CN107809361B - 一种随钻井下仪器的通用协议转换装置 - Google Patents

一种随钻井下仪器的通用协议转换装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种随钻井下仪器的通用协议转换装置，包括，信号隔离电感、DC/DC转换器、测量仪器的供电开关、测量仪器的供电电流检测单元、数据处理单元、中央控制单片机、CAN总线收发器和485总线收发器；有益效果是，通过本发明的通用协议转换装置，在采用曼切斯特编码方式的主控设备与井下采用485/CAN总线的测量设备之间直接实现通讯连接。为了降低功耗，既可根据需求控制测量设备的供电，当测量仪器出现故障或电流过大时，也可以切断测量仪器的供电与通讯，保证测量仪器的故障不会对整个井下仪器产生影响；可以降低测量仪器的设计难度，也便于井下测量仪器开发和调试，本装置转换速度快，扩展性好，具有很大的实用意义。

Description

一种随钻井下仪器的通用协议转换装置
技术领域
本发明涉及油气钻井随钻井下仪器与地面之间，以及随钻井下仪器之间的通讯技术领域，特别涉及采用曼切斯特编码方式的仪器与采用485/CAN总线通讯方式的测量仪器之间的通讯，实现对随钻井下仪器各测量仪器的通讯连接。
背景技术
工业现场及仪器间的数据通讯可采用多种协议来完成，油气钻井随钻测量仪器采用曼切斯特编码方式使用较多，这种方式一般采用单芯总线来完成通讯和电源的连接，简化了仪器间的机械与电器连接，但是，在测量仪器设计时，大多采用通用的串口来完成和其他测量仪器的通讯，比如，485总线，CAN总线等。为便于将采用485/CAN总线的测量仪器挂接到采用曼切斯特编码方式的随钻井下其他仪器中，通用协议转换装置是一个必要的组成部分。目前，市场上迫切需求直接可采用的通用协议转换装置产品。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种直接可采用的随钻井下仪器通用协议转换装置。
本发明所采用的技术方案是，一种随钻井下仪器的通用协议转换装置，包括，信号隔离电感、DC/DC转换器、测量仪器的供电开关、测量仪器的供电电流检测单元、数据处理单元、中央控制单片机、CAN总线收发器和485总线收发器；曼切斯特码单芯总线一路通过所述的数据处理单元与中央控制单片机相互电连接，曼切斯特码单芯总线的另一路通过信号隔离电感与DC/DC转换器电连接，DC/DC转换器提供给本发明工作所需的低压电源，所述的隔离电感还通过测量仪器的供电开关和测量仪器的供电电流检测单元为井下测量仪器提供电力，测量仪器的供电开关、测量仪器的供电电流检测单元分别与中央控制单片机电连接，中央控制单片机分别与CAN总线收发器、485总线收发器电连接。
所述的数据处理单元，包括，曼切斯特码通讯变压器、曼切斯特码信号驱动器、曼切斯特码信号鉴别器和曼切斯特编码/解码单元，所述的曼切斯特码通讯变压器通过曼切斯特码信号鉴别器与曼切斯特编码/解码单元电连接，曼切斯特编码/解码单元还通过曼切斯特码信号驱动器与曼切斯特码通讯变压器电连接，曼切斯特编码/解码单元与中央控制单片机之间以SPI总线方式通讯。
所述的中央控制单片机采用的集成电路是STM32F042 32位ARM控制器， DC/DC转换器采用36S5V0和36S3V3模块，测量仪器的供电电流检测单元采用的集成电路U7是MAX4080，曼切斯特码信号驱动器采用的三极管Q1、Q2，三极管Q1、Q2组成推挽功放，曼切斯特码信号鉴别器采用的集成电路U3是MAX485，曼切斯特码编码/解码单元采用的集成电路U2是MACHESTER模块，CAN总线收发器采用的集成电路U6是TJA1050，485总线收发器采用的集成电路U4是MAX485。
本发明的有益效果是，通过本发明基于单片机组成的随钻井下仪器通用协议转换装置，在采用曼切斯特编码方式的主控设备与井下采用485/CAN总线的测量设备之间直接实现通讯连接。为了降低功耗，既可根据需求控制测量设备的供电，同时，当测量仪器出现故障或电流过大时，也可以切断测量仪器的供电与通讯，保证测量仪器的故障不会对整个井下仪器产生影响；通过本专用协议转换仪器，可以降低测量仪器的设计难度，也便于井下测量仪器开发和调试，本装置转换速度快，扩展性好，具有很大的实用意义。
