，從而實現(xiàn)了失效隔離；與直接耦合相比， 增加了總線抽頭的阻抗， 防止了由于反射

28、而引起雙絞線上信號畸變。然后經(jīng)過收發(fā)器將雙電平曼徹斯特碼轉(zhuǎn)化為單電平曼徹斯特碼進入FPGA發(fā)送 過程與之相反。該設(shè)計采用的總線收發(fā)器，內(nèi)部具有兩路收發(fā) 電路分別和耦合變壓器相連，實現(xiàn)雙冗余結(jié)構(gòu)。H I 一1 5 7 0 P S I 收發(fā)器和 P MD B 2 7 2 5 E X耦合變壓器共同組成總線通訊接口的調(diào)制解調(diào)部分。 2.3.2 F P GA模塊 F P G A模塊完成 1 5 5 3 B總線上數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收、曼徹斯特碼的調(diào)制與解調(diào)、 串并和并串轉(zhuǎn)換 、同步頭的產(chǎn)生與檢測、狀態(tài)字的自動響應(yīng)以及錯誤檢測等功能。 時鐘模塊： 將輸入的時鐘分頻為編碼時鐘 、解碼時鐘、寫 F I F O的讀時

29、鐘和讀 F I F O的寫時鐘。接收數(shù)據(jù)流程： 曼徹斯特 I I 型碼經(jīng)過調(diào)制解調(diào)電路， 變?yōu)?r I T I 1 L電平數(shù)字信號進入 F P G A， 在 F P G A中經(jīng)解碼模塊解碼成包含 1 6位數(shù)據(jù)、 一位區(qū)分狀態(tài)字 命令字的數(shù)據(jù)位和一位奇偶校驗位的 1 8位數(shù)據(jù) ， 存人1 8 位的讀 F I F O中，經(jīng)1 8變1 6位轉(zhuǎn)換模塊變成 1 8位數(shù)據(jù)分2次送給D S P 設(shè)置三位寄存器X A， 當X A為0 0 0時把 1 6 位數(shù)據(jù)送 給輸出 Q；當X A為0 0 1時把 1 8 位數(shù)據(jù)中的后兩位送給輸出Q 發(fā)送數(shù)據(jù)流程根據(jù)X A _ 0的狀態(tài)將 2次接收到的 D S P分別發(fā)送來

30、的 1 6位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成包含命令類型、 奇偶位和 1 6位數(shù)據(jù)的l 8 位數(shù)據(jù)存入 1 8位的寫 F I F O模塊，并設(shè)置空、滿標志位，供編碼控制模塊調(diào)用。編碼控制模塊根據(jù)編碼模塊的狀態(tài)和寫 F I F O中有無待編數(shù)據(jù)， 即t x b u s y非忙， e m p t y非空時，從 WF I F O中讀取待編數(shù)據(jù)送給編碼器，并設(shè)置命令狀態(tài)字和數(shù)據(jù) 字端口。編碼模塊根據(jù)命令狀態(tài)字和數(shù)據(jù)字端 口狀態(tài)，編寫命令字、狀態(tài)字和數(shù)據(jù)字，在編碼控制模塊控制下由編碼控制器生成單電平曼徹斯特碼 ，經(jīng)調(diào)制解調(diào)電路送至 1 5 5 3 B總線。編碼過程中置位 t x _ b u s y ， 編碼完成后復(fù)位。 2.

31、3.3 D S P接口模塊 該部分是通訊接口系統(tǒng)的核心部分， D S P模塊通過多通道 高速緩沖串口M c b s p 與 F P G A相連，在一個既定的協(xié)議下能夠?qū)崿F(xiàn) C A N總線系統(tǒng)與 1 5 5 3 B總線系統(tǒng)的信息交互，同時滿足兩總線系統(tǒng)對實時性的要求。D S P和 F P G A的連接如圖2所示。 D S P提供讀使能信號 R E、 寫使能信號 WR、 地址信號 A O A 3 D S P和 F P G A之間的輔助控制信號還有： 讀、 寫 F I F O空滿標志信號 R F U L L 0 1 和WF U L L 0 1 ， 高電平有效； 接收曼碼合理信號 D V A L ，

