基于ISA 总线的工业控制系统接口电路设计方案

　　0 引言

　　脉冲中子氧活化测井水流仪地面系统的主要功能：

　　接收井下仪器上传的信号，解析数据并上传至上位机；同时，接收上位机下发指令，并发送给井下仪器。本文是对传统氧活化测井仪地面系统的改进，该系统提供ISA 总线接口规范，可实现与系统的快速配接，若用户需要完成不同系列仪器配接时，只需要在前面板盘模组处更换相应的板卡和相应的软件界面。即可实现不同仪器的配接。

　　1 脉冲氧活化测井原理

　　脉冲氧活化测井是一种测量水流速度的方法。由双脉冲热中子衰减时间测井技术发展起来的动态测量技术，其核心是用高能脉冲中子激活氧原子并引发多种核反应，其一为氧活化反应。激发态下的氧原子释放出高能伽马射线，通过探测伽马射线时间谱，来反映油管内、油管/套管环型空间、以及套管外含氧物质特别是水的流动状况。根据仪器源距就可计算出水流速度，在管径已知且不变的条件下，可以计算出水流流量。可用于检查射孔井段封堵、半段井下工具位置、检查配注井漏点位置、检查井下工具工作状况和套管窜槽位置等。脉冲中子氧活化测井仪结构图，如图1所示。

　　脉冲中子氧活化测井仪地面系统，主要是对井下中子管的工作状态进行控制，以得到合适的中子发射周期和中子产额。为此需要控制的参数有阳极脉冲的时序、灯丝电压的幅度、靶压的幅度等。需要监测的信号有仪器缆头电压、灯丝电流、靶压幅度、四个探测器的计数等。

　　2 系统硬件

　　氧活化测井地面系统主要由地面系统控制电路和ISA总线控制电路两部分构成。

　　2.1 地面系统控制电路

　　地面系统与井下仪器通过电缆实现双向通信，地面系统由信号接收和下发命令两个模块构成，通过主单片机和次单片机的基本系统、数据存储、总线收发、上传信号前端处理以及下发命令后端处理等电路实现。其中，主单片机主要用于数据处理、指令下发与上位机通信等控制操作，而次单片机用于帧同步校验及显示。主单片机以50 ms的帧周期工作，通过片内通信D0~D3,FR（帧同步），SYNC1（字节同步）与次单片机通信，得到温度、压力、节箍、自然伽马、Iw等上传的数据值，并通过电路调解出的PCM命令并对其命令解释，将有效的数据上传至上位机进行下一步处理；同时，将上位机所下发的命令以PCM方式编码并输出A（正脉冲）、B（负脉冲）信号，将该信号通过驱动电路送至电缆，并下发给井下仪器。

　　井下仪器上传信号经过变压器T3-T4端口接收，为了消除电缆电荷的积累，所有的脉冲信号均隔一个正脉冲和一个负脉冲发出，因此，接收到的脉冲信号经过滤波、整流电路后，得到正脉冲。前端处理电路如图2所示，其工作原理如下：首先，对该正脉冲进行信号放大处理。其次，由于传输过程中的干扰，使得上传信号产生畸形，因此，需对其进行脉冲信号整形。为了恢复信号的幅度，需要将放大的信号进行电压比较，通过调节电位器消除传输过程中带来的畸形脉冲，从而得到与上传信号一致的脉冲序列。再次，将该脉冲经过74LS221脉冲整形电路，根据外围器件RC参数从而恢复脉冲信号的脉宽。经过前端处理电路处理过的信号SIGD,通过串口线发送给上位机进行软件校对、数据采集等工作。

　　同时，上传信号SIGD 作为主单片机INT1 的触发脉冲，配合T0调用中断命令，并将上传的数据通过锁存器存入双端口RAM中。

　　后端处理电路工作原理如下：上位机下发的执行命令由ISA 总线传输给总线收发器，通过控制总线收发器，可将执行命令存入双端口RAM中，等待主单片机的R-D- 信号将执行命令送至主单片机进行操作。与此同时，下发命令通过从单片机进行校验，信号从其P1端口发出，经过DIP 开关整合得到复合命令（CM+CMT），将此复合命令送至主单片机的P2.6 和P2.7 口。其中，主单片机的P1.0和P1.1端口分别作为定时计数器T2的外部计数器和外部控制器，对外发送执行命令。为了降低传输功耗，下发命令以正负脉冲A、B 的形式发出。该A、B 脉冲信号经限幅、电平转换电路得到TTL脉冲，并在驱动电路的作用下，由变压器的T5-T6-T8 端口发送给井下仪器执行命令。下发命令后端处理电路原理图，如图3所示。