附图说明
图1为本发明通用协议转换装置在随钻测井仪器中的位置示意图；
图2为本发明通用协议转换装置的组成结构框图；
图3为本发明通用协议转换装置的数据处理单元组成框图；
图4为本发明通用协议转换装置的电原理图。
图中：
1、通讯主控设备 2、通用协议转换装置
3、井下测量仪器 4、信号隔离电感
5、DC/DC转换器 6、供电开关
7、电流检测 8、曼切斯特码通讯变压器
9、曼切斯特码信号驱动器 10、曼切斯特码信号鉴别器
11、曼切斯特编码/解码单元 12、中央控制单片机
13、CAN总线收发器 14、485总线收发器
15、数据处理单元。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
图1为本发明通用协议转换装置在随钻测井仪器中的位置示意图；如图1所示，先明确本发明随钻井下仪器的通用协议转换装置2在随钻仪器测量系统中的连接与位置关系，随钻仪器测量系统一般包括，通讯主控设备1、通用协议转换装置2和井下测量仪器3；通讯主控设备1通过通用协议转换装置2与井下测量仪器3电连接。通讯主控设备1可以是井下中央控制器，也可以是地面接口箱，作为通讯传输的控制方和发起方；通用协议转换装置2即为本发明装置；井下测量仪器3可以是电阻率参数测量仪器、伽马参数测量仪器、压力参数测量仪器、密度孔隙度测量仪器、井斜方位测量仪器等。
通用协议转换装置2将通讯主控设备1发送的命令或数据转换为测量仪器可以识别的数据流，并通过CAN/485总线转发给井下测量仪器3；协议转换装置也将井下测量仪器3响应的数据流转换为通讯主控设备1可以识别的数据流，并通过曼切斯特单芯总线转发给通讯主控设备1；通用协议转换装置2也为井下测量仪器3分离出供电电源。
图2为本发明通用协议转换装置的组成结构框图；如图2所示，本发明随钻井下仪器的通用协议转换装置，包括，信号隔离电感4、DC/DC转换器5、测量仪器的供电开关6、测量仪器的供电电流检测单元7、数据处理单元15、中央控制单片机12、CAN总线收发器13和485总线收发器14，曼切斯特码单芯总线一路通过所述的数据处理单元15与中央控制单片机12相互电连接，曼切斯特码单芯总线的另一路通过信号隔离电感4与DC/DC转换器5电连接，DC/DC转换器5提供给本发明工作所需的低压电源，所述的隔离电感4还通过测量仪器的供电开关6和测量仪器的供电电流检测单元7为井下测量仪器3提供电力，测量仪器的供电开关6、测量仪器的供电电流检测单元7分别与中央控制单片机12电连接，电流检测单元7检测井下测量仪器3的电流损耗，并提供给中央控制单片机12进行数据采集，用于判断和控制供电开关6接通与断开的状态。中央控制单片机12分别与CAN总线收发器13、485总线收发器14电连接。
图3为本发明通用协议转换装置的数据处理单元组成框图；如图3所示，数据处理单元15，包括，曼切斯特码通讯变压器8、曼切斯特码信号驱动器9、曼切斯特码信号鉴别器10、曼切斯特编码/解码单元11（通过FPGA实现），所述的曼切斯特码通讯变压器8通过曼切斯特码信号鉴别器10与曼切斯特编码/解码单元11电连接，曼切斯特码信号通过通讯变压器8被曼切斯特码信号鉴别器10转换为NRZ信号提供给曼切斯特码编码/解码单元11进行解码；曼切斯特码编码/解码单元11编码产生的NRZ曼切斯特码信号通过曼切斯特码信号驱动器9推挽驱动曼切斯特码通讯变压器8后，将曼切斯特码信号传送至曼切斯特码单芯总线；曼切斯特编码/解码单元11还通过曼切斯特码信号驱动器9与曼切斯特码通讯变压器8电连接；曼切斯特编码/解码单元11和中央控制单片机12之间以SPI总线方式通讯，它们之间的握手采用中断方式实现，当曼切斯特编码/解码单元11解码出总线传送的曼切斯特码信号后，给中央控制单片机12发送中断请求，中央控制单片机12通过SPI接口接收到的曼切斯特码信号。
