测井电缆通信系统简述及对比

1、国内外测井电缆通信系统简述及对比一、国际三大测井公司电缆通信系统本节对国际三大测井公司 BAKER AT LAS贝( 克.阿特拉斯 )、 Haliburton (哈里 伯顿) 和 Schlumberger (斯伦贝谢) 的电缆传输通信系统特点进行了较详细 介绍。1BAKER ATLAS 电缆通信系统AT LAS公司的电缆通信系统发展可分三个阶段 :AMI PCM( 3502/ 03 , 3506 ) , Manchester PCM ( 3504/3508 ,2222) ,WTS(AMI Manchester 3510 ,3514)。第 一 代 的 PCM 代 表 为 3502 , 它 使 用

2、 AMI(Alternate Mask Inversion) 方式编码 , 它只能用来与双侧向仪器组合测井 , 传输速率为 4 kb/ s , 包含 10 个数据道 (4 个脉冲道 ,6 个模拟道 ) 。 3503 为其升级后的代表 , 它包含 15 个数据道 , 传输速率提升到 8 kb/ s 。下一代就是 3504 ,3508 ,2222 , 使用 Manchester 编码方式 进行通讯 , 传输 速率有了进一步的提高 , 达到 20 kb/ s 。20 世纪在 80 年代 末 、 90 年代初 开发了 新一代通 讯系统 WTS (WirelineTelemetry System) 。W

3、TS使 用的编码方式为 AMI Manchester , 数据 传输总和达到了 230 kb/ s 。1. 1 AMI 通讯系统 ( PCM 3506)PCM3 506 是 CLS3700 系统主要运用的电缆通信短节。它采用的是 AMI 脉冲 编码调制技术 ,PCM 数据的发送和接收是由地面计算机来控制的 , 更确切地说 是由地面计算机利用声波测井的的逻辑信号启动的。 计算机按一定的深度间隔 , 控制 3700 系统内 3752 面板的声波逻辑电路 , 产生声波逻辑脉冲。 该逻辑脉冲 沿电缆缆芯 2 # 、 5 # 送至井下仪器 PCM3506 内的逻辑解码电路。逻辑解码 电路一方面把声波逻辑

4、脉冲送至井下声波测井仪器 ; 另一方面产生启动脉冲 , 令 PCM短节向地面发送数据。声波信号经缆芯 7 # 传送 , 编码数据由缆芯 2 # ,5 # 传送。3506数据通讯格式 :使用低电平代表 “0” 数据位 , 高电平代表 “1”数据位 , 脉冲的极性交替改变 , 使得电缆上传输的极性为零。一帧 PCM 数据有 16 个数据道 ,1 个模拟地道。 第一道是同步道 , 它由 16 位 1 组成 , 使同步道与数据道区别 , 便于地面系统检测出来。 紧接着是 6 个脉 冲数据道和 10 个模拟数据道。每一道占宽 2 ms , 含 16 个数据位。基本时钟 频率为 8kHz ,数据位宽 12

5、5 s。每道实际携带的测井信息为 12 位 , 其余 4 位 为特征码。1. 2 Manchester 通讯系统 ( PCM3508)Manchester 通讯系统工作在命令响应模式。当它接收到地面采集系统命令后开 始采集传输数据 , 与 AMI 3506 不同的是其数据编码方式。在 Manchester 数据 编码中 , 将每个周期中心上升沿表示为 “1”, 每个周期中心下降沿表示为 “0”, 这样 , 它便具有消除长串“ 1” 或 “0” 时直流成分的优点。在远距离的接收 器内 , 可利用再生发生器时钟的变化 , 使发射数据同步成为可能。一帧 Manchester 码包含 20 位 , 前

