CN116418363A - 基于uart的单线通信系统、随钻仪器井下系统及通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种基于UART的单线通信系统及方法，用以解决使用UART通信时无法实现一对多进行数据传输和管理的问题。所述单线通信系统包括至少三个设备以及为每个设备匹配的通信电路，各设备间通过单根通信线连接，每个设备设置唯一的地址，其中：所述设备，用于当作为源设备时，控制对应的通信电路的发送通道从关闭变为打开，将命令或数据经由发送通道发送到通信线上，并在命令或数据发送完毕后控制发送通道恢复为关闭；以及，当作为目的设备时，通过对应的通信电路的接收通道接收通信线上的命令或数据，根据本设备的地址确认本设备为目的设备时，响应所述命令或数据。本发明实施例还提供一种基于UART单线通信的随钻仪器井下系统及其通信方法。

Description

基于UART的单线通信系统、随钻仪器井下系统及通信方法

技术领域

本发明涉及石油钻探随钻仪器通信领域，尤指一种基于UART的单线通信系统、随钻仪器井下系统及通信方法。

背景技术

随钻仪器井下系统的数据传输和管理由主控电路(也可称为井下中央控制器)和多种参数测量电路(也可称为参数测量模块)组成。UART(Universal AsynchronousReceiver/Transmitter，通用异步收发传输器)是单片机控制电路中最基本和稳定可靠的数据传输方式。UART是一种通用串行数据总线，用于异步通信，该总线双向通信，可以实现全双工发送和接收。在嵌入式设计中，UART通常用于主机与辅助设备通信，但使用UART通信时数据传输只能采用一对一方式，如图1所示，不能满足多种参数测量电路同时与主控电路连接的需求。另有如图2所示的RS-485总线方式、CAN(Controller Area Network，控制器局域网络)总线方式、以及如图3所示的单总线调制方式等，其中，RS-485总线方式和CAN总线方式需要两根通信线，而单总线调制方式虽然使用单根线通信，但需要增加调制电路，复杂性高，可靠性低于RS-485总线方式和CAN总线方式。

随钻仪器井下系统的主控电路和多种参数测量电路之间采用何种数据传输方式，能够实现一对多连接的同时保证通信可靠性和便捷性，成为现有技术中亟待解决的技术问题之一。

发明内容

本发明实施例提供一种基于UART的单线通信系统及方法，用以解决使用UART通信时无法实现一对多进行数据传输和管理的问题，使用单根通信线实现各设备间的可靠通信；

基于同一技术构思，本发明实施例还提供一种基于UART单线通信的随钻仪器井下系统及其通信方法，用以实现主控电路和多种参数测量电路之间一对多连接的同时保证通信可靠性和便捷性。

为了解决上述技术问题，本说明书是这样实现的：

第一方面，提供了一种基于UART的单线通信系统，包括至少三个设备以及为每个设备匹配的通信电路，各设备间通过单根通信线连接，每个设备设置唯一的地址，其中：

所述设备，用于当作为需要发送命令或数据的源设备时，控制对应的通信电路的发送通道从关闭变为打开，将需要发送给目的设备的命令或数据经由对应的通信电路的发送通道发送到通信线上，并在需要发送的命令或数据发送完毕后控制对应的通信电路的发送通道恢复为关闭，所述命令或数据中携带目的设备的地址；以及，

当作为需要接收命令或数据的目的设备时，通过对应的通信电路的接收通道接收源设备发送到通信线上的命令或数据，根据本设备的地址确认本设备为需要接收命令或数据的目的设备时，响应所述命令或数据；

所述通信电路，用于向对应的设备提供命令或数据的发送通道和接收通道，所述发送通道在对应设备的控制下打开或关闭，所述接收通道保持为打开。

可选的，所述设备，还用于当不是需要接收命令或数据的目的设备时，通过对应的通信电路的接收通道接收源设备发送到通信线上的命令或数据，根据本设备的地址确认本设备不是需要接收命令或数据的目的设备时，不执行响应动作。

可选的，所述设备包括控制单片机，所述通信电路包括：低电平使能的缓冲器U1、NMOS管Q1和Q3、PMOS管Q2、用于限流或分压的若干电阻、以及用于去除高频干扰信号的若干电容；

