具有良好兼容性及可靠性的ISA總線地面接口系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

脈沖中子氧活化測井水流儀地面系統(tǒng)的主要功能：

接收井下儀器上傳的信號(hào)，解析數(shù)據(jù)并上傳至上位機(jī)；同時(shí)，接收上位機(jī)下發(fā)指令，并發(fā)送給井下儀器。本文是對傳統(tǒng)氧活化測井儀地面系統(tǒng)的改進(jìn)，該系統(tǒng)提供ISA 總線接口規(guī)范，可實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)的快速配接，若用戶需要完成不同系列儀器配接時(shí)，只需要在前面板盤模組處更換相應(yīng)的板卡和相應(yīng)的軟件界面。即可實(shí)現(xiàn)不同儀器的配接。

1 脈沖氧活化測井原理

脈沖氧活化測井是一種測量水流速度的方法。由雙脈沖熱中子衰減時(shí)間測井技術(shù)發(fā)展起來的動(dòng)態(tài)測量技術(shù)，其核心是用高能脈沖中子激活氧原子并引發(fā)多種核反應(yīng)，其一為氧活化反應(yīng)。激發(fā)態(tài)下的氧原子釋放出高能伽馬射線，通過探測伽馬射線時(shí)間譜，來反映油管內(nèi)、油管/套管環(huán)型空間、以及套管外含氧物質(zhì)特別是水的流動(dòng)狀況。根據(jù)儀器源距就可計(jì)算出水流速度，在管徑已知且不變的條件下，可以計(jì)算出水流流量?？捎糜跈z查射孔井段封堵、半段井下工具位置、檢查配注井漏點(diǎn)位置、檢查井下工具工作狀況和套管竄槽位置等。脈沖中子氧活化測井儀結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。

脈沖中子氧活化測井儀地面系統(tǒng)，主要是對井下中子管的工作狀態(tài)進(jìn)行控制，以得到合適的中子發(fā)射周期和中子產(chǎn)額。為此需要控制的參數(shù)有陽極脈沖的時(shí)序、燈絲電壓的幅度、靶壓的幅度等。需要監(jiān)測的信號(hào)有儀器纜頭電壓、燈絲電流、靶壓幅度、四個(gè)探測器的計(jì)數(shù)等。

2 系統(tǒng)硬件

氧活化測井地面系統(tǒng)主要由地面系統(tǒng)控制電路和ISA總線控制電路兩部分構(gòu)成。

2.1 地面系統(tǒng)控制電路

地面系統(tǒng)與井下儀器通過電纜實(shí)現(xiàn)雙向通信，地面系統(tǒng)由信號(hào)接收和下發(fā)命令兩個(gè)模塊構(gòu)成，通過主單片機(jī)和次單片機(jī)的基本系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、總線收發(fā)、上傳信號(hào)前端處理以及下發(fā)命令后端處理等電路實(shí)現(xiàn)。其中，主單片機(jī)主要用于數(shù)據(jù)處理、指令下發(fā)與上位機(jī)通信等控制操作，而次單片機(jī)用于幀同步校驗(yàn)及顯示。主單片機(jī)以50 ms的幀周期工作，通過片內(nèi)通信D0~D3，F(xiàn)R（幀同步），SYNC1（字節(jié)同步）與次單片機(jī)通信，得到溫度、壓力、節(jié)箍、自然伽馬、Iw等上傳的數(shù)據(jù)值，并通過電路調(diào)解出的PCM命令并對其命令解釋，將有效的數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)進(jìn)行下一步處理；同時(shí)，將上位機(jī)所下發(fā)的命令以PCM方式編碼并輸出A（正脈沖）、B（負(fù)脈沖）信號(hào)，將該信號(hào)通過驅(qū)動(dòng)電路送至電纜，并下發(fā)給井下儀器。

井下儀器上傳信號(hào)經(jīng)過變壓器T3-T4端口接收，為了消除電纜電荷的積累，所有的脈沖信號(hào)均隔一個(gè)正脈沖和一個(gè)負(fù)脈沖發(fā)出，因此，接收到的脈沖信號(hào)經(jīng)過濾波、整流電路后，得到正脈沖。前端處理電路如圖2所示，其工作原理如下：首先，對該正脈沖進(jìn)行信號(hào)放大處理。其次，由于傳輸過程中的干擾，使得上傳信號(hào)產(chǎn)生畸形，因此，需對其進(jìn)行脈沖信號(hào)整形。為了恢復(fù)信號(hào)的幅度，需要將放大的信號(hào)進(jìn)行電壓比較，通過調(diào)節(jié)電位器消除傳輸過程中帶來的畸形脈沖，從而得到與上傳信號(hào)一致的脈沖序列。再次，將該脈沖經(jīng)過74LS221脈沖整形電路，根據(jù)外圍器件RC參數(shù)從而恢復(fù)脈沖信號(hào)的脈寬。經(jīng)過前端處理電路處理過的信號(hào)SIGD，通過串口線發(fā)送給上位機(jī)進(jìn)行軟件校對、數(shù)據(jù)采集等工作。