图4为本发明通用协议转换装置的电原理图；如图4所示，中央控制单片机12采用的集成电路是STM32F042 32位ARM控制器，该集成电路为32位闪存微控制器，基于ARMCortex-M3 内核，大幅度提高的中断响应，并且低功耗、低电压，DC/DC转换器5采用36S5V0和36S3V3模块，测量仪器的供电电流检测单元7采用的集成电路U7是MAX4080，曼切斯特码信号驱动器9采用的三极管Q1、Q2，三极管Q1、Q2组成推挽功放，曼切斯特码信号鉴别器10采用的集成电路U3是MAX485，曼切斯特码编码/解码单元11采用的集成电路U2是MACHESTER模块，CAN总线收发器13采用的集成电路U6是TJA1050，485总线收发器14采用的集成电路U4是MAX485。
中央控制单片机12不仅控制供电开关6，还在本地存储参数数据，并将数据转换为CAN/485总线命令，并通过CAN总线收发器13和485总线收发器14将命令/数据传送给井下测量仪器3，井下测量仪器3传送的CAN/485通讯数据，通过CAN总线收发器13和485总线收发器14被中央控制单片机12接收到，通过SPI接口传送给曼切斯特编码/解码单元11，当曼切斯特编码/解码单元11完成编码并将该数据传送出去后也产生中断通知中央控制单片机12数据已发送完成。
通过本发明基于单片机组成的随钻井下仪器通用协议转换装置，在采用曼切斯特编码方式的主控设备与井下采用485/CAN总线的测量设备之间直接实现通讯连接。为了降低功耗，既可根据需求控制测量设备的供电，同时，当测量仪器出现故障或电流过大时，也可以切断测量仪器的供电与通讯，保证测量仪器的故障不会对整个井下仪器产生影响；通过本专用协议转换仪器，可以降低测量仪器的设计难度，也便于仪器开发和调试，提高了井下测量仪器的可靠性，本装置转换速度快，扩展性好，具有很大的实用意义。
值得指出的是，本发明的内容并不局限在上述的实施例中，相同领域内的有识之士可以在本发明的技术指导思想之内可以轻易提出其他的实施例，都包括在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种随钻井下仪器的通用协议转换装置，其特征在于，包括，信号隔离电感（4）、DC/DC转换器（5）、测量仪器的供电开关（6）、测量仪器的供电电流检测单元（7）、数据处理单元（15）、中央控制单片机（12）、CAN总线收发器（13）和RS485总线收发器（14）；曼切斯特码单芯总线一路通过所述的数据处理单元（15）与中央控制单片机（12）相互电连接，曼切斯特码单芯总线的另一路通过信号隔离电感（4）与DC/DC转换器（5）电连接，DC/DC转换器（5）提供给本发明工作所需的低压电源，所述的隔离电感（4）还通过测量仪器的供电开关（6）和测量仪器的供电电流检测单元（7）为井下测量仪器（3）提供电力，测量仪器的供电开关（6）、测量仪器的供电电流检测单元（7）分别与中央控制单片机（12）电连接，中央控制单片机（12）分别与CAN总线收发器（13）、RS485总线收发器（14）电连接。
2.根据权利要求1所述的随钻井下仪器的通用协议转换装置，其特征在于，所述的数据处理单元（15），包括，曼切斯特码通讯变压器（8）、曼切斯特码信号驱动器（9）、曼切斯特码信号鉴别器（10）和曼切斯特编码/解码单元（11），所述的曼切斯特码通讯变压器（8）通过曼切斯特码信号鉴别器（10）与曼切斯特编码/解码单元（11）电连接，曼切斯特编码/解码单元（11）还通过曼切斯特码信号驱动器（9）与曼切斯特码通讯变压器（8）电连接，曼切斯特编码/解码单元（11）与中央控制单片机（12）之间以SPI总线方式通讯。
3.根据权利要求1或2所述的随钻井下仪器的通用协议转换装置，其特征在于，所述的中央控制单片机（12）采用的集成电路是STM32F042 32位ARM控制器， DC/DC转换器（5）采用36S5V0和36S3V3模块，测量仪器的供电电流检测单元（7）采用的集成电路（U7）是MAX4080，曼切斯特码信号驱动器（9）采用的三极管Q1、Q2，三极管Q1、Q2组成推挽功放，曼切斯特码信号鉴别器（10）采用的集成电路（U3）是MAX485，曼切斯特码编码/解码单元（11）采用的集成电路（U2）是MACHESTER模块，CAN总线收发器（13）采用的集成电路（U6）是TJA1050，RS485总线收发器（14）采用的集成电路（U4）是MAX485。
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