6、 3 位是同步码 , 有数据同步和命令 同步。定义:周期中心上升沿表示数据 , 周期中心下降沿表示命令 ;中间 16 位是 数据; 最后一位奇偶校验位。 若数据中 “1” 的个数是偶数 , 则用周期中心下降 沿表示 , 若数据中 “ 1” 的个数是奇数 , 则用周期中心上升沿表示。地面系统 接收解码数据后 , 它会给出两个检查结果来确保所传输的数据已被正确解码。 第 一是要检查确保传输的数据位总和是奇数 , 若不是 , 就给出一个标志 NVM;第二 是检查每个数据位 , 确保电平变化发生在位的中间 , 若有两个或更多的跃迁错 误 , 则也会给出一个 NVM标志。1. 3WTS ( AMI Ma

7、nchester)WTS电缆遥传系统结合了 AMI 和 Manchester 两种方式 , 被称作 AMI Manchester 或 Manchester II 。它仍然用电平的由高到低的变化代表 “ 1”, 用电平由低到高的变化代表 “0”, 但它由正负交替的脉冲组成数据 , 使用了 3 种传输模式 M2、 M5、 M7 (TM7) 。M2 为双向传输模式 , 既可向井下传输命令 , 又可向地面传输数据 ;M5、 M7 则只用来向地面传输数据。 传输模式 M2、M5、 M7 的接法示意图如图 1 所示。1. 3. 1 WTS M2 模式M2 使用缆芯 2 ,3 相对于缆芯 5 ,6 来传输命

8、令和数据。传输命令时速率 为 20 kb/ s , 传输数据时为 41 kb/ s 。典型的数据字同 Manchester 数据字具 有一样的格式 : 占宽 20 位 , 包括 3 位同步 ,16 位数据和 1 位校验位。1. 3. 2 WTS M5 模式M5 使用缆芯 2 ,5 相对于缆芯 3 ,6 传输数据。这种接法使得传输数据的 速率达到 93. 75 kb/ s 。M5可与 M2 同时传送数据 , 它们之间的交叉干扰非常小。 M5 只用来向地面传输 数据 , 用于采集数据量大的仪器 , 如阵列声波等仪器。 M5 的数据格式与 M2 略 有不同 , 先是 3 位同步 , 然后是 16 位

9、数据 , 一个字一个字地连续传送 , 中间 没有间断 , 也没有奇偶校验位 , 只作数据传输错误检测 , 若有错误 , 则给出一 个 NVM字。1. 3. 3 WTS M7M7 是利用缆芯 7 相对于电缆外皮来传输数据的。数据格式同 M5 一样 , 传 输数据的速率也可达到 93. 75kb/ s , 可与 M2、 M5 同时工作 , 交叉干扰非常 小。通常用于采集数据量大的仪器 , 如阵列感应等仪器。TRUEM 7 (TM7)是在 M7 模式的基础上改进而来的一种传输模式。它较 M7 模式有 如下改进 : (1) 使得运用 M2、 M5、 TM7 与直流供电和直流马达的仪器同时测井 成为可能

10、 ; (2) RCI 仪器与 WTS、 RCI 与 MRI L 组合测井 ; (3) M7 与双侧向 组合测井 ; (4) 3514XA 中Channel 8 提供了数字井径信号 ; (5) 解决了 ECLIPS -S 系统使用 3506 测井时 “SP” 信号的衰减问题 ; (6) 提供了 PCL 测井时的 电压保护 ;WTS 通讯模式在数据传输上效率很高 , 总的向上传输速率达到 228 kb/ s , 完全满足了成像测井系统数据量大的要求。2 Schlumberger 电缆通信系统2. 1 CTS 遥测系统原理CTS是一种高速数据传输系统 , 数据传输速率达到 100 kb/ s ,CT

11、S 是所有井 下仪器与地面计算机测井系统之间的统一的数据传输系统。 在井下采用了类似计 算机系统的设计思想 , 即在 CTS 与各井下仪器之间安排了 3 条串行总线 (DTB) , 由 3 根 56 的同轴电缆组成 , 进行信息交换。这 3 条总线是:下行信 号线 DSIG,上行时钟线 UCLK和上行数据线 UDATA/ G O。这样地面的中央处理机 把每个井下仪器 ( 包括 CTS)看成是它的外部设备 , 在电缆上传送的信息有中央 处理机给井下发送的指令和井下仪器向上传送的数据 , 但二者在时间上是隔开 的 , 即地面与井下之间的信息传递是采用半双工方式进行的。 CTS是在计算机指令的 控制