同時(shí)，上傳信號(hào)SIGD 作為主單片機(jī)INT1 的觸發(fā)脈沖，配合T0調(diào)用中斷命令，并將上傳的數(shù)據(jù)通過鎖存器存入雙端口RAM中。

后端處理電路工作原理如下：上位機(jī)下發(fā)的執(zhí)行命令由ISA 總線傳輸給總線收發(fā)器，通過控制總線收發(fā)器，可將執(zhí)行命令存入雙端口RAM中，等待主單片機(jī)的R-D- 信號(hào)將執(zhí)行命令送至主單片機(jī)進(jìn)行操作。與此同時(shí)，下發(fā)命令通過從單片機(jī)進(jìn)行校驗(yàn)，信號(hào)從其P1端口發(fā)出，經(jīng)過DIP 開關(guān)整合得到復(fù)合命令（CM+CMT），將此復(fù)合命令送至主單片機(jī)的P2.6 和P2.7 口。其中，主單片機(jī)的P1.0和P1.1端口分別作為定時(shí)計(jì)數(shù)器T2的外部計(jì)數(shù)器和外部控制器，對外發(fā)送執(zhí)行命令。為了降低傳輸功耗，下發(fā)命令以正負(fù)脈沖A、B 的形式發(fā)出。該A、B 脈沖信號(hào)經(jīng)限幅、電平轉(zhuǎn)換電路得到TTL脈沖，并在驅(qū)動(dòng)電路的作用下，由變壓器的T5-T6-T8 端口發(fā)送給井下儀器執(zhí)行命令。下發(fā)命令后端處理電路原理圖，如圖3所示。

2.2 ISA總線控制電路

氧活化測井儀地面系統(tǒng)的系統(tǒng)總線采用ISA 總線實(shí)現(xiàn)，地面系統(tǒng)與上位機(jī)之間通過ISA總線交換數(shù)據(jù)的實(shí)現(xiàn)方法為共用單片機(jī)系統(tǒng)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器與靜態(tài)數(shù)據(jù)傳送相結(jié)合的方法。

ISA總線的總線周期分成兩大類：一類是CPU驅(qū)動(dòng)的總線周期；另一類是DMA 控制器驅(qū)動(dòng)的總線周期。

在設(shè)計(jì)擴(kuò)展卡時(shí)，可使用CPU總線周期中的I/O讀寫和DMA 驅(qū)動(dòng)的DMA 傳送方式。DMA 傳送方式多用于實(shí)時(shí)性要求高、數(shù)據(jù)量很大的場合，其接口電路設(shè)計(jì)比較復(fù)雜。通常，ISA總線采用I/O讀寫方式。在I/O讀寫周期中，地址碼在讀寫過程中一直保持有效，可直接作為接口芯片的地址信號(hào)，不需進(jìn)行鎖存。I/O 讀寫信號(hào)均為低電平有效。

由于通信信道為單芯電纜，因此單片機(jī)系統(tǒng)采用分時(shí)復(fù)用總線的工作方式，低八位地址碼與數(shù)據(jù)在一個(gè)讀寫周期中分時(shí)出現(xiàn)在單片機(jī)的P0口，需對低八位地址信號(hào)進(jìn)行鎖存。在設(shè)計(jì)接口卡時(shí)，要嚴(yán)格遵循雙總線的操作時(shí)序。需要注意，由于DMA 傳送過程中也需要使用I/O讀寫信號(hào)，因而設(shè)計(jì)電路時(shí)要在地址譯碼電路中使用DMA 傳送的地址允許信號(hào)進(jìn)行屏蔽，以防止接口誤操作。同時(shí)，為了防止時(shí)序混亂，采用總線控制模塊實(shí)現(xiàn)總線系統(tǒng)之間進(jìn)行隔離，同時(shí)還要設(shè)置兩個(gè)系統(tǒng)之間的公用數(shù)據(jù)交換區(qū)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。ISA總線接口電路原理圖，如圖4所示。