所述设备的控制单片机与对应的通信电路的缓冲器U1电路连接，所述控制单片机的发送数据端TXD与所述缓冲器U1的引脚1A连接，所述控制单片机的接收数据端RXD与所述缓冲器U1的引脚2Y连接，所述缓冲器U1的发送通道使能控制端TXEN与所述控制单片机连接，所述缓冲器U1的接收通道使能控制端与GND连接，其中：

所述设备的控制单片机，用于在发送数据端TXD有需要发送的命令或数据时，通过将相连接的缓冲器U1的TXEN置为低电平控制所述发送通道从关闭变为打开；并在发送数据端TXD的命令或数据发送完毕后，通过将相连接的缓冲器U1的TXEN置为高电平控制所述发送通道恢复为关闭；

所述通信电路的缓冲器U1，用于通过将接收通道使能控制端保持在低电平控制所述接收通道保持为打开；

所述通信电路提供的命令或数据的发送通道包括：发送数据端TXD的命令或数据通过缓冲器U1的引脚1A反向输出到引脚1Y，再通过导通的Q1发送到通信线上；

所述通信电路提供的命令或数据的接收通道包括：通信线上的命令或数据通过导通的Q2进入缓冲器U1的引脚2A，再反向输出到引脚2Y进入接收数据端RXD。

可选的，所述通信电路中还包括通信复位端RST1；

所述通信电路，还用于当通信出现故障时通过将RST1置为低电平中断命令或数据的接收通道，再通过将RST1置为高电平使得通信恢复。

可选的，所述缓冲器U1具体包括：双三态输出缓冲驱动器。

第二方面，提供了一种基于UART的单线通信方法，包括至少三个设备以及为每个设备匹配的通信电路，各设备间通过单根通信线连接，每个设备设置唯一的地址，所述单线通信方法包括：

当所述至少三个设备中第一设备需要发送命令或数据给第二设备时，第一设备控制对应的通信电路的发送通道从关闭变为打开，将需要发送给第二设备的命令或数据经由对应的通信电路的发送通道发送到通信线上，所述命令或数据中携带目的设备的地址；以及

所述第一设备在需要发送的命令或数据发送完毕后控制对应的通信电路的发送通道恢复为关闭；

所述第二设备通过对应的通信电路的接收通道接收第一设备发送到通信线上的命令或数据，根据本设备的地址确认本设备为需要接收命令或数据的目的设备时，响应所述命令或数据，其中，每个设备对应的通信电路的接收通道保持为打开。

可选的，所述方法还包括：

在所述第二设备通过对应的通信电路的接收通道接收第一设备发送到通信线上的命令或数据时，第二设备之外的其他设备同样通过对应的通信电路的接收通道接收第一设备发送到通信线上的命令或数据，根据本设备的地址确认本设备不是需要接收命令或数据的目的设备时，不执行响应动作。

可选的，每个设备包括控制单片机，每个设备对应的通信电路包括：低电平使能的缓冲器U1、NMOS管Q1和Q3、PMOS管Q2、用于限流或分压的若干电阻、以及用于去除高频干扰信号的若干电容；

每个设备的控制单片机与对应的通信电路的缓冲器U1电路连接，所述控制单片机的发送数据端TXD与所述缓冲器U1的引脚1A连接，所述控制单片机的接收数据端RXD与所述缓冲器U1的引脚2Y连接，所述缓冲器U1的发送通道使能控制端TXEN与所述控制单片机连接，所述缓冲器U1的接收通道使能控制端与GND连接；以及

所述第一设备控制对应的通信电路的发送通道从关闭变为打开，将需要发送给第二设备的命令或数据经由对应的通信电路的发送通道发送到通信线上，具体包括：

所述第一设备的控制单片机在发送数据端TXD有需要发送的命令或数据时，通过将相连接的缓冲器U1的TXEN置为低电平控制所述发送通道从关闭变为打开，所述发送数据端TXD的命令或数据通过缓冲器U1的引脚1A反向输出到引脚1Y，再通过导通的Q1发送到通信线上；

