測(cè)井電纜通信系統(tǒng)簡(jiǎn)述及對(duì)比

1、國(guó)內(nèi)外測(cè)井電纜通信系統(tǒng)簡(jiǎn)述及對(duì)比一、國(guó)際三大測(cè)井公司電纜通信系統(tǒng)本節(jié)對(duì)國(guó)際三大測(cè)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(diǎn)進(jìn)行了較詳細(xì)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(gè)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(lái)與雙側(cè)向儀器組合測(cè)井 ,傳輸速率為 4 kb/ s ,包含 10 個(gè)數(shù)據(jù)道(4 個(gè)脈沖道 ,6 個(gè)模擬道) 。3503 為其升級(jí)后的代表 ,它包含 15 個(gè)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(jìn)行通訊 ,傳輸速率有了進(jìn)一步的提高 ,達(dá)到 20 kb/ s。20 世紀(jì)在 80 年代末、 90 年代初開(kāi)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(dá)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(yùn)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(jì)算機(jī)來(lái)控制的 ,更確切地說(shuō)是由地面計(jì)算機(jī)利用聲波測(cè)井的的邏輯信號(hào)啟動(dòng)的。計(jì)算機(jī)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(cè)井儀器;另一方面產(chǎn)生啟動(dòng)脈沖 ,令PCM短節(jié)向地面發(fā)送數(shù)據(jù)。聲波信號(hào)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(gè)數(shù)據(jù)道 ,1 個(gè)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(cè)出來(lái)。緊接著是 6 個(gè)脈沖數(shù)據(jù)道和 10 個(gè)模擬數(shù)據(jù)道。每一道占寬 2 ms ,含 16 個(gè)數(shù)據(jù)位?；緯r(shí)鐘頻率為 8kHz ,數(shù)據(jù)位寬 125s。每道實(shí)際攜帶的測(cè)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(dāng)它接收到地面采集系統(tǒng)命令后開(kāi)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(gè)周期中心上升沿表示為 “1”,每個(gè)周期中心下降沿表示為 “0”,這樣 ,它便具有消除長(zhǎng)串“1” 或 “0” 時(shí)直流成分的優(yōu)點(diǎn)。在遠(yuǎn)距離的接收器內(nèi) ,可利用再生發(fā)生器時(shí)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(yàn)位。若數(shù)據(jù)中 “1” 的

6、個(gè)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(gè)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(huì)給出兩個(gè)檢查結(jié)果來(lái)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(gè)標(biāo)志 NVM;第二是檢查每個(gè)數(shù)據(jù)位 ,確保電平變化發(fā)生在位的中間 ,若有兩個(gè)或更多的躍遷錯(cuò)誤 ,則也會(huì)給出一個(gè)NVM標(biāo)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(fù)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(lái)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(duì)于纜芯 5 ,6 來(lái)傳輸命令和數(shù)據(jù)。傳輸命令時(shí)速率為 20 kb/ s ,傳輸數(shù)據(jù)時(shí)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(yàn)位。1. 3. 2 WTS M5模

8、式M5 使用纜芯 2 ,5 相對(duì)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(dá)到 93. 75 kb/ s。M5可與M2 同時(shí)傳送數(shù)據(jù) ,它們之間的交叉干擾非常小。M5 只用來(lái)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(gè)字一個(gè)字地連續(xù)傳送 ,中間沒(méi)有間斷 ,也沒(méi)有奇偶校驗(yàn)位 ,只作數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤檢測(cè) ,若有錯(cuò)誤 ,則給出一個(gè)NVM字。1. 3. 3 WTS M7M7 是利用纜芯 7 相對(duì)于電纜外皮來(lái)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(dá)到 93. 75kb/ s ,可