12、下进行数据的采集、 格式编排和传输的 , 每一帧的上行数据和下行指令中 均含有帧同步字 FSP (在一帧之首 )和循环冗余校验码 CRC (在一帧之尾 ) 。CTS 由井下遥测单元 TCC - A 和地面遥测模块 TCM - A 两部分组成。各井下仪器均 与井下总线相连 , 分别有规定的地址码。 计算机首先向井下发送指令 , 指令中含 有井下仪器的地址码 , 当井下仪器从指令中识别出自己的地址码后 , 即执行该 指令 , 并把数据送至井下总线上 , 编成一定格式后 , 经测井电缆传输至地面。 在 地面遥测模块中 , 上行数据经解调后 , 由总线送至中央处理机处理。 CTS遥测系 统原理框图如图

13、 2 所示。2. 2 CTS 遥测系统数据格式CTS 采用双相位码制。 双相位码的电平变化发生在位的边界处 , 如果在位的 中间有电平变化则代表数据 1 , 无变化则代表数据 0 , 每位边界之间的时间间隔 为 10s , 所以全 “0” 数据的视频率为 50 kHz 方波 , 全“1” 数据视频率 为 100 kHz 方波。 CTS 采用双相位码制的优点 : (1) 数据信息可以与时钟的时间 信息合在一起传输 ; (2) 能有效地利用电缆的频带宽度 ; (3) 双相位码中无直流成 分 , 便于电缆传输和变压器耦合。CTS遥测系统数据格式如图所示。2. 2. 1 帧格式 (上行线 )上行数据由

14、帧同步字 FSP、 2 个状态字、 2N 个井下数据字和循环 6 校验 码组成 , 字长 16 位。在 FSP 前有 8个 0 是为了便于接收设备确定位的边界。 FSP 为固定字 , 值为 003152 (8) 。状态字 1 的含义是 :低 8 位代表帧长的 N 值 ,B8 位为指令接收位 CMD REC ,B9 为指令错误位 CMDERROR ,B1为0 超时 位 ,B11 、 B12 未用 ,B13 为波形允许位 WFMEN ,B14为 现在位 NOW ,B15 为指 令等待位 WAIT。状态字 2 的唯一信息是电缆头电压 , 它由高字节的 B15 - B11 给出。井下数据字是井下遥测单

15、元 TCC - A 从上至下对各井下仪器依次采集的。 上行帧的最后 16 位是 CRC 字。在上行帧中 , 高位数据先传送。2. 2. 2 指令格式 (下行线)同帧格式一样 , 它也由 8 位 0 开头 , 然后是 8 位 FSP ,16 位用户字 UW, 16 位基本指令字 BIW , 8 位 CRC字 , 最后是尾随的 8 位 0 。与上行帧格式相 反 , 它由低位线传送。指令中的 FSP 和 CRC 不送至井下仪器。Schlumberger 公 司目前 所有 测井 设备 都配备 了多 任务 采集 和成像系 统 ,MAXIS500 是其最新一代产品。这种基于 PC 的模块式平台大量采用了可

16、从 市场上购买的硬件和操作系统 , 所以适用性更广泛。其数据传输速率达到 500 kb/ s , 成像测井仪采集数据的能力有了突飞猛进的进步。3 Hall iburton 测井通信系统EXCELL- 2000 成像测井系统使用的数字通信系统为 DITS , 它包括远程通信 设备(RTU) 、 1553 仪器总线、 数字井下通信模块 (D4TG) 和地面通信接口 (D2MP) 。RTU 是仪器电子测量部分和井下通信系统之间的接口。 每一种仪器都有自己 的 RTU 地址 , 通过 1553 总线与 D4TG连接 , 进行双向通讯。 D4TG作为仪器总 线控制器可在地面和 RTU 之间进行双向通信连

