井下仪器总线转换功能模块设计

引言

    中国石油集团测井有限公司在近几年相继开发了基于DTB和CAN这2套通讯协议方式的测井系统，使7芯电缆传输速率分别达到了100 kbit／s和430 kbit／sc。由于目前这2套系统及相关仪器并存，必然增加仪器生产、使用环节的复杂度。因此．有必要开发一套综合测试设备，能同时配接2套系统的井下仪器，用于测井仪器的自检、维修和新产品的开发，提高工作效率。

    本文使用DSP和FPGA高集成度数字芯片构成核心电路，通过DSP软件开发和FPGA逻辑设计，设计并实现了1个可用于DTB和CAN这2套通讯协议方式测井系统的井下仪器综合测试设备。

1 系统设计

    综合测试设备系统架构见图1。该测试设备共提供了3个总线接口，分别为CAN总线接口、DTB总线接口和USB总线接口，CAN总线用于挂接430 kbit／s传输速率的仪器，DTB总线挂接100kbit／s传输速率的仪器，USB则是测试设备与计算机之间的接口。这些总线接口之间数据格式转换分别由USB／CAN转换模块和CAN／DTB转换模块完成。

    CAN／DTB转换模块用于实现CAN总线和DTB总线转换。CAN总线上为该模块分配1个m，使该模块作为一个虚拟的430 kbit／s传输速率的井下仪器，挂接在CAN总线上。USB／CAN转换模块则是对CAN总线上挂接的430 kbit／s传输速率仪器的数据进行转换后，由USB总线送往计算机，计算机中运行仪器的测试软件，可存储、显示、打印接收的数据。因此，DTB总线上挂接100 kbit／s传输速率的井下仪器数据，需要先转换到CAN总线，再转换为USB总线后送人计算机。2个总线转换模块中，USB/CAN转换模块应用很广，而CAN／DTB转换模块则成为该测试设备开发的主要工作。

    为能够满足上述CAN／DTB转换功能需求，该接口转换模块的硬件采用DSP+FPGA的电路架构．由FPGA提供逻辑资源，实现DTB接口信号之间的时序关系。DSP则具有高速的软件处理能力，可用于实现程序流程控制、数据缓存和CAN总线接口。两者均为高集成度器件，都具备完善的开发手段，内部程序可方便地进行修改，设计上具有较大灵活性。在此核心电路的基础上，配合其他外部电路，如RAM、DTB电平转换模块、CAN驱动器等芯片，构成完整的接口转换模块，其结构见图2。

图1 综合测试设备应用架构

图2 CAN／DTB转换模块框图

    转换模块的数字电路部分均可由FPGA和DSP实现，DTB电平变换部分主要通过模拟开关、三极管等模拟元件，将FPGA输出的+3．3 V的数字信号转换为符合DTB总线标准的信号形式，并提供一定的电流驱动能力，其电路原理相对比较简单。DSP内嵌的CAN控制器接口与CAN驱动器MAX3050配合，可方便实现CAN总线数据的发送、接收。

2 FPGA的内部逻辑功能设计

    FPGA内部逻辑主要用于实现DTB接口信号的产生和串行数据的接收工作，由DSIG信号发送单元、UCLK及GO信号发送单元、IJlDATA信号接收单元和存储器接口单元等4个相对独立的单元构成(见图3)。

图3 FPGA内部逻辑设计

    DTB总线由3根56Ω同轴电缆线组成，用于井下遥测单元与井下仪器之间进行双向数据传输。这3根信号线分别是DSIG(向下信号线)、UCLK(上行时钟线)和UDATA／GO(上行数据／启动线)。DSIG用于遥测单元给井下仪器发送命令，采用双极性归零码，有3个电平：+1．2 V表示“1”，一1．2 V表示“0”，无信号时为0 V。UCLK为上传时钟线．信号幅度为十1．2 V，周期为10μs．井下仪器的数据是在UCLK的作用下，串行地将数据发送至上行数据线上。UDATA／GO是双向信号线，每帧开始时，井下遥测单元通过发送1个幅度为+3．6V的GO脉冲．通知井下仪器准备开始传送数据。320μS后，井下仪器在UCLK的上升沿，将采集的数据通过该信号线发送至遥测单元。

    DSIG信号发送单元中．命令寄存器用于存放要送往井下仪器的命令和接收该命令的仪器的ID。然后将命令和仪器lD按照一定的帧格式进行组织，加上帧头帧尾以及校验等数据后，通过并／串转换电路。将DSIG信号串行发送出去。

    UCLK和GO信号发送单元按照DTB数据传输的信号时序要求产生UCLK和GO信号。DTB总线上挂接的井下仪器的数据传输均是按帧进行，帧周期为80 ms。因此可以设计1个模为8 000、输入时钟频率为100 kHz的计数器实现。在每帧的开始，即计数器为0时产生GO信号，作为1帧数据传输的开始，启动井下仪器的数据传输。时钟寄存器由DSP写入，存放每帧发往井下仪器的UCLK时钟脉冲的数目，计数器依据该寄存器的值，产生UCLK的使能信号。