9、與M2、 M5 同時(shí)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(jìn)而來(lái)的一種傳輸模式。它較M7 模式有如下改進(jìn): (1)使得運(yùn)用M2、 M5、 TM7 與直流供電和直流馬達(dá)的儀器同時(shí)測(cè)井成為可能; (2) RCI 儀器與 WTS、 RCI 與MRI L 組合測(cè)井; (3) M7 與雙側(cè)向組合測(cè)井; (4) 3514XA 中Channel 8 提供了數(shù)字井徑信號(hào); (5) 解決了 ECLIPS -S系統(tǒng)使用 3506 測(cè)井時(shí) “SP” 信號(hào)的衰減問(wèn)題; (6) 提供了 PCL 測(cè)井時(shí)的電壓保護(hù);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(dá)到 228 kb/ s ,完全滿足了成像測(cè)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(cè)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(dá)到100 kb/ s ,CTS是所有井下儀器與地面計(jì)算機(jī)測(cè)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jìn)行信息交換。這 3 條總線是:下行信號(hào)線DSIG,上行時(shí)鐘線 UCLK和上行數(shù)據(jù)線 UDATA/ G O。這樣地面的中央處理機(jī)把每個(gè)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(jī)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(shí)間上是隔開(kāi)的 ,即地面與井下之間的信息傳遞是采用半雙工方式進(jìn)行的。CTS是在計(jì)算機(jī)指令的控制下進(jìn)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(yàn)碼 CRC (在一幀之尾) 。CTS 由井下遙測(cè)單元 TCC - A 和地面遙測(cè)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(jì)算機(jī)首先向井下發(fā)送指令 ,指令中含有井下儀器的地址碼 ,當(dāng)井下儀器從指令中識(shí)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(cè)井電纜傳輸至地面。在地面遙測(cè)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(jī)處理。CTS遙測(cè)系統(tǒng)原理框圖如圖 2 所示。2. 2 CTS 遙測(cè)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(wú)變化則代表數(shù)據(jù) 0 ,每位邊界之間的時(shí)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(diǎn): (1)數(shù)據(jù)信息可以與時(shí)鐘的時(shí)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(wú)

13、直流成分 ,便于電纜傳輸和變壓器耦合。CTS遙測(cè)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(gè)狀態(tài)字、 2N 個(gè)井下數(shù)據(jù)字和循環(huán)6 校驗(yàn)碼組成 ,字長(zhǎng)16 位。在 FSP 前有8個(gè) 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(zhǎng)的N 值 ,B8 位為指令接收位 CMD REC ,B9 為指令錯(cuò)誤位CMDERROR ,B10為超時(shí)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(cè)單元 TCC - A 從上至下對(duì)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(kāi)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(cè)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(tái)大量采用了可從市場(chǎng)上購(gòu)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(dá)到 500 kb/ s ,成像測(cè)井儀采集數(shù)據(jù)的能力有了突飛猛進(jìn)的進(jìn)步。3 Hall iburton 測(cè)井通信系統(tǒng)EXCELL - 2000 成像測(cè)井系統(tǒng)使用的數(shù)字通信系統(tǒng)為DITS ,它包括遠(yuǎn)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(cè)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(guò)1553總線與D4TG連接 ,進(jìn)行雙向通訊。D4TG作為儀器總線控制器可在地面和 RTU 之間進(jìn)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(hào)譯碼成串行數(shù)據(jù) ,以便進(jìn)一步處理 ,而且放大從D2MP 到D4TG的信號(hào) ,使信號(hào)能與測(cè)井電纜相匹配。EXCELL - 2000 成像測(cè)井系統(tǒng)使用模式傳輸方式 ,此模式通過(guò) 7 芯電纜實(shí)現(xiàn)最小的交叉干擾 ,來(lái)傳輸信號(hào)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(dá)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(hào) ,如自然電位 SP 信號(hào)。目前 Halliburton 公司推出的新型測(cè)井系統(tǒng) IQ 快速測(cè)井平臺(tái) ,使用了ADS L 通訊方式 ,該通訊方式對(duì)所有外設(shè)均分配 IP 地址 ,通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸 ,大大提高了性能。4 以上通信方式的比較無(wú)論那種通信方式 ,面臨的問(wèn)題都是傳輸速度、 傳輸效率以及傳輸數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。幾種通信方式對(duì)比見(jiàn)表 1。二、國(guó)內(nèi)常用到的測(cè)井電纜通信系統(tǒng)1. 基于Manchester碼的通訊系統(tǒng)1.1 Manchester碼簡(jiǎn)述曼徹斯特碼，也叫