17、接 , 它由井下调制解调器 (SSM) 和总线控制单元 (BCU) 组成。 BCU 根据总线命令表从仪器串中采集数据 , 编译 成上传数据格式 , 然后以 50ms 一帧上传到地面系统。 D2MP将 上传的信号译码 成串行数据 , 以便进一步处理 , 而且放大从 D2MP到 D4TG的信号 , 使信号能与 测井电缆相匹配。EXCELL - 2000 成像测井系统使用模式传输方式 , 此模式通过 7 芯电缆实 现最小的交叉干扰 , 来传输信号和电源。 共有 4 种模式。模式 W2 利用电缆 1 、 2和4、 5 为高压仪器或井径马达提供辅助电源 ;模式 W5利用 1、 2 和 4、 5 为 井下

18、仪供电 ;模式 W6 利用 2 组 3 芯电缆 1、 3、 5 和 2、 4、 6 传输数据 , 其缆芯电阻低 , 传输速度高 , 波段宽 ; 模式 W7 利用缆芯 7 和电缆外皮上传通 信信号 , 如自然电位 SP 信号。目前 Halliburton 公司推出的新型测井系统 IQ 快速测井平台 , 使用了 ADS L 通讯方式 , 该通讯方式对所有外设均分配 IP 地址 , 通过网络进行传输 , 大大提高了性能。4 以上通信方式的比较无论那种通信方式 , 面临的问题都是传输速度、 传输效率以及传输数据的 准确性。几种通信方式对比见表 1 。、国内常用到的测井电缆通信系统1. 基于 Manch

19、ester 码的通讯系统1.1 Manchester码简述曼彻斯特码，也叫数字双相码或分相码，是一个同步时钟技术，被物理层用 来编码一个同步位流的时钟和数据。它是一种超越传统数字传输的信道编码技 术，由于其具有隐含时钟、 去除了零频率信号的特性使得它在石油勘探测井中得 到广泛的应用。在曼彻斯特编码中，每一位的中间有一跳变，位中间的跳变既作时钟信号， 又作数据信号； 从高到低跳变表示 1 ，从低到高跳变表示 0 。曼彻斯特编码是 将时钟和数据包含在数据流中， 在传输代码信息的同时， 也将时钟同步信号一起 传输到对方， 每位编码中有一跳变， 不存在直流分量， 因此具有自同步能力和良 好的抗干扰性能

20、。 但每一个码元都被调成两个电平， 所以数据传输速率只有调制 速率的 1/2 。相比于二进制码的优点：由于曼码采用跳变沿表示 0和 1，波形在每一位元中间都 有跳变，因此具有 丰富的定时信息，便于接收端提取定时信号。而二进制传输，当出现连续的 0 或 1 时，无法区分丙位元之边界。由于曼码在每一位元都有电平的转变，因此传输时无直流分量，可降低系统 功耗。而二进制波形，当出现连续的 1 时，将有直流分量产生。曼码的传输非常适合多路数据的快速切换。1.2 Manchester码数据传输格式Manchester 码传输广泛采用的数据帧格式， 一帧共 20位，其中 3 位同步头， 16位数据位， 1

21、位校验位。数据字字中，同步头 1.5 位元处有一个上跳变；命令 字中，同步头 1.5 位元有一个下跳变。 每帧最后一位为校验位。 曼码采用奇校验。 下图为：系统硬件框图。为减小编码发送端的驱动功率及为了更加适合信号第距离传输， Manchester 码经 RB调制成双极性曼码。下图为：曼码的 RB调制。该系统在实际测井中传输速率为 20kbit/s 时，误码率为 10 负 4 次，在系统 时钟偏差达 30%时仍能可靠地传输数据，抗干扰能力强，性能可靠。1.3 Manchester码在石油测井中有两种典型实现方式1）使用曼码作为仪器串接的内部总线，通过特殊的信号变压器允许多只仪器信 号并接在一条