所述第一设备在需要发送的命令或数据发送完毕后控制对应的通信电路的发送通道恢复为关闭，具体包括：

所述第一设备的控制单片机在发送数据端TXD的命令或数据发送完毕后，通过将相连接的缓冲器U1的TXEN置为高电平控制所述发送通道恢复为关闭；

所述第二设备通过对应的通信电路的接收通道接收第一设备发送到通信线上的命令或数据，具体包括：

所述第一设备发送到通信线上的命令或数据，通过第二设备对应的通信电路中导通的Q2进入缓冲器U1的引脚2A，再反向输出到引脚2Y进入相连接的控制单片机的接收数据端RXD，所述通信电路的缓冲器U1通过将接收通道使能控制端保持在低电平控制所述接收通道保持为打开。

可选的，每个设备对应的通信电路中还包括通信复位端RST1；以及所述方法还包括：

当某个设备的通信出现故障时，将对应的通信电路的RST1置为低电平中断命令或数据的接收通道，再将RST1置为高电平使得通信恢复。

第三方面，提供了一种基于UART单线通信的随钻仪器井下系统，包括主设备、至少两个从设备、以及为每个设备匹配的通信电路，各设备间通过单根通信线连接，每个设备设置唯一的地址，其中：

所述主设备，用于当需要发送命令或数据给任一从设备时，控制对应的通信电路的发送通道从关闭变为打开，将需要发送给所述任一从设备的命令或数据经由对应的通信电路的发送通道发送到通信线上，并在需要发送的命令或数据发送完毕后控制对应的通信电路的发送通道恢复为关闭，所述命令或数据中携带目的设备的地址；

所述从设备，用于当作为需要接收命令或数据的目的设备时，通过对应的通信电路的接收通道接收主设备发送到通信线上的命令或数据，根据本设备的地址确认本设备为需要接收命令或数据的目的设备时，响应所述命令或数据；

所述通信电路，用于向对应的设备提供命令或数据的发送通道和接收通道，所述发送通道在对应设备的控制下打开或关闭，所述接收通道保持为打开。

可选的，所述从设备，还用于当根据接收到的命令需要返回相应数据给主设备时，控制对应的通信电路的发送通道从关闭变为打开，将需要返回给所述主设备的数据经由对应的通信电路的发送通道发送到通信线上，并在需要返回的数据发送完毕后控制对应的通信电路的发送通道恢复为关闭；

所述主设备，还用于通过对应的通信电路的接收通道接收所述从设备返回到通信线上的数据，根据本设备的地址确认本设备为需要接收数据的目的设备时，响应并处理所述数据。

可选的，所述主设备、以及从设备，还用于当不是需要接收命令或数据的目的设备时，通过对应的通信电路的接收通道接收通信线上的命令或数据，根据本设备的地址确认本设备不是需要接收命令或数据的目的设备时，不执行响应动作。

可选的，所述主设备包括井下中央控制器，所述至少两个从设备包括各参数测量模块；或者，所述主设备包括地面接口箱，所述至少两个从设备包括井下中央控制器和各参数测量模块。

第四方面，提供了一种基于UART单线通信的随钻仪器井下系统的通信方法，包括主设备、至少两个从设备、以及为每个设备匹配的通信电路，各设备间通过单根通信线连接，每个设备设置唯一的地址，所述通信方法包括：

当主设备需要发送命令或数据给任一从设备时，主设备控制对应的通信电路的发送通道从关闭变为打开，将需要发送给所述任一从设备的命令或数据经由对应的通信电路的发送通道发送到通信线上，所述命令或数据中携带目的设备的地址；以及

所述主设备在需要发送的命令发送完毕后控制对应的通信电路的发送通道恢复为关闭；

所述任一从设备通过对应的通信电路的接收通道接收主设备发送到通信线上的命令或数据，根据本设备的地址确认本设备为需要接收命令或数据的目的设备时，响应所述命令或数据，其中，每个设备对应的通信电路的接收通道保持为打开。

可选的，所述方法还包括：

所述任一从设备当根据接收到的命令需要返回相应数据给主设备时，控制对应的通信电路的发送通道从关闭变为打开，将需要返回给所述主设备的数据经由对应的通信电路的发送通道发送到通信线上；以及，