18、數(shù)字雙相碼或分相碼，是一個(gè)同步時(shí)鐘技術(shù)，被物理層用來(lái)編碼一個(gè)同步位流的時(shí)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(shí)鐘、去除了零頻率信號(hào)的特性使得它在石油勘探測(cè)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(shí)鐘信號(hào)，又作數(shù)據(jù)信號(hào)；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(shí)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(shí)，也將時(shí)鐘同步信號(hào)一起傳輸?shù)綄?duì)方，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(gè)碼元都被調(diào)成兩個(gè)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(jìn)制碼的優(yōu)點(diǎn)：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(shí)信息，便于接收端提取定時(shí)信號(hào)。而二進(jìn)制傳輸，當(dāng)出現(xiàn)連續(xù)的0或1時(shí)，無(wú)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(shí)無(wú)直流分量，可降低系統(tǒng)功耗。而二進(jìn)制波形，當(dāng)出現(xiàn)連續(xù)的1時(shí)，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(yàn)位。數(shù)據(jù)字字中，同步頭1.5位元處有一個(gè)上跳變；命令字中，同步頭1.5位元有一個(gè)下跳變。每幀最后一位為

20、校驗(yàn)位。曼碼采用奇校驗(yàn)。下圖為：系統(tǒng)硬件框圖。為減小編碼發(fā)送端的驅(qū)動(dòng)功率及為了更加適合信號(hào)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(shí)際測(cè)井中傳輸速率為20kbit/s時(shí)，誤碼率為10負(fù)4次，在系統(tǒng)時(shí)鐘偏差達(dá)30%時(shí)仍能可靠地傳輸數(shù)據(jù)，抗干擾能力強(qiáng)，性能可靠。1.3 Manchester碼在石油測(cè)井中有兩種典型實(shí)現(xiàn)方式1）使用曼碼作為儀器串接的內(nèi)部總線，通過(guò)特殊的信號(hào)變壓器允許多只儀器信號(hào)并接在一條總線上；2）用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(shí)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(duì)高速異串行總線通信而設(shè)計(jì)的。在把NRZ二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換為曼徹斯特碼時(shí)，要附加一個(gè)同步脈沖和校驗(yàn)位，解碼時(shí)，芯片可以識(shí)別這個(gè)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(jìn)制碼并輸出。最后進(jìn)行奇偶校驗(yàn)，正確則將有效標(biāo)志信號(hào)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(jī)GPIO用軟件完成編譯碼，適合M2數(shù)據(jù)方式，但其缺點(diǎn)明顯：不允許收發(fā)中途有中斷信號(hào)，另由于時(shí)鐘精度低于硬件定時(shí)，接收采樣的時(shí)序調(diào)整比較費(fèi)力。曼徹斯特碼的時(shí)序比較復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)編解碼器和單片機(jī)的接口需要添加大量的邏輯電路，給電路設(shè)計(jì)和調(diào)試帶來(lái)