22、总线上；2）用于点对点的井下通信短节和地面系统之间的通信。曼彻斯特编译码芯片实现方式HD6408，HD6409是 Intersil 公司生产的 Manchester 编译码芯片 其主要 是针对高速异串行总线通信而设计的。在把 NRZ二进制码转换为曼彻斯特码时， 要附加一个同步脉冲和校验位， 解码时， 芯片可以识别这个同步脉冲 并确定是 命令同步还是数据同步 最后数据被解码为 NRZ二进制码并输出。 最后进行奇偶 校验，正确则将有效标志信号置位。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。使用单片机 GPIO用软件完成编译码，适合 M2数据方

23、式，但其缺点明显：不 允许收发中途有中断信号， 另由于时钟精度低于硬件定时， 接收采样的时序调整 比较费力。曼彻斯特码的时序比较复杂， 实现编解码器和单片机的接口需要添加大量的 逻辑电路，给电路设计和调试带来很多困难。采用可编程的 CPLD或 FPGA，可大 大简化这一过程。主控 CPU可以主用少量资源即可完成收发数据。关于 M2，M5的语言实现， Xilinx 公司和 Altera 公司都提供了相应模块， 可 以直接使用。RS232串口实现方式采用数据通过 RS232串口进行发送和接收， 发送前采用实现方式 1 中的编码 方式将每半字节数据扩展到 1 字节后发送： 接收的数据每 1 字节进行

24、每两位的 异或操作得到半字节的解码数据。 该方式一是借鉴了串口通信的便捷性， 二是井 下仪器经传输器后可以通过简单的硬件接口与计算机直接通信， 省掉了系统中地 面处理器， 节省了系统的成本， 三是通过双相编码方式， 兼容了传输线及传输器 对信号频率范围的要求， 三是提高了系统的可操作性， 用户可以在计算机上完成 地面处理器的所有功能。该方式的缺点是实际传输速率是 RS232串口传输速率的一半左右。2. 基于 CAN 总线的数据传输系统2.1 CAN 总线电气特性与通讯距离CAN 总线信号采用差分传输方式， 所有节点 CAN H 连接在一起， CAN L 连 接在一起，当 CANH、CANL 之

25、间电压差 O9V，称“显性(Dominant)， 表示逻辑“ 0，CAN H、CAN -L 之间电压差 O4V，称“隐形 (Recessive)， 表示逻辑“ l”。空闲或隐性位期间，发送隐性位，显性位以大于最小阀值的差分 电压表示。但在实际电路中，总线上传输的电压值与理论值是略有差异的。CAN 总线上任意两个节点之间的最大传输距离与其位速率有关， CAN 总线 通讯距离与通讯速率关系如下比特率1 Mbit/s800 kbit/s500 kbit/s250 kbit/s125 kbit/s50 kbit/s20 kbit/s10 kbit/s5 kbit/s总线长度25 m50 m100 m2

26、50 m500 m 1000 m 2500 m 5000 m 10000 m在低速、短距离、无干扰的场合可以采用普通的双绞线。在高速、长线传输时，则必须采用阻抗匹配(一般为120)的专用电缆STP-120(for RS485 & CAN) one pair 18 AWG)。在干扰恶劣的环境下还应采用铠装型双绞屏蔽电缆 (ASTP-120(for RS485& CAN )one pair 18 AWG)。2.2 基于单片机的 CAN 实现CAN 通讯网络主要由两部分组成：(1)各种数据采集传输节点：单片机、 CAN 控制器、 CAN 驱动器构成 CAN 通讯硬件： CAN 通讯程序完成 CAN