所述任一从设备在需要返回的数据发送完毕后控制对应的通信电路的发送通道恢复为关闭；

所述主设备通过对应的通信电路的接收通道接收所述任一从设备返回到通信线上的数据，根据本设备的地址确认本设备为需要接收数据的目的设备时，响应并处理所述数据。

上述技术方案具有如下有益效果：

本发明实施例提供的基于UART的单线通信系统及方法，系统中包括至少三个设备，各设备间通过单根通信线进行数据传输和管理，为每个设备匹配对应的通信电路，通信电路将源设备发送的命令或数据通过通信线发送至相应地址的目的设备，目的设备接收到命令或数据后，响应所述命令或数据，其他设备不执行响应动作，实现了使用UART通信时一对多进行数据传输和管理的问题，使用单根通信线实现各设备间的可靠通信。

本发明实施例提供的基于UART单线通信的随钻仪器井下系统及其通信方法，应用于随钻仪器井下系统的主控电路和多种参数测量电路、以及地面设备的通信端，主设备可以是井下中央控制器，也可以是地面接口箱，从设备是各参数测量模块，各设备间通过单根通信线进行数据传输和管理，为每个设备匹配对应的通信电路，通信电路将主设备发送的命令或数据通过通信线发送至相应地址的从设备，从设备接收到命令或数据后，响应所述命令或数据，其他从设备不执行响应动作，实现了主控电路和多种参数测量电路之间一对多连接的同时保证通信可靠性和便捷性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术中UART总线方式通信示意图；

图2是现有技术中RS-485总线方式通信示意图；

图3是现有技术中单总线调制方式通信示意图；

图4是本发明实施例中基于UART的单线通信系统的结构示意图；

图5是本发明实施例中为各设备匹配的通信电路的基本电路图；

图6是本发明实施例中基于UART的单线通信方法流程图；

图7是本发明实施例中基于UART单线通信的随钻仪器井下系统的结构示意图；

图8是本发明实施例中基于UART单线通信的随钻仪器井下系统的通信方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种基于UART的单线通信系统及方法，用以解决使用UART通信时无法实现一对多进行数据传输和管理的问题，使用单根通信线实现各设备间的可靠通信。

图4是本发明实施例中基于UART的单线通信系统的结构示意图。

如图4所示，本发明实施例提供的基于UART的单线通信系统中，各设备间通过单根通信线进行数据传输和管理，即进行数据和命令的传输。图4中以四个设备为例进行示意性说明，具体实施中并不限定系统中设备的数量，可以理解，由于基于UART的单线通信系统是为了解决一对多进行数据传输和管理的问题而提出的，因此系统中包括至少三个设备以及为每个设备匹配的通信电路。如图4所示，基于UART的单线通信系统中包括设备1、设备2、设备3和设备4，以及分别为每个设备匹配的通信电路5、通信电路6、通信电路7、通信电路8，各设备间经由各自对应的通信电路通过单根通信线(Telecom cable)连接。需要说明的是，四个设备都可以作为需要发送命令或数据的设备，将命令或数据发送给通信系统中需要响应该命令或数据的其他设备，每个设备设置唯一的地址。为了便于区分，本发明实施例中将需要发送命令或数据的设备称为源设备，将需要接收命令或数据的设备称为目的设备，可以理解，源设备和目的设备是针对每一次具体的命令或数据的传输相对而言的，例如设备1需要向设备4发送命令，则该次命令的传输中，设备1为源设备，设备4为目的设备，设备4响应该命令再向设备1返回相应数据，则该次数据的传输中设备4为源设备，设备1为目的设备。

为了解决一对多进行数据传输和管理的问题，基于UART的单线通信系统中设备和通信电路的功能如下：

设备，用于当作为需要发送命令或数据的源设备时，控制对应的通信电路的发送通道从关闭变为打开，将需要发送给目的设备的命令或数据经由对应的通信电路的发送通道发送到通信线上，并在需要发送的命令或数据发送完毕后控制对应的通信电路的发送通道恢复为关闭，所述命令或数据中携带目的设备的地址；以及，

当作为需要接收命令或数据的目的设备时，通过对应的通信电路的接收通道接收源设备发送到通信线上的命令或数据，根据本设备的地址确认本设备为需要接收命令或数据的目的设备时，响应所述命令或数据；