32、低電平有效； 讀數(shù)據(jù)順序信號 X A 0 2 ，根據(jù)其狀態(tài)分 2次把 F P G A解碼的 l 8位數(shù)據(jù)讀入 ； 寫數(shù)據(jù)順序信號 X A O 0 - 2 ， D S P寫數(shù)據(jù)時根據(jù)發(fā)送的不同數(shù)據(jù)設(shè)置不同的狀態(tài)供 F P G A接收。 D S P模塊主要完成 2個功能 ： 把 1 5 5 3 B總線來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成 C A N總線的幀結(jié)構(gòu)， 或者相反； 把 1 5 5 3 B總線來的命令解析 ， 轉(zhuǎn)換成 C A N總線系統(tǒng)的命令并組成 C A N 的幀結(jié)構(gòu)發(fā)送。 具體過程： D S P根據(jù) X A的狀態(tài)分 2次將經(jīng)過 l 8變 1 6位轉(zhuǎn)換模塊變成的 1 8位數(shù)據(jù)讀入， 經(jīng) D S P總線協(xié)議轉(zhuǎn)換

33、模塊按照井下儀器通訊協(xié)議處理后的數(shù)據(jù)， 通過 D S P內(nèi)嵌的 C A N總線控制模塊中的 C A N T X C A N R X接 口送給工控機對井下儀器進行控制。同時 D S P根據(jù)接收到的命令， 讀取井下儀器通過 C A N 總線模塊傳輸來的采集信息并按照總線通訊協(xié)議處理為 l 6位數(shù)據(jù)送給 F P G A 這種通過 D S P與 F P G A共同實現(xiàn)總線協(xié)議的方法 ， 可以在接收完 1 5 5 3 B總線數(shù)據(jù)后直接觸發(fā)總線轉(zhuǎn)換程序， 從而減少單獨采用 1 5 5 3 B協(xié)議芯片時對 D S P的數(shù)據(jù)中斷請求時間， 更好地滿足了控制系統(tǒng)的實時性要求。 2.3.4 C A N總線模塊 C

34、 A N總線模 塊 由 D S P內(nèi)嵌 的 總線控 制模塊、 收發(fā)器S N 6 5 H V D 2 3 1 Q和高速光耦 H C P I _ 5 6 0 1 組成。硬件電路如圖 。 T M S 3 2 0 F 2 8 1 2中內(nèi)嵌的 C A N總線控制模塊主要由 C A N協(xié) 議內(nèi)核和消息控制器構(gòu)成。C A N協(xié)議內(nèi)核主要完成把從 F P G A 讀人的總線消息解碼并向接收緩沖發(fā)送解碼后的消息， 同時根據(jù) C A N總線協(xié)議向 C A N總線上發(fā)送消息； 消息控制器決定接收到消息的取舍， 如果描述符通過驗收濾波器 ， C A N控制器將C A N總線上的描述場和數(shù)據(jù)場順序存入空的緩存器中， 并

35、向D S P發(fā)送中斷請求 ， D S P響應(yīng)中斷，把 C A N緩存器中的數(shù)據(jù)取出。 3. RS-485信號超長距離通訊解決方案3.1 RS-422與RS-485簡介RS-422、RS-485與RS-232不一樣，數(shù)據(jù)信號采用差分傳輸方式，也稱作平衡傳輸，它使用一對雙絞線，將其中一線定義為A，另一線定義為B。通常情況下，發(fā)送驅(qū)動器A、B之間的正電平在 2" 6V，是一個邏輯狀態(tài)，負電平在-2V"6V，是另一個邏輯狀態(tài)。另有一個信號地C，在RS-485中還有一“使能”端，而在RS-422中這是可用可不用的?！笆鼓堋倍耸怯糜诳刂瓢l(fā)送驅(qū)動器與傳輸線的切斷與連接。當“使能”端起作用

36、時，發(fā)送驅(qū)動器處于高阻狀態(tài)，稱作“第三態(tài)”，即它是有別于邏輯“1”與“0”的第三態(tài)。由于RS-485是從RS-422基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，所以RS-485許多電氣規(guī)定與RS-422相仿。如都采用平衡傳輸方式、都需要在傳輸線上接終接電阻等。RS-485可以采用二線與四線方式，二線制可實現(xiàn)真正的多點雙向通信。RS-485總線，在要求通信距離為幾十米到上千米時，廣泛采用RS-485 串行總線標準。RS-485采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力。加上總線收發(fā)器具有高靈敏度，能檢測低至200mV的電壓，故傳輸信號能在千米以外得到恢復(fù)。 RS-485采用半雙工工作方式，任何時候只能有一點處于發(fā)