27、通讯软件控制。(2)监控机主节点： PCICAN 通讯卡 PCIl680U 实现主节点监控机与 CAN 通 讯网络硬件接口；基于 VC+ 的 CAN 通讯控制程序完成通讯软件接口。CAN 总线型通讯结构图如下图所示。整个网络工作在 主从方式 下，各个数据采集节点自主的不断进行数据采集， 将采集到的数据存放于数据缓冲区中。主节点根据需要，针对不同实时性要求， 分别对数据采集节点发送询问命令， 数据采集节点在接收到询问命令后， 将采集 到的最新的数据通过 CAN 总线发送到主节点。主节点对采集到的数据进行相应 的处理，完成钻井过程监控的功能。2.3基于 DS P和 F P GA的 1553B总线与

28、 CAN 总线实现（实例借鉴）井下仪器与地面系统之间的通讯需要设计一个完整的信号实时双向通讯系 统，把井下仪器采集的全部地层信息传输到地面， 地面系统给井下仪器供电， 记 录、 解码并处理井下仪器传输到地面的信号以及控制井下仪器的各种状态。通讯接口通过 1 5 5 3 B总线和地面系统通信， 通过 C A N总线和井下工控 机通信。所以， 通讯接口是整个测井系统中的关键部件， 主要完成总线的信息综 合、资源共享任务协调和容错重构。通讯接口框图如图 1 所示，由 1 5 5 3 B调制解调电路、 F P G模块电路、 D S P 模块电路和 C A N 总线控制模块组成， 执行总线通讯协议，正确

29、接收总线 上的曼彻斯特码数据 ，按照规定 的格式发送曼彻斯特 I I 型码，实现 1 5 5 3 B 总线和终端的连接通道的通讯接口功能。2.3.1调制解调模块1 5 5 3 B 总线信号进入接口板后，通过耦合变压器实现电气隔离，防止故障 的传播；通过隔离电阻，主电缆可以短路，从而实现了失效隔离；与直接耦合相 比， 增加了总线抽头的阻抗， 防止了由于反射而引起双绞线上信号畸变。 然后 经过收发器将双电平曼彻斯特码转化为单电平曼彻斯特码进入 FPGA 发送 过程 与之相反。该设计采用的总线收发器，内部具有两路收发 电路分别和耦合变压 器相连，实现双冗余结构。 H I 一 1 5 7 0 P S

30、I 收发器和 P MD B 2 7 2 5 E X 耦合变压器共同组成总线通讯接口的调制解调部分。2.3.2 F P GA 模块F P G A 模块完成 1 5 5 3 B 总线上数据的发送和接收、曼彻斯特码的调制与 解调、 串并和并串转换 、同步头的产生与检测、 状态字的自动响应以及错误检 测等功能。时钟模块： 将输入的时钟分频为编码时钟 、解码时钟、写 F I F O 的读时 钟和读 F I F O的写时钟。接收数据流程： 曼彻斯特 I I 型码经过调制解调电路， 变为 r I T I 1 L 电 平数字信号进入 F P G A，在 F P G A中经解码模块解码成包含 1 6位数据、 一

31、 位区分状态字 命令字的数据位和一位奇偶校验位的 1 8 位数据 ， 存人 1 8 位的读 F I F O中，经1 8变1 6位转换模块变成 1 8位数据分 2次送给D S P 设 置三位寄存器 X A， 当X A为0 0 0时把 1 6 位数据送 给输出 Q；当X A为0 0 1 时把 1 8 位数据中的后两位送给输出 Q 发送数据流程根据 X A _ 0 的状态将 2次接收到的 D S P分别发送来的 1 6 位数据转换成包含命令类型、 奇偶位和 1 6 位数据的 l 8 位数据存入 1 8 位的 写 F I F O 模块，并设置空、满标志位，供编码控制模块调用。编码控制模块根 据编码模块

32、的状态和写 F I F O 中有无待编数据， 即 t x b u s y 非忙， e m p t y非空时，从 WF I F O 中读取待编数据送给编码器， 并设置命令状态字和数据 字端口。编码模块根据命令状态字和数据字端 口状态，编写命令字、状态字和 数据字，在编码控制模块控制下由编码控制器生成单电平曼彻斯特码 ，经调制 解调电路送至 1 5 5 3 B总线。编码过程中置位 t x _ b u s y ， 编码完成后复位。2.3.3 D S P 接口模块该部分是通讯接口系统的核心部分， D S P 模块通过多通道 高速缓冲串口M c b s p 与 F P G A相连，在一个既定的协议下能够

