基于ISA 總線的工業(yè)控制系統(tǒng)接口電路設(shè)計方案

　　0 引言

　　脈沖中子氧活化測井水流儀地面系統(tǒng)的主要功能：

　　接收井下儀器上傳的信號，解析數(shù)據(jù)并上傳至上位機；同時，接收上位機下發(fā)指令，并發(fā)送給井下儀器。本文是對傳統(tǒng)氧活化測井儀地面系統(tǒng)的改進，該系統(tǒng)提供ISA 總線接口規(guī)范，可實現(xiàn)與系統(tǒng)的快速配接，若用戶需要完成不同系列儀器配接時，只需要在前面板盤模組處更換相應(yīng)的板卡和相應(yīng)的軟件界面。即可實現(xiàn)不同儀器的配接。

　　1 脈沖氧活化測井原理

　　脈沖氧活化測井是一種測量水流速度的方法。由雙脈沖熱中子衰減時間測井技術(shù)發(fā)展起來的動態(tài)測量技術(shù)，其核心是用高能脈沖中子激活氧原子并引發(fā)多種核反應(yīng)，其一為氧活化反應(yīng)。激發(fā)態(tài)下的氧原子釋放出高能伽馬射線，通過探測伽馬射線時間譜，來反映油管內(nèi)、油管/套管環(huán)型空間、以及套管外含氧物質(zhì)特別是水的流動狀況。根據(jù)儀器源距就可計算出水流速度，在管徑已知且不變的條件下，可以計算出水流流量?？捎糜跈z查射孔井段封堵、半段井下工具位置、檢查配注井漏點位置、檢查井下工具工作狀況和套管竄槽位置等。脈沖中子氧活化測井儀結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。

　　脈沖中子氧活化測井儀地面系統(tǒng)，主要是對井下中子管的工作狀態(tài)進行控制，以得到合適的中子發(fā)射周期和中子產(chǎn)額。為此需要控制的參數(shù)有陽極脈沖的時序、燈絲電壓的幅度、靶壓的幅度等。需要監(jiān)測的信號有儀器纜頭電壓、燈絲電流、靶壓幅度、四個探測器的計數(shù)等。

　　2 系統(tǒng)硬件

　　氧活化測井地面系統(tǒng)主要由地面系統(tǒng)控制電路和ISA總線控制電路兩部分構(gòu)成。

　　2.1 地面系統(tǒng)控制電路

　　地面系統(tǒng)與井下儀器通過電纜實現(xiàn)雙向通信，地面系統(tǒng)由信號接收和下發(fā)命令兩個模塊構(gòu)成，通過主單片機和次單片機的基本系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲、總線收發(fā)、上傳信號前端處理以及下發(fā)命令后端處理等電路實現(xiàn)。其中，主單片機主要用于數(shù)據(jù)處理、指令下發(fā)與上位機通信等控制操作，而次單片機用于幀同步校驗及顯示。主單片機以50 ms的幀周期工作，通過片內(nèi)通信D0~D3,FR（幀同步），SYNC1（字節(jié)同步）與次單片機通信，得到溫度、壓力、節(jié)箍、自然伽馬、Iw等上傳的數(shù)據(jù)值，并通過電路調(diào)解出的PCM命令并對其命令解釋，將有效的數(shù)據(jù)上傳至上位機進行下一步處理；同時，將上位機所下發(fā)的命令以PCM方式編碼并輸出A（正脈沖）、B（負脈沖）信號，將該信號通過驅(qū)動電路送至電纜，并下發(fā)給井下儀器。

　　井下儀器上傳信號經(jīng)過變壓器T3-T4端口接收，為了消除電纜電荷的積累，所有的脈沖信號均隔一個正脈沖和一個負脈沖發(fā)出，因此，接收到的脈沖信號經(jīng)過濾波、整流電路后，得到正脈沖。前端處理電路如圖2所示，其工作原理如下：首先，對該正脈沖進行信號放大處理。其次，由于傳輸過程中的干擾，使得上傳信號產(chǎn)生畸形，因此，需對其進行脈沖信號整形。為了恢復(fù)信號的幅度，需要將放大的信號進行電壓比較，通過調(diào)節(jié)電位器消除傳輸過程中帶來的畸形脈沖，從而得到與上傳信號一致的脈沖序列。再次，將該脈沖經(jīng)過74LS221脈沖整形電路，根據(jù)外圍器件RC參數(shù)從而恢復(fù)脈沖信號的脈寬。經(jīng)過前端處理電路處理過的信號SIGD,通過串口線發(fā)送給上位機進行軟件校對、數(shù)據(jù)采集等工作。

　　同時，上傳信號SIGD 作為主單片機INT1 的觸發(fā)脈沖，配合T0調(diào)用中斷命令，并將上傳的數(shù)據(jù)通過鎖存器存入雙端口RAM中。

　　后端處理電路工作原理如下：上位機下發(fā)的執(zhí)行命令由ISA 總線傳輸給總線收發(fā)器，通過控制總線收發(fā)器，可將執(zhí)行命令存入雙端口RAM中，等待主單片機的R-D- 信號將執(zhí)行命令送至主單片機進行操作。與此同時，下發(fā)命令通過從單片機進行校驗，信號從其P1端口發(fā)出，經(jīng)過DIP 開關(guān)整合得到復(fù)合命令（CM+CMT），將此復(fù)合命令送至主單片機的P2.6 和P2.7 口。其中，主單片機的P1.0和P1.1端口分別作為定時計數(shù)器T2的外部計數(shù)器和外部控制器，對外發(fā)送執(zhí)行命令。為了降低傳輸功耗，下發(fā)命令以正負脈沖A、B 的形式發(fā)出。該A、B 脈沖信號經(jīng)限幅、電平轉(zhuǎn)換電路得到TTL脈沖，并在驅(qū)動電路的作用下，由變壓器的T5-T6-T8 端口發(fā)送給井下儀器執(zhí)行命令。下發(fā)命令后端處理電路原理圖，如圖3所示。

　　2.2 ISA總線控制電路

　　氧活化測井儀地面系統(tǒng)的系統(tǒng)總線采用ISA 總線實現(xiàn)，地面系統(tǒng)與上位機之間通過ISA總線交換數(shù)據(jù)的實現(xiàn)方法為共用單片機系統(tǒng)外部數(shù)據(jù)存儲器與靜態(tài)數(shù)據(jù)傳送相結(jié)合的方法。