37、送狀態(tài)，因此，發(fā)送電路須由使能信號加以控制。RS-485用于多點互連時非常方便，可以省掉許多信號線。應(yīng)用RS-485 可以聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成分布式系統(tǒng)，其允許最多并聯(lián)32臺驅(qū)動器和32臺接收器。 RS-485與RS-422的不同還在于其共模輸出電壓是不同的，RS-485是-7V至 12V之間，而RS-422在-7V至 7V之間;RS-485滿足所有RS-422的規(guī)范，所以RS-485的驅(qū)動器可以用在RS-422網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用。RS-485與RS-422一樣，其最大傳輸距離約為1219米，最大傳輸速率為10M 。平衡雙絞線的長度與傳輸速率成反比，在100K 速率以下，才可能使用規(guī)定最長的電纜長度。只有在很短的

38、距離下才能獲得最高速率傳輸。一般100米長雙絞線最大傳輸速率僅為1M 。3.2 RS-485規(guī)范的缺陷RS-485規(guī)范先天的缺陷，就是它的電氣標準的限制，導(dǎo)致RS-485信號只能進行主、從結(jié)構(gòu)的輪詢方式通訊，通訊的實時性和可靠性稍差。同時在RS-485網(wǎng)絡(luò)中，當系統(tǒng)有錯誤，出現(xiàn)多節(jié)點同時向總線發(fā)送數(shù)據(jù)時，導(dǎo)致總線呈現(xiàn)短路，從而損壞某些節(jié)點的現(xiàn)象。雖然RS-485也是總線制通訊方式，但它的通訊距離也只在1200米左右而形成信號的衰減，通常情況下，系統(tǒng)需要另外串接RS-485的光電隔離中繼器來做信號放大，如果距離更遠，那么RS-485中繼器就需要像“接力棒”一樣，在每個RS-485信號衰減處，安裝

39、RS-485光隔中繼器來解決信號傳輸問題。但這種解決方案有個重要的問題需要解決，因為每加一個RS-485的光電隔離中繼器，那么都需要在串接電給中繼器載入用以驅(qū)動的外接電源。但各種各樣的應(yīng)用中，并不是每個衰減點有可能方便的接入電源（比如在煤礦的井下系統(tǒng)）?；谶@個現(xiàn)狀，會有用戶采用光纖通訊的方式。但這個方案明顯存在著布線昂貴，接口設(shè)備通常價格也比較高的問題。3.3 RS-485信號超長距離通訊解決方案原理現(xiàn)提供一個RS-485在以雙絞線作為通訊介質(zhì)，半雙工通訊、低速率模式下，可以將RS-485信號傳送10公里以內(nèi)的解決方案。此方案不僅可以解決RS-485點對點通訊，而且還可以組成帶有節(jié)點的總線制

40、結(jié)構(gòu)，此種通訊方式和通常的RS-485總線類似，在網(wǎng)絡(luò)中每個掛有RS-485 hort Haul Modem的RS-485接口設(shè)備，與上位主控計算機以輪詢的方式通訊。其核心原理就是將RS-485或是RS-232電平轉(zhuǎn)換成為CAN（Controller Area etwork)總線電平，遠端的RS-485 hort Haul Modem 或RS-232 hort Haul Modem,再由CAN電平轉(zhuǎn)換成為RS-485電平或RS-232電平，從而完成了RS-485或是RS-232信號的超遠距離傳輸。因為眾所周知，CAN總線具有突出的可靠性、實時性和靈活性。CAN總線通過CAN控制器接口芯片82C250的兩個輸出端CANH和CANL與物理總線相連，而CANH端的狀態(tài)只能是高電平或懸浮狀態(tài)，CANL端只能是低電平或懸浮狀態(tài)。這就保證不會出現(xiàn)象在RS-485網(wǎng)絡(luò)中，當系統(tǒng)有錯誤，出現(xiàn)多節(jié)點同時向總線發(fā)送數(shù)據(jù)時，導(dǎo)致總線呈現(xiàn)短路，從而損壞某些節(jié)點的現(xiàn)象。而且CAN節(jié)點在錯誤嚴重的情況下具有自動關(guān)閉輸出功能，以使總線上其他節(jié)點的操作不受影響，從而保證不會出現(xiàn)