　　2.2 ISA总线控制电路

　　氧活化测井仪地面系统的系统总线采用ISA 总线实现，地面系统与上位机之间通过ISA总线交换数据的实现方法为共用单片机系统外部数据存储器与静态数据传送相结合的方法。[page]

　　ISA总线的总线周期分成两大类：一类是CPU驱动的总线周期；另一类是DMA 控制器驱动的总线周期。

　　在设计扩展卡时，可使用CPU总线周期中的I/O读写和DMA 驱动的DMA 传送方式。DMA 传送方式多用于实时性要求高、数据量很大的场合，其接口电路设计比较复杂。通常，ISA总线采用I/O读写方式。在I/O读写周期中，地址码在读写过程中一直保持有效，可直接作为接口芯片的地址信号，不需进行锁存。I/O 读写信号均为低电平有效。

　　由于通信信道为单芯电缆，因此单片机系统采用分时复用总线的工作方式，低八位地址码与数据在一个读写周期中分时出现在单片机的P0口，需对低八位地址信号进行锁存。在设计接口卡时，要严格遵循双总线的操作时序。需要注意，由于DMA 传送过程中也需要使用I/O读写信号，因而设计电路时要在地址译码电路中使用DMA 传送的地址允许信号进行屏蔽，以防止接口误操作。同时，为了防止时序混乱，采用总线控制模块实现总线系统之间进行隔离，同时还要设置两个系统之间的公用数据交换区，以实现数据交换。ISA总线接口电路原理图，如图4所示。

　　井下仪器内部通信是由井下仪器各个单片机通过LIN 总线互相传递数据和命令的过程。其原理图如图5所示。串行通信采用9位多机通信方式，波特率为20 kHz.其中遥传短节内的TU1为主单片机，其他各短节内的单片机为次。TU1 单片机既发命令也接收数据，其他单片机只接收命令和发送数据，不接收数据，以免受其他单片机影响。

　　3 系统软件下的通信协议

　　3.1 通信协议解释

　　地面系统发送的控制命令及数据信息均采用PCM编码方式，属半双工通信。地面仪器工作时不断检测电缆上有无信号，当检测到电缆上有信号，则代表井下在上传数据。如果出现一段时间间隔内（1 ms）无信号，表示井下仪器一帧数据已结束，该地面系统开始下发命令。与此同时，井下仪器每隔50 ms主动发送一组数据并接收一次命令（即一帧），每帧50 ms时间分为5个10 ms段，第一段10 ms为命令框，这时井下仪器不发数据，接收地面仪器发送的命令；第二段至第五段分别为井下仪器上传的数据段，也叫数据框。每框含5个18位字，含1个状态字，4个数据字，每字占空间1 900 μs,包括18位及一个100 μs 间隔。有效位16 位，第17 位是检验位，第18 位总是“0”.地面系统与井下仪器通信协议帧格式，如图6所示。

　　3.2 状态字与数据位的识别

　　系统采用时分复用通信方式，即对信道中相位抖动及接收端与发送端的时钟同步问题提出了较高的要求。接收端根据对同步信号的识别，读取数据和命令传送等。

　　井下仪器向地面系统发送的数据需要先对其状态字进行同步校验。通过判断状态字，可得到上传数据对应的井下信息。上传数据的每个状态字占空间1 900 μs,包括18位及一个100 μs间隔。有效位16位，第17位是检验位，第18 位总是“0”.每位占100 μs,每位前有一个位同步脉冲，100 μs中部有脉冲，代表该位为1,无脉冲为0.地面系统在读取数据之前，先对此码组进行帧同步校验。判断上传数据是否符合要求，符合则上传数据，否则等待下一帧命令。

　　当数据传送完成后，地面仪器下传复合命令（CM+CMT）。复合命令分两部分，前部分为状态命令CM,6位，每位280 μs,共280 μs×6,分布在前5 ms中部；后部分为靶压命令CMT,4位，280 μs×4,分布在后5 ms中部。

　　每位前有一个位同步脉冲，其后有一个数据脉冲，用同步脉冲和数据脉冲之间的距离表示该位是1或0,同步脉冲和数据脉冲之间的距离小于140 μs表示该位为0,大于140 μs表示该位为1.井下仪器在读取数据之前，先对此特定脉宽脉冲进行帧同步校验。判断下发命令是否正确，正确则执行命令，否则返回待命。

　　4 结论

　　设计所提供的ISA 总线接口规范，可实现与系统的快速配接，当需要不同系列仪器配接时，只需要在前面板盘模组处更换相应的板卡和相应的软件界面，即可实现，具有良好的设备兼容性。本设计是对传统氧活化水流测井仪地面系统的改进，通过单片机控制实现数据上传与命令下发的通信。