33、实现 C A N总线系统与 1 5 5 3 B总线系统的信息交互，同时满足两总线系统对实时性的要求。 D S P和 F P G A 的连接如图 2 所示。D S P提供读使能信号 R E、写使能信号 WR 、地址信号 A O A 3 D S P 和 F P G A 之间的辅助控制信号还有： 读、 写 F I F O 空满标志信号 R F U L L 0 1 和 WF U L L 0 1 ， 高电平有效； 接收曼码合理信号 D V A L ，低电平有效； 读数据顺序信号 X A 0 2 ，根据其状态分 2次把 F P G A 解码的 l 8 位数据读入 ； 写数据顺序信号 X A O 0 - 2

34、 ， D S P 写数据时根据发送的不同数据设置不同的状态供 F P G A接收。D S P 模块主要完成 2 个功能 ： 把 1 5 5 3 B 总线来的数据转换成 C A N 总线的帧结构， 或者相反； 把 1 5 5 3 B 总线来的命令解析 ， 转换成 C A N 总线系统的命令并组成 C A N 的帧结构发送。具体过程： D S P根据 X A 的状态分 2次将经过 l 8 变 1 6位转换模块变 成的 1 8位数据读入， 经 D S P总线协议转换模块按照井下仪器通讯协议处理 后的数据， 通过 D S P内嵌的 C A N 总线控制模块中的 C A N T X C A N R X

35、接 口送给工控机对井下仪器进行控制。 同时 D S P 根据接收到的命令， 读取 井下仪器通过 C A N 总线模块传输来的采集信息并按照总线通讯协议处理为 l 6位数据送给 F P G A 这种通过 D S P与 F P G A共同实现总线协议的方法 ， 可以在接收完 1 5 5 3 B总线数据后直接触发总线转换程序， 从而减少单独采用 1 5 5 3 B 协议芯片时对 D S P 的数据中断请求时间， 更好地满足了控制系统的 实时性要求。2.3.4 C A N 总线模块C A N总线模 块 由 D S P内嵌 的 总线控 制模块、 收发器 S N 6 5 H V D 2 3 1 Q 和高速

36、光耦 H C P I _ 5 6 0 1 组成。硬件电路如图 。T M S 3 2 0 F 2 8 1 2 中内嵌的 C A N 总线控制模块主要由 C A N 协 议内核 和消息控制器构成。 C A N 协议内核主要完成把从 F P G A 读人的总线消息解 码并向接收缓冲发送解码后的消息， 同时根据 C A N 总线协议向 C A N 总线上 发送消息； 消息控制器决定接收到消息的取舍， 如果描述符通过验收滤波器 ， C A N 控制器将 C A N 总线上的描述场和数据场顺序存入空的缓存器中， 并向 D S P发送中断请求 ， D S P响应中断，把 C A N 缓存器中的数据取出。3.

37、 RS-485 信号超长距离通讯解决方案3.1 RS-422 与 RS-485 简介RS-422、RS-485 与 RS-232 不一样，数据信号采用差分传输方式，也称作平 衡传输，它使用一对双绞线，将其中一线定义为 A ，另一线定义为 B。通常情况 下，发送驱动器 A、B 之间的正电平在 2 6V ，是一个逻辑状态，负电平在-2V6V ， 是另一个逻辑状态。另有一个信号地 C，在 RS-485 中还有一 “使能 ”端，而在 RS-422 中这是可用可不用的。 “使能 ”端是用于控制发送驱动器与传输线的切断 与连接。当 “使能”端起作用时，发送驱动器处于高阻状态，称作 “第三态 ”，即它 是有