    井下仪器在UCLK的上升沿时将采集的数据串行送人UDATA，UDATA信号接收单元则在UCLK的下降沿对UDATA信号进行采样，并每8bit进行1次串／并转换，将数据并行输入FIFO。具体设计时，FIFO无需占用FPGA的内部逻辑资源，而是由器件内部提供的可配置存储器实现。引出FIFO的半满指示信号送往DSP的硬件中断管脚，并通过地址译码电路，将FIFO映射到DSP的外部I／0读地址。当FIFO中的数据达到容量的一半时，对DSP产生硬件中断，使DSP进入硬件中断程序，DSP可循环读取FIFO的I／o映射地址，即可将FIFO中的数据全部读出。

    需要注意的是，所有的FPGA产生或输入的信号均需经过电平变换后，才能送往DTB总线。存储器接口单元利用DSP提供的总线信号，实现FPGA与DSP之间并行的双向数据传输。其基本方法是利用地址译码电路，将FPGA中实现的命令寄存器、状态寄存器和FIFO等具有数据存储功能的部件映射到DSP的外部I／O地址上，DSP通过读写I／O地址，可以对FPGA中存储的数据进行访问。[page]

3 DSP程序设计

    系统为CAN／DTB转换模块分配了1个CAN总线ID，该模块中DSP程序所执行的功能类似于1个430 kbit／s传输速率的井下仪器。DSP程序包括系统的初始化、FPGA内部数据的读取、CAN接口数据收发等主要功能。与普通井下仪器的差别在于FPGA通过FIFO传送的数据不是该模块自身采集的，而是由DTB总线上挂接的100 kbit／s传输速率的仪器所采集的。

    3．1系统初始化

    初始化单元完成DSP初始化、CAN控制器初始化、以及清空FIFO中数据等工作。DSP初始化主要设置相关寄存器来配置系统时钟的频率、启动看门狗、打开相关中断等工作。CAN控制器初始化包括设置CAN通信的波特率以及同步跳转宽度、采样次数和重同步方式；设置邮箱工作方式，启动邮箱工作并设置邮箱的ID；此外，还要设置CAN控制器的中断。清空FIFO中的数据，以防止丢失FIFO的半满中断信号。

    3．2 FPGA中断服务程序

    当FPGA内部的FIFO存储的数据容量超过一半时，向DSP的硬件管脚产生硬件中断，DSP进入FPGA的中断服务程序。

    FPGA中断服务程序用于从FPGA的FIFO中读取数据，其流程见图4。设置1个变量N，等于FIFO存储容量的一半，DSP循环读取FIFO中的数据，每读一次将N减1，直到N等于0时，中断服务程序结束。读取的数据存放在数据存储区中，由CAN接口按照一定的帧格式和流程要求发送给USB／CAN转换模块。

图4 FPGA中断服务程序

    3．3 CAM控制器接收中断服务程序

    无论CAN接收到数据，还是发送数据成功，均进入CAN中断服务程序，程序流程见图5。在中断服务程序中，首先通过状态寄存器，判断是发送中断还是接收中断。如果是发送中断，表明上一次的发送成功，相应地设置发送成功标志。如果是接收中断，则需进一步判断接收到的是远程帧还是数据帧。如果是数据帧，表明接收的是仪器的控制命令，DSP需要将收到的命令发送到FPGA内的命令寄存器，再由FPGA将命令通过DSIG信号发往井下仪器。如果是远程帧，表示主控节点请求该节点发送1帧数据，则在程序中，将全局变量nSendNum赋值为要发送的1帧数据的长度，nSendNum的值取决于当前所挂接的仪器种类和仪器数量，由计算机软件进行配置。

图5 CAN中断服务程序

    3．4系统主程序

    主程序主要是依据全局变量nSendNum、缓冲区数据长度和发送成功标志等状态信息，决定数据发送的一个循环流程(见图6)。在初始化完成后

图6 CAN接收服务程序

    主程序处于等待状态，判断nSendNum是否为0。如果不为0，则表示已经接收到主控节点请求发送数据的远程帧，因此进人数据发送流程。接着判断发送缓冲区中的数据是否有一完整帧的长度(仪器不同，帧长也不同)，如果不足则停止发送，否则就将缓冲区的数据填入CAN的发送邮箱，启动发送流程，并将要发送的数据nSendNum减去8(CAN每次能够发送8 Byte的数据)。循环进行CAN的发送程序，直到nSendNum等于0，表示一帧数据发送结束，主程序重新回到等待状态。

4 结束语

    经过实验和应用的验证，所设计的综合测试设备与相应的计算机测试程序配合，可同时用于DTB和CAN这2套通讯协议方式的测井系统的测试、维修和生产，已开始在各仪器使用单位推广。