CN108923826A - 一种石油钻井仪器电源线载波通讯电路 - Google Patents
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Abstract
一种石油钻井仪器电源线载波通讯电路，其特征在于：包括依次连接的控制处理单元、功率放大单元、信号耦合单元、信号滤波整形单元一、信号解调单元，以及电源管理单元，单总线用户通过串口通讯连接控制处理单元，信号耦合单元连接单总线，电源管理单元也连接单总线；电源管理单元用于给所述的通讯转换电路供电，单总线还连接阻波器。该电路具有设计简单、体积小、工作可靠、控制灵活的特点，从而适用于更加恶劣的工作环境及提高正确传输性能。
Description
技术领域
本发明属于石油钻井仪器的井下通讯领域，涉及一种石油钻井仪器电源线载波通讯电路，针对井下钻井仪器各部件之间的单总线通讯。
背景技术
在井下较严酷环境下的信号通讯场合，石油钻井仪器井下各部件间的数据传输，由于结构等方面的限制因素，其实现具有很高的难度。国外随钻测井井下设备间的传输通常选用单根总线方式，采用设备外壳作为公共地，设备间只有一根连接线缆，同时具有供电和数据传输功能。单总线方式的采用，使设备间的连接线缆只有一根，大大降低了结构上实现的难度，而相比于无线传输方式，又具有设计简单，传输稳定、可靠的优点。目前在国内石油仪器中尚没有采用这种先进技术，从而在一定程度上限制了国内随钻测井仪器的开发。因此，本申请提出了一种单总线通讯电路，该装置主要针对应用于井下钻井仪器各部件之间的单总线通讯。
发明内容
本发明为弥补现有技术的不足，提供一种结构简单、工作可靠、控制灵活且便于升级的石油钻井仪器电源线载波通讯电路。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种石油钻井仪器电源线载波通讯电路，其特征在于：包括依次连接的控制处理单元、功率放大单元、信号耦合单元、信号滤波整形单元一、信号解调单元，以及电源管理单元，单总线用户通过串口通讯连接控制处理单元，信号耦合单元连接单总线，电源管理单元也连接单总线；电源管理单元用于给所述的通讯转换电路供电，单总线还连接阻波器。
信号解调单元采用锁相环，锁相环输出端经信号滤波整形单元二连接单总线用户。
当通讯转换电路处于发送数据状态时，单总线用户将要发送的数据通过串口发送给控制处理单元，控制处理单元利用其PWM调制（脉冲宽度调制）功能，将要发送的数据变换为对应的载波频率信号输出，此频率信号经电平调理及功率放大单元进行功率放大处理后送给信号耦合单元，将发送信号输送到单总线上；
当通讯转换电路处于接收数据状态时，单总线上的传输信号通过信号耦合单元输入，首先由信号滤波单元对此输入信号进行带通滤波，然后通过信号解调单元将载波频率信号转换为对应数据的电压信号，控制处理单元采样后，进行数字滤波处理，得到原始数据，并将此数据通过串口发送给单总线用户。
控制处理单元采用单片机。
单片机采用MSC1210Y5，单片机的44脚经电阻R46和开关接地，13脚经电阻R47和二极管D3连接在电阻R46和开关之间；13脚连接芯片MAX824EUK，该芯片还连接10脚；2脚连接芯片ZA515-11.0592M；6脚和9脚分别连接功率放大单元；3脚、4脚经485通讯电路连接单总线用户，或者59、60脚连接单总线用户。
功率放大单元，包括U5芯片，该芯片采用OPA569AIDWP，该芯片的8脚连接单片机的9脚；该芯片的6脚接2.5伏电压，12脚、13脚接5伏电压；该芯片的14、15脚连接一收发信号接口单元；单片机的6脚经依次连接的电阻R23、电容C8、电阻R25、运算放大器U8B、电阻R28后接该芯片的5脚，同时经电阻R30接收发信号接口单元。
耦合电路包括依次串联的二极管D1和二极管D2，耦合电路输出端连接5伏电压、输入端接地；收发信号接口单元中，电阻R49、电阻R48、电容C1、电阻R37、电容C6依次连接，电阻R49输入端接5伏电压、输出端接信号滤波整形单元一，电阻R48的输出端连接在二极管D1和二极管D2之间；电阻R37的输出端连接功率放大电路；电容C6的输出端连接单总线。
信号滤波整形单元一，包括依次连接的滤波电路和整形电路，滤波电路采用运算放大器U4A，整形电路采用运算放大器U7A，滤波电路的输入端连接收发信号接口单元，整形电路的输出端连接锁相环。
信号滤波整形单元二，包括依次连接的滤波电路和整形电路，滤波电路采用运算放大器U4B，整形电路采用运算放大器U7B，滤波电路的输入端连接锁相环，整形电路的输出端连接单总线用户。