通信电路，用于向对应的设备提供命令或数据的发送通道和接收通道，所述发送通道在对应设备的控制下打开或关闭，所述接收通道保持为打开。

需要说明的是，由于每个设备对应的通信电路的接收通道都保持为打开，通信系统中目的设备之外的其他设备均可通过对应的通信电路的接收通道接收源设备发送到通信线上的命令或数据，包括源设备本身，但是目的设备之外的其他设备不执行响应动作，即：

设备，还用于当不是需要接收命令或数据的目的设备时，通过对应的通信电路的接收通道接收源设备发送到通信线上的命令或数据，根据本设备的地址确认本设备不是需要接收命令或数据的目的设备时，不执行响应动作。

本发明实施例提供的基于UART的单线通信系统，为每个设备匹配对应的通信电路，通信电路将源设备发送的命令或数据通过通信线发送至相应地址的目的设备，目的设备接收到命令或数据后，响应所述命令或数据，其他设备不执行响应动作。图5是本发明实施例中为各设备匹配的通信电路的基本电路图，图4中通信电路5、通信电路6、通信电路7和通信电路8均采用图5所示的基本电路图，主要由缓冲器U1、NMOS管Q1和Q3、PMOS管Q2、用于限流或分压的若干电阻、以及用于去除高频干扰信号的若干电容组成，所述缓冲器U1采用反相逻辑电平，在通信线上有命令或数据的传输时为高电平，空闲时为低电平，抗干扰性能优越，系统稳定性能好。

通信电路的基本电路图介绍如下：

U1为缓冲器，具体采用的芯片型号可以为SN74LVC2G240，SN74LVC2G240是双三态输出缓冲驱动器，VSSOP封装，具有体积小，功耗低，耐温好的特点，设计专门用于提高三态存储地址驱动、时钟驱动和面向总线的接收器和发射器的性能，其各引脚的名称和功能如下：

引脚1，名称

功能为1通道使能控制端；

引脚2，名称1A，功能为1通道输入端；

引脚3，名称2Y，功能为2通道反向输出端；

引脚4，名称GND，功能为电源地引脚；

引脚5，名称2A，功能为2通道输入端；

引脚6，名称1Y，功能为1通道反向输出端；

引脚7，名称

功能为2通道使能控制端；

引脚8，名称VCC，功能为工作电源引脚；

所述的1通道是指发送通道，2通道是指接收通道；

Q1、Q3为N沟道MOS管简称NMOS管，Q2为P沟道MOS管简称PMOS管；NMOS管的特性是Vgs大于一定的值就会导通，适合用于源极接GND时的情况(低端驱动)；PMOS管的特性是Vgs小于一定的值就会导通，适合用于源极接VCC时的情况(高端驱动)；

C1、C2、C3、C4为电容，用于去除高频干扰信号；

R2为分压电阻，R4和R7为上拉电阻，R5和R6为限流电阻；

VCC通过R7、R5和R6，Q3和Q1的栅极为高电平，Q3和Q1导通，Q2的栅极为低电平，Q2导通；

RST1为通信复位端，当通信出现故障时，将RST1置为低电平，Q3的栅极为低电平，Q3不导通，Q2的栅极为高电平，Q2不导通，中断命令或数据的接收通道，再将RST1置为高电平使得通信恢复。

基于UART的单线通信系统中，设备包括控制单片机，设备的控制单片机与对应的通信电路的缓冲器U1电路连接，所述控制单片机的TXD(发送数据端)与所述缓冲器U1的引脚1A连接，所述控制单片机的RXD(接收数据端)与所述缓冲器U1的引脚2Y连接，所述缓冲器U1的引脚

(发送通道使能控制端TXEN)与所述控制单片机连接，所述缓冲器U1的引脚

(接收通道使能控制端)与GND连接，其中：

当设备需要发送命令或数据时，该设备的控制单片机将对应的通信电路中缓冲器U1的TXEN置为低电平，RST1为高电平，控制单片机的TXD的命令或数据通过缓冲器U1的引脚1A反向输出到引脚1Y，再通过R1输出到导通的Q1，Q1从3到2导通，Q2从3到2不导通，命令或数据发送到通信线上；