22、很多困難。采用可編程的CPLD或FPGA，可大大簡(jiǎn)化這一過(guò)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(yǔ)言實(shí)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(shí)現(xiàn)方式采用數(shù)據(jù)通過(guò)RS232串口進(jìn)行發(fā)送和接收，發(fā)送前采用實(shí)現(xiàn)方式1中的編碼方式將每半字節(jié)數(shù)據(jù)擴(kuò)展到1字節(jié)后發(fā)送：接收的數(shù)據(jù)每1字節(jié)進(jìn)行每?jī)晌坏漠惢虿僮鞯玫桨胱止?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(guò)簡(jiǎn)單的硬件接口與計(jì)算機(jī)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(guò)雙相編碼方式，兼容了傳輸線及傳輸器對(duì)信號(hào)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(jì)算機(jī)上完成地面處理器的所有功能。該方式的缺點(diǎn)是實(shí)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(hào)采用差分傳輸方式，所有節(jié)點(diǎn)CAN H連接在一起，CAN L連接在一起，當(dāng)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(shí)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(gè)節(jié)點(diǎn)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(zhǎng)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(wú)干擾的場(chǎng)合可以采用普通的雙絞線。在高速、長(zhǎng)線傳輸時(shí)，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(jī)的CAN實(shí)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(diǎn)：?jiǎn)纹瑱C(jī)、CAN控制器、CAN驅(qū)動(dòng)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(jī)主節(jié)點(diǎn)：PCICAN通訊卡PCIl680U實(shí)現(xiàn)主節(jié)點(diǎn)監(jiān)控機(jī)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(gè)網(wǎng)絡(luò)工作在主從方式下，各個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)自主的不斷進(jìn)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(diǎn)根據(jù)需要，針對(duì)不同實(shí)時(shí)性要求，分別對(duì)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送詢問(wèn)命令，數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)在接收到詢問(wèn)命令后，將采集到的最新的數(shù)據(jù)通過(guò)CAN總線發(fā)送到主節(jié)點(diǎn)。主節(jié)點(diǎn)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，完成鉆井過(guò)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(shí)現(xiàn)（實(shí)例借鑒）井下儀器與地面系統(tǒng)之間的通訊需要設(shè)計(jì)一個(gè)完整的信號(hào)實(shí)時(shí)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?hào)以及控制井下儀器的各種狀態(tài)。通訊接口通過(guò) 1 5 5 3 B總線和地面系統(tǒng)通信， 通過(guò) C A N總線和井下工控機(jī)通信。所以，

27、通訊接口是整個(gè)測(cè)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(cuò)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(shí)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(hào)進(jìn)入接口板后，通過(guò)耦合變壓器實(shí)現(xiàn)電氣隔離，防止故障的傳播；通過(guò)隔離電阻，主電纜可以短路，從而實(shí)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(hào)畸變。然后經(jīng)過(guò)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(jìn)入FPGA發(fā)送 過(guò)程與之相反。該設(shè)計(jì)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(shí)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(cè)、狀態(tài)字的自動(dòng)響應(yīng)以及錯(cuò)誤檢測(cè)等功能。 時(shí)鐘模塊： 將輸入的時(shí)鐘分頻為編碼時(shí)鐘 、解碼時(shí)鐘、寫 F I F O的讀時(shí)

29、鐘和讀 F I F O的寫時(shí)鐘。接收數(shù)據(jù)流程： 曼徹斯特 I I 型碼經(jīng)過(guò)調(diào)制解調(diào)電路， 變?yōu)?r I T I 1 L電平數(shù)字信號(hào)進(jìn)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(yàn)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(dāng)X A為0 0 0時(shí)把 1 6 位數(shù)據(jù)送 給輸出 Q；當(dāng)X A為0 0 1時(shí)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(lái)

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(biāo)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(wú)待編數(shù)據(jù)， 即t x b u s y非忙， e m p t y非空時(shí)，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(guò)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(guò)多通道 高速緩沖串口M c b s p 與 F P G A相連，在一個(gè)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(shí)滿足兩總線系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)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(hào) R E、 寫使能信號(hào) WR、 地址信號(hào) A O A 3 D S P和 F P G A之間的輔助控制信號(hào)還有： 讀、 寫 F I F O空滿標(biāo)志信號(hào) 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(hào) D V A L ，

32、低電平有效； 讀數(shù)據(jù)順序信號(hào) 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(hào) X A O 0 - 2 ， D S P寫數(shù)據(jù)時(shí)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(gè)功能 ： 把 1 5 5 3 B總線來(lái)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(lái)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(guò)程： D S P根據(jù) X A的狀態(tài)分 2次將經(jīng)過(guò) 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(guò) 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(jī)對(duì)井下儀器進(jìn)行控制。同時(shí) D S P根據(jù)接收到的命令， 讀取井下儀器通過(guò) C A N 總線模塊傳輸來(lái)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(guò) D S P與 F P G A共同實(shí)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(dú)采用 1 5 5 3 B協(xié)議芯片時(shí)對(duì) D S P的數(shù)據(jù)中斷請(qǐng)求時(shí)間， 更好地滿足了控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)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(shí)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(guò)驗(yàn)收濾波器 ， C A N控制器將C A N總線上的描述場(chǎng)和數(shù)據(jù)場(chǎng)順序存入空的緩存器中， 并