锁相环采用芯片CD4046BF3A，该芯片的14脚连接信号滤波整形单元一的整形电路的输出端，10脚连接信号滤波整形单元二，6脚与7脚通过电容C7连接，13脚经电阻R21、电阻R22、电容C3后接5脚。
电源管理单元采用芯片 LM2576HVS-ADJ，其1脚连接电流互感器L2，2脚连接电流互感器L1,4脚经二极管D4连接电流互感器L1。
电源管理单元的作用是，提取单总线上的系统电压，将系统电压转换为电路使用的5V电压。另有电路将5伏电压转换为2.5伏电压。通过电感L2将总线信号与电源转换电路隔离，避免电源对信号的影响。信号滤波整形单元一，用于对来自总线的信号进行滤波和整形，去掉总线上的噪声。信号滤波整形单元二，用于对锁相环电路的输出信号进行滤波和整形，去掉频率/电压转换过程中产生的多余频率信息。
本发明的有益效果是：结构简单、工作可靠、控制灵活且便于升级，体积小，实现井下钻井仪器各部件之间的单总线通讯。可以使此单总线通讯电路具有自动检错和纠错的功能，从而适用于更加恶劣的工作环境及提高正确传输性能。
该石油钻井仪器电源线载波通讯电路，是一种基于电源线调制和解调的载波通讯技术，可实现在一条电源线上同时完成供电和通讯功能。此电路无须专门的供电电源，挂接在总线上的设备只需完成简单的串口操作。
信号调制功能由控制芯片通过数字方式实现，无需另外的硬件调制电路。
由单总线上接收的信号，采用硬件解调和数字滤波结合的信号处理方式，降低了硬件设计难度，同时提高通讯抗干扰能力。
附图说明
图1是单总线通讯电路电气接口图；
其与单总线端的接口为电源线和地线，与挂接设备间的接口为串口和发送/接收使能。发送/接收使能控制信号用于防止发送/接收信号互相干扰及低功耗设计。
图2是通讯转换电路的原理图；
图3是通讯转换电路的电源管理单元；
图4是控制处理单元；
图5为功率放大单元；
图6为信号耦合单元；
图7为滤波整形单元一；
图8为锁相环单元；
图9为滤波整形单元二。
具体实施方式
附图为本发明的一种具体实施例。
一种石油钻井仪器电源线载波通讯电路，包括依次连接的控制处理单元、功率放大单元、信号耦合单元、信号滤波整形单元一、信号解调单元，以及电源管理单元，单总线用户通过串口通讯连接控制处理单元，信号耦合单元连接单总线，电源管理单元也连接单总线；电源管理单元用于给所述的通讯转换电路供电，单总线还连接阻波器。
信号解调单元采用锁相环，锁相环输出端经信号滤波整形单元二连接单总线用户。
当通讯转换电路处于发送数据状态时，单总线用户将要发送的数据通过串口发送给控制处理单元，控制处理单元利用其PWM调制（脉冲宽度调制）功能，将要发送的数据变换为对应的载波频率信号输出，此频率信号经电平调理及功率放大单元进行功率放大处理后送给信号耦合单元，将发送信号输送到单总线上；
当通讯转换电路处于接收数据状态时，单总线上的传输信号通过信号耦合单元输入，首先由信号滤波单元对此输入信号进行带通滤波，然后通过信号解调单元将载波频率信号转换为对应数据的电压信号，控制处理单元采样后，进行数字滤波处理，得到原始数据，并将此数据通过串口发送给单总线用户。
控制处理单元采用单片机。
单片机采用MSC1210Y5，单片机的44脚经电阻R46和开关接地，13脚经电阻R47和二极管D3连接在电阻R46和开关之间；13脚连接芯片MAX824EUK，该芯片还连接10脚；2脚连接芯片ZA515-11.0592M；6脚和9脚分别连接功率放大单元；3脚、4脚经485通讯电路连接单总线用户，或者59、60脚连接单总线用户。
功率放大单元，包括U5芯片，该芯片采用OPA569AIDWP，该芯片的8脚连接单片机的9脚；该芯片的6脚接2.5伏电压，12脚、13脚接5伏电压；该芯片的14、15脚连接一收发信号接口单元；单片机的6脚经依次连接的电阻R23、电容C8、电阻R25、运算放大器U8B、电阻R28后接该芯片的5脚，同时经电阻R30接收发信号接口单元。
耦合电路包括依次串联的二极管D1和二极管D2，耦合电路输出端连接5伏电压、输入端接地；收发信号接口单元中，电阻R49、电阻R48、电容C1、电阻R37、电容C6依次连接，电阻R49输入端接5伏电压、输出端接信号滤波整形单元一，电阻R48的输出端连接在二极管D1和二极管D2之间；电阻R37的输出端连接功率放大电路；电容C6的输出端连接单总线。
信号滤波整形单元一，包括依次连接的滤波电路和整形电路，滤波电路采用运算放大器U4A，整形电路采用运算放大器U7A，滤波电路的输入端连接收发信号接口单元，整形电路的输出端连接锁相环。
