随钻仪器通讯接口电路设计与仿真

章春来，赵 毅，刘海波，王海琦

（大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院钻井仪器研究所，黑龙江 大庆 163413）

随钻仪器所处的环境比较复杂，如地温随井深增加而升高、钻进过程中的强烈震动、随钻仪器开关噪声、仪器可利用电能有限、可用体积小。随钻测量模块与随钻仪器串控制中枢的通讯均采用电力线载波通信方式，主要是考虑到电力线载波通讯线路的稳定性、无需进行额外布线的特点，但是电力载波通信还具有时变性、频率选择性等固有特点，使其在具体应用中还存在很多问题等待解决。

电力载波通信具体实现就是：发送端将信号加到高频电流上，再将高频电流加到低频（或直流）电源上，接收端将高频信号取出后进行解调，得到所需要的通讯信号。通讯部分的可靠性将直接影响到系统测量数据传输的准确性，进而对井眼轨迹控制人员的判断产生直接影响。

本设计通讯接口板的功能是提供仪器内部总线（RS232）与外部仪器串总线（电力线载波通讯线—供电电源线）之间的无延迟接口通讯。

1 通讯接口板硬件电路设计

通讯接口板是作为模块内部总线与井下仪器串总线的媒介存在的。通讯接口板有两个功能，一个是将信息通过FPGA 进行数字调制，变换成频移键控信号之后再由驱动器将信号放大，最后耦合到井下仪器的主供电电源线上实现调制功能；另一个是将主供电电源线上的信号取出，信号调理后变成频移键控信号输入到FPGA，由FPGA进行解调后输出到内部总线上，实现解调功能。通讯接口板硬件电路框图如图1所示。

图1 通讯接口板硬件电路框图

由于内部总线只有一根线，主供电电源线也只有一根，所以它们都是半双工通讯。在设计时，要注意信号方向性问题。在内部总线来信号时，FPGA对信号进行调制，之后将信号驱动放大并耦合到主供电电源上。在信号耦合到电源线上的同时，FPGA会看到主供电电源上有信号出现。如果FPGA机械地将电源线上的调制波解调到内部总线上，那么就有两个信号同时输出到内部总线上，即出现了总线冲突。所以，FPGA的设计要考虑半双工通讯问题，即信号在任何时刻都只能向一个方向传送。数据校验由CPU或MPU进行，FPGA不做判断。设计中利用FPGA的功能强、功耗低、信号处理延迟时间极短的特点，采用FPGA实现逻辑电路，外围采用模拟信号调理方法实现通讯电路板的设计。

2 FPGA的逻辑功能设计

FPGA与外围硬件电路的连接关系如图2所示，其中的所有内部逻辑均为高电平有效。

图2 通讯接口板FPGA与外围电路的连接

FPGA与外围硬件的连接信号主要有：

（1）向主供电电源线传送的调制信号：从内部总线接收到的信号经过FPGA 的调制输出到驱动电路（信号驱动），然后再耦合到电源线上；

（2）从主供电电源线接收到的信号：主供电电源是直流电源，主供电电源线上耦合有上位机的数据、地址、控制信号。将该信号提取后还要经过信号调理（电源信号调理电路完成）才能输出到FPGA；

（3）内部总线信号：内部总线是单线半双工的，接口电路的FPGA 一侧有两根线，而在另一侧连接在一起接到内部总线上。

2.1 总线监听逻辑

总线监听逻辑完成的功能是监视内部总线和供电电源线上是否有需要传送的数据出现。在两个总线上出现下降沿时输出高电平，并保持一个时钟周期。总线监听逻辑的输出作为调制和解调逻辑开始工作的标志。在下降沿检测逻辑之前加入一级缓冲有时钟同步和一定的滤波作用，波形输出的时间由时钟进行控制，实现同步逻辑时序。

总线监听逻辑输入的缓冲有一定的滤波作用，这就要求信号输入前要进行处理，本次设计使用抗干扰能力强的施密特触发器作为信号调理的一部分，对提取出来的载波信号进行整形，以消除噪声干扰。

2.2 通讯方向判决逻辑及时序仿真

通讯方向判决逻辑是为了避免总线数据冲突而设计的。该逻辑监视总线上的数据传送完成程度，并对双向数据传送的有效性作判决，还兼有为上电、复位设置FPGA初始状态的功能。

在内部总线有数据需要发送到外部总线上时，需要先判断外部总线上是否还有数据传送未完成，只有在外部总线空闲时间里才可以取得总线控制权并开始向外部总线转发数据，如果外部总线忙就忽略这个数据，等待下一次数据重发。数据从外部总线向内部总线传送的操作与内部总线向外部总线传送数据的操作相同。

2.3 信号调制逻辑及时序仿真

信号调制逻辑负责把内部总线上的数据信号调制成可以耦合到电源上的频移键控信号。调制是通过对时钟信号进行分频实现的，即通过对时钟信号计数完成信号的调制。逻辑1和逻辑0调制所用的计数器是同一组计数器，频率由RS232信号直接控制，避免了瞬间频率变化引发的计数器状态突变，从而降低了噪声干扰。在信号调制过程中必然会出现某位数据为完成调制时，下一位数据就已到达的情况，这就会使调制信号出现频率变大或变小的问题，在设计解调逻辑时已充分考虑。

2.4 信号解调逻辑及时序仿真

信号解调逻辑是通过对数字频率调制波的周期与时钟周期的比值来实现解调。

3 通讯的稳定性

在发送端信号出现跳变时，会出现调制或解调的误判。这是由于调制、解调的实现都是通过对外部振荡器进行计数来完成的。总线支持这些信号的传送，原因是总线信号的采样方式是多次采样，以多数采样结果为准，所以，数据转发全过程在时序方面没有冲突。在进行逻辑电路设计时主要采用同步时序设计，有效地避免了逻辑电路的竞争冒险，大幅提高了逻辑电路的稳定性。在设计过程中考虑到噪声干扰问题，已使用施密特比较器提高信噪比，在解调逻辑中加入了信号有效性判断功能，使逻辑电路能在复杂环境下可靠的实现通讯接口功能。通信双方对每位数据均有三次采样动作，以多数采样值结果作为有效结果。

由于通讯接口板的功能是实现外部总线（电力线）和内部总线之间的无缝连接，所以通讯双方有一定的校验措施。

4 结论

调制解调功能、通讯方向判决功能、帧占用总线计时功能等已得到实现，为硬件的测试奠定基础。

本设计在硬件实验中，可以兼容目前钻井用仪器，从而达到逐步国产化的目的，有利于生产成本的减少和缩短仪器维修周期。