35、向D S P發(fā)送中斷請(qǐng)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(hào)超長(zhǎng)距離通訊解決方案3.1 RS-422與RS-485簡(jiǎn)介RS-422、RS-485與RS-232不一樣，數(shù)據(jù)信號(hào)采用差分傳輸方式，也稱作平衡傳輸，它使用一對(duì)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(dòng)器A、B之間的正電平在 2" 6V，是一個(gè)邏輯狀態(tài)，負(fù)電平在-2V"6V，是另一個(gè)邏輯狀態(tài)。另有一個(gè)信號(hào)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(dòng)器與傳輸線的切斷與連接。當(dāng)“使能”端起作用

36、時(shí)，發(fā)送驅(qū)動(dòng)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(lái)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(shí)現(xiàn)真正的多點(diǎn)雙向通信。RS-485總線，在要求通信距離為幾十米到上千米時(shí)，廣泛采用RS-485 串行總線標(biāo)準(zhǔn)。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(cè)低至200mV的電壓，故傳輸信號(hào)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(shí)候只能有一點(diǎn)處于發(fā)

37、送狀態(tài)，因此，發(fā)送電路須由使能信號(hào)加以控制。RS-485用于多點(diǎn)互連時(shí)非常方便，可以省掉許多信號(hào)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(tái)驅(qū)動(dòng)器和32臺(tái)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(dòng)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(zhǎng)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(zhǎng)的電纜長(zhǎng)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(zhǎng)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(biāo)準(zhǔn)的限制，導(dǎo)致RS-485信號(hào)只能進(jìn)行主、從結(jié)構(gòu)的輪詢方式通訊，通訊的實(shí)時(shí)性和可靠性稍差。同時(shí)在RS-485網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)系統(tǒng)有錯(cuò)誤，出現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，導(dǎo)致總線呈現(xiàn)短路，從而損壞某些節(jié)點(diǎn)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(hào)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(lái)做信號(hào)放大，如果距離更遠(yuǎn)，那么RS-485中繼器就需要像“接力棒”一樣，在每個(gè)RS-485信號(hào)衰減處，安裝

39、RS-485光隔中繼器來(lái)解決信號(hào)傳輸問(wèn)題。但這種解決方案有個(gè)重要的問(wèn)題需要解決，因?yàn)槊考右粋€(gè)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(dòng)的外接電源。但各種各樣的應(yīng)用中，并不是每個(gè)衰減點(diǎn)有可能方便的接入電源（比如在煤礦的井下系統(tǒng)）。基于這個(gè)現(xiàn)狀，會(huì)有用戶采用光纖通訊的方式。但這個(gè)方案明顯存在著布線昂貴，接口設(shè)備通常價(jià)格也比較高的問(wèn)題。3.3 RS-485信號(hào)超長(zhǎng)距離通訊解決方案原理現(xiàn)提供一個(gè)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(hào)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(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊，而且還可以組成帶有節(jié)點(diǎn)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(gè)掛有RS-485 hort Haul Modem的RS-485接口設(shè)備，與上位主控計(jì)算機(jī)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(yuǎn)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(hào)的超遠(yuǎn)距離傳輸。因?yàn)楸娝苤珻AN總線具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性。CAN總線通過(guò)CAN控制器接口芯片82C250的兩個(gè)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(huì)出現(xiàn)象在RS-485網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)系統(tǒng)有錯(cuò)誤，出現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，導(dǎo)致總線呈現(xiàn)短路，從而損壞某些節(jié)點(diǎn)的現(xiàn)象。而且CAN節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)關(guān)閉輸出功能，以使總線上其他節(jié)點(diǎn)的操作不受影響，從而保證不會(huì)出現(xiàn)