信号滤波整形单元二，包括依次连接的滤波电路和整形电路，滤波电路采用运算放大器U4B，整形电路采用运算放大器U7B，滤波电路的输入端连接锁相环，整形电路的输出端连接单总线用户。
锁相环采用芯片CD4046BF3A，该芯片的14脚连接信号滤波整形单元一的整形电路的输出端，10脚连接信号滤波整形单元二，6脚与7脚通过电容C7连接，13脚经电阻R21、电阻R22、电容C3后接5脚。
电源管理单元采用芯片 LM2576HVS-ADJ，其1脚连接电流互感器L2，2脚连接电流互感器L1,4脚经二极管D4连接电流互感器L1。
Claims (10)
1.一种石油钻井仪器电源线载波通讯电路，其特征在于：包括依次连接的控制处理单元、功率放大单元、信号耦合单元、信号滤波整形单元一、信号解调单元，以及电源管理单元，单总线用户通过串口通讯连接控制处理单元，信号耦合单元连接单总线，电源管理单元也连接单总线；电源管理单元用于给所述的通讯转换电路供电，单总线还连接阻波器。
2.根据权利要求1所述的石油钻井仪器电源线载波通讯电路，其特征在于：信号解调单元采用锁相环，锁相环输出端经信号滤波整形单元二连接单总线用户。
3.根据权利要求1所述的石油钻井仪器电源线载波通讯电路，其特征在于：
当通讯转换电路处于发送数据状态时，单总线用户将要发送的数据通过串口发送给控制处理单元，控制处理单元利用其PWM调制功能，将要发送的数据变换为对应的载波频率信号输出，此频率信号经电平调理及功率放大单元进行功率放大处理后送给信号耦合单元，将发送信号输送到单总线上；
当通讯转换电路处于接收数据状态时，单总线上的传输信号通过信号耦合单元输入，首先由信号滤波单元对此输入信号进行带通滤波，然后通过信号解调单元将载波频率信号转换为对应数据的电压信号，控制处理单元采样后，进行数字滤波处理，得到原始数据，并将此数据通过串口发送给单总线用户。
4.根据权利要求1所述的石油钻井仪器电源线载波通讯电路，其特征在于：控制处理单元采用单片机。
5.根据权利要求4所述的石油钻井仪器电源线载波通讯电路，其特征在于：单片机采用MSC1210Y5，单片机的44脚经电阻R46和开关接地，13脚经电阻R47和二极管D3连接在电阻R46和开关之间；13脚连接芯片MAX824EUK，该芯片还连接10脚；2脚连接芯片ZA515-11.0592M；6脚和9脚分别连接功率放大单元；3脚、4脚经485通讯电路连接单总线用户，或者59、60脚连接单总线用户。
6.根据权利要求1所述的石油钻井仪器电源线载波通讯电路，其特征在于：功率放大单元，包括U5芯片，该芯片采用OPA569AIDWP，该芯片的8脚连接单片机的9脚；该芯片的6脚接2.5伏电压，12脚、13脚接5伏电压；该芯片的14、15脚连接一收发信号接口单元；单片机的6脚经依次连接的电阻R23、电容C8、电阻R25、运算放大器U8B、电阻R28后接该芯片的5脚，同时经电阻R30接收发信号接口单元。
7.根据权利要求1所述的石油钻井仪器电源线载波通讯电路，其特征在于：耦合电路包括依次串联的二极管D1和二极管D2，耦合电路输出端连接5伏电压、输入端接地；收发信号接口单元中，电阻R49、电阻R48、电容C1、电阻R37、电容C6依次连接，电阻R49输入端接5伏电压、输出端接信号滤波整形单元一，电阻R48的输出端连接在二极管D1和二极管D2之间；电阻R37的输出端连接功率放大电路；电容C6的输出端连接单总线。
8.根据权利要求2所述的石油钻井仪器电源线载波通讯电路，其特征在于：信号滤波整形单元一，包括依次连接的滤波电路和整形电路，滤波电路采用运算放大器U4A，整形电路采用运算放大器U7A，滤波电路的输入端连接收发信号接口单元，整形电路的输出端连接锁相环；
信号滤波整形单元二，包括依次连接的滤波电路和整形电路，滤波电路采用运算放大器U4B，整形电路采用运算放大器U7B，滤波电路的输入端连接锁相环，整形电路的输出端连接单总线用户。
9.根据权利要求2所述的石油钻井仪器电源线载波通讯电路，其特征在于：锁相环采用芯片CD4046BF3A，该芯片的14脚连接信号滤波整形单元一的整形电路的输出端，10脚连接信号滤波整形单元二，6脚与7脚通过电容C7连接，13脚经电阻R21、电阻R22、电容C3后接5脚。
10.根据权利要求2所述的石油钻井仪器电源线载波通讯电路，其特征在于：电源管理单元采用芯片 LM2576HVS-ADJ，其1脚连接电流互感器L2，2脚连接电流互感器L1,4脚经二极管D4连接电流互感器L1。
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