38、别于逻辑 “1与”“0”的第三态。由于 RS-485 是从 RS-422基础上发展而来的， 所以 RS-485 许多电气规定与 RS-422 相仿。如都采用平衡传输方式、都需要在 传输线上接终接电阻等。RS-485 可以采用二线与四线方式，二线制可实现真正的多点双向通信。 RS-485 总线，在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用 RS-485 串行总 线标准。 RS-485 采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加 上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至 200mV 的电压，故传输信号能在千米 以外得到恢复。RS-485 采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因

39、此， 发送电路须由使能信号加以控制。 RS-485 用于多点互连时非常方便，可以省掉 许多信号线。应用 RS-485 可以联网构成分布式系统，其允许最多并联 32 台驱 动器和 32台接收器。 RS-485与RS-422的不同还在于其共模输出电压是不同的， RS-485是-7V 至 12V 之间，而RS-422在-7V 至 7V之间;RS-485满足所有 RS-422 的规范，所以 RS-485 的驱动器可以用在 RS-422网络中应用。RS-485与 RS-422一样，其最大传输距离约为 1219米，最大传输速率为 10M 。平衡双绞线的长度与传输速率成反比， 在 100K 速率以下， 才可

40、能使用规定最长 的电缆长度。 只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。 一般 100 米长双绞线 最大传输速率仅为 1M 。3.2 RS-485 规范的缺陷RS-485 规范先天的缺陷，就是它的电气标准的限制，导致 RS-485 信号只能 进行主、从结构的轮询方式通讯，通讯的实时性和可靠性稍差 。同时在 RS-485 网络中，当系统有错误， 出现多节点同时向总线发送数据时， 导致总线呈现短路， 从而 损坏某些节点的现象 。虽然 RS-485也是总线制通讯方式， 但它的通讯距离也只在 1200 米左右而形 成信号的衰减，通常情况下，系统需要另外串接 RS-485 的光电隔离中继器来做 信号放大，

41、如果距离更远，那么 RS-485 中继器就需要像 “接力棒”一样，在每个 RS-485信号衰减处，安装 RS-485光隔中继器来解决信号传输问题。 但这种解决 方案有个重要的问题需要解决，因为每加一个 RS-485 的光电隔离中继器，那么 都需要在串接电给中继器载入用以驱动的外接电源。 但各种各样的应用中， 并不 是每个衰减点有可能方便的接入电源（比如在煤矿的井下系统） 。基于这个现状，会有用户采用光纤通讯的方式。但这个方案明显存在着布线 昂贵，接口设备通常价格也比较高的问题。3.3 RS-485 信号超长距离通讯解决方案原理现提供一个 RS-485 在以双绞线作为通讯介质，半双工通讯、低速率

42、模式下， 可以将 RS-485信号传送 10 公里以内的解决方案。此方案不仅可以解决 RS-485 点对点通讯，而且还可以组成带有节点的总线 制结构，此种通讯方式和通常的 RS-485总线类似，在网络中每个挂有 RS-485 hort Haul Modem 的 RS-485 接口设备，与上位主控计算机以轮询的方式通讯。其核心原理就是将 RS-485或是 RS-232电平转换成为 CAN (Controller Area etwork)总线电平，远端的 RS-485 hort Haul Modem 或 RS-232 hort Haul Modem, 再由 CAN 电平转换成为 RS-485电平或 RS-232 电平，从而完成了 RS-485 或是 RS-232 信号的超远距离传输。因为众所周知， CAN 总线具有突出的可靠性、实 时性和灵活性。CAN 总线通过 CAN 控制器接口芯片 82C250的两个输出端 CANH 和 CANL 与物理总线相连， 而 CANH 端的状态只能是高电平或悬浮状态， CANL 端只能是低电平或悬浮状态。这就保证不会出现象在 RS-485 网络中，当系统有 错误，出现多节点同时向总线发送数据时， 导致总线呈现短路， 从而损坏某些节 点的现象。而且 CAN 节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总 线上其他节点的操作不受影响， 从而保证不会