井下儀器內(nèi)部通信是由井下儀器各個(gè)單片機(jī)通過LIN 總線互相傳遞數(shù)據(jù)和命令的過程。其原理圖如圖5所示。串行通信采用9位多機(jī)通信方式，波特率為20 kHz.其中遙傳短節(jié)內(nèi)的TU1為主單片機(jī)，其他各短節(jié)內(nèi)的單片機(jī)為次。TU1 單片機(jī)既發(fā)命令也接收數(shù)據(jù)，其他單片機(jī)只接收命令和發(fā)送數(shù)據(jù)，不接收數(shù)據(jù)，以免受其他單片機(jī)影響。

3 系統(tǒng)軟件下的通信協(xié)議

3.1 通信協(xié)議解釋

地面系統(tǒng)發(fā)送的控制命令及數(shù)據(jù)信息均采用PCM編碼方式，屬半雙工通信。地面儀器工作時(shí)不斷檢測電纜上有無信號(hào)，當(dāng)檢測到電纜上有信號(hào)，則代表井下在上傳數(shù)據(jù)。如果出現(xiàn)一段時(shí)間間隔內(nèi)（1 ms）無信號(hào)，表示井下儀器一幀數(shù)據(jù)已結(jié)束，該地面系統(tǒng)開始下發(fā)命令。與此同時(shí)，井下儀器每隔50 ms主動(dòng)發(fā)送一組數(shù)據(jù)并接收一次命令（即一幀），每幀50 ms時(shí)間分為5個(gè)10 ms段，第一段10 ms為命令框，這時(shí)井下儀器不發(fā)數(shù)據(jù)，接收地面儀器發(fā)送的命令；第二段至第五段分別為井下儀器上傳的數(shù)據(jù)段，也叫數(shù)據(jù)框。每框含5個(gè)18位字，含1個(gè)狀態(tài)字，4個(gè)數(shù)據(jù)字，每字占空間1 900 μs，包括18位及一個(gè)100 μs 間隔。有效位16 位，第17 位是檢驗(yàn)位，第18 位總是“0”。地面系統(tǒng)與井下儀器通信協(xié)議幀格式，如圖6所示。

3.2 狀態(tài)字與數(shù)據(jù)位的識(shí)別

系統(tǒng)采用時(shí)分復(fù)用通信方式，即對信道中相位抖動(dòng)及接收端與發(fā)送端的時(shí)鐘同步問題提出了較高的要求。接收端根據(jù)對同步信號(hào)的識(shí)別，讀取數(shù)據(jù)和命令傳送等。

井下儀器向地面系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)需要先對其狀態(tài)字進(jìn)行同步校驗(yàn)。通過判斷狀態(tài)字，可得到上傳數(shù)據(jù)對應(yīng)的井下信息。上傳數(shù)據(jù)的每個(gè)狀態(tài)字占空間1 900 μs，包括18位及一個(gè)100 μs間隔。有效位16位，第17位是檢驗(yàn)位，第18 位總是“0”。每位占100 μs，每位前有一個(gè)位同步脈沖，100 μs中部有脈沖，代表該位為1，無脈沖為0.地面系統(tǒng)在讀取數(shù)據(jù)之前，先對此碼組進(jìn)行幀同步校驗(yàn)。判斷上傳數(shù)據(jù)是否符合要求，符合則上傳數(shù)據(jù)，否則等待下一幀命令。

當(dāng)數(shù)據(jù)傳送完成后，地面儀器下傳復(fù)合命令（CM+CMT）。復(fù)合命令分兩部分，前部分為狀態(tài)命令CM，6位，每位280 μs，共280 μs×6，分布在前5 ms中部；后部分為靶壓命令CMT，4位，280 μs×4，分布在后5 ms中部。

每位前有一個(gè)位同步脈沖，其后有一個(gè)數(shù)據(jù)脈沖，用同步脈沖和數(shù)據(jù)脈沖之間的距離表示該位是1或0，同步脈沖和數(shù)據(jù)脈沖之間的距離小于140 μs表示該位為0，大于140 μs表示該位為1.井下儀器在讀取數(shù)據(jù)之前，先對此特定脈寬脈沖進(jìn)行幀同步校驗(yàn)。判斷下發(fā)命令是否正確，正確則執(zhí)行命令，否則返回待命。

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)所提供的ISA 總線接口規(guī)范，可實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)的快速配接，當(dāng)需要不同系列儀器配接時(shí)，只需要在前面板盤模組處更換相應(yīng)的板卡和相應(yīng)的軟件界面，即可實(shí)現(xiàn)，具有良好的設(shè)備兼容性。本設(shè)計(jì)是對傳統(tǒng)氧活化水流測井儀地面系統(tǒng)的改進(jìn)，通過單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳與命令下發(fā)的通信。