当设备需要接收命令或数据时，该设备对应的通信电路中缓冲器U1的引脚

由于与GND连接保持为低电平，RST1为高电平，Q2从2到3导通，Q1从2到3不导通，通信线上的命令或数据通过R3进入缓冲器U1的引脚2A，由于引脚/>

保持为低电平，命令或数据反向输出到引脚2Y进入控制单片机的RXD。

在基于UART的单线通信系统的基础上，本发明实施例还提供了基于UART的单线通信方法，如图6所示，包括如下步骤：

S601～S602、当至少三个设备中第一设备需要发送命令或数据给第二设备时，第一设备控制对应的通信电路的发送通道从关闭变为打开，将需要发送给第二设备的命令或数据经由对应的通信电路的发送通道发送到通信线上，所述命令或数据中携带目的设备的地址；

需要说明的是，本步骤中假设第一设备需要发送命令或数据给第二设备，所以第二设备为目的设备，所述命令或数据中携带的目的设备的地址即为第二设备的地址，可以理解，如果第一设备需要发送命令或数据给第三设备，则第三设备为目的设备，所述命令或数据中携带的目的设备的地址即为第三设备的地址；

S603、第一设备在需要发送的命令或数据发送完毕后控制对应的通信电路的发送通道恢复为关闭；

S604～S605、第二设备通过对应的通信电路的接收通道接收第一设备发送到通信线上的命令或数据，根据本设备的地址确认本设备为需要接收命令或数据的目的设备时，响应所述命令或数据，其中，每个设备对应的通信电路的接收通道保持为打开。

具体实施中，在第二设备通过对应的通信电路的接收通道接收第一设备发送到通信线上的命令或数据时，第二设备之外的其他设备同样通过对应的通信电路的接收通道接收第一设备发送到通信线上的命令或数据，根据本设备的地址确认本设备不是需要接收命令或数据的目的设备时，不执行响应动作。

需要说明的是，步骤编号仅是为了描述方便而给出的，并不限定步骤的时序，S603可能在S604～S605之前执行、之后执行或者同时执行。

在基于UART的单线通信系统的具体结构中，每个设备包括控制单片机，每个设备对应的通信电路包括：低电平使能的缓冲器U1、NMOS管Q1和Q3、PMOS管Q2、用于限流或分压的若干电阻、以及用于去除高频干扰信号的若干电容；

每个设备的控制单片机与对应的通信电路的缓冲器U1电路连接，所述控制单片机的发送数据端TXD与所述缓冲器U1的引脚1A连接，所述控制单片机的接收数据端RXD与所述缓冲器U1的引脚2Y连接，所述缓冲器U1的发送通道使能控制端TXEN与所述控制单片机连接，所述缓冲器U1的接收通道使能控制端与GND连接；

基于此，在S601～S602的具体实施中，所述第一设备的控制单片机在发送数据端TXD有需要发送的命令或数据时，通过将相连接的缓冲器U1的TXEN置为低电平控制所述发送通道从关闭变为打开，所述发送数据端TXD的命令或数据通过缓冲器U1的引脚1A反向输出到引脚1Y，再通过导通的Q1发送到通信线上；

在S603的具体实施中，所述第一设备的控制单片机在发送数据端TXD的命令或数据发送完毕后，通过将相连接的缓冲器U1的TXEN置为高电平控制所述发送通道恢复为关闭；

在S604～S605的具体实施中，所述第一设备发送到通信线上的命令或数据，通过第二设备对应的通信电路中导通的Q2进入缓冲器U1的引脚2A，再反向输出到引脚2Y进入相连接的控制单片机的接收数据端RXD，所述通信电路的缓冲器U1通过将接收通道使能控制端保持在低电平控制所述接收通道保持为打开。

较佳的，每个设备对应的通信电路中还包括通信复位端RST1，通信复位的实现流程包括：当某个设备的通信出现故障时，将对应的通信电路的RST1置为低电平中断命令或数据的接收通道，再将RST1置为高电平使得通信恢复。

本发明实施例提供的基于UART的单线通信系统及方法，系统中包括至少三个设备，各设备间通过单根通信线进行数据传输和管理，为每个设备匹配对应的通信电路，通信电路将源设备发送的命令或数据通过通信线发送至相应地址的目的设备，目的设备接收到命令或数据后，响应所述命令或数据，其他设备不执行响应动作，实现了使用UART通信时一对多进行数据传输和管理的问题，使用单根通信线实现各设备间的可靠通信。

本发明实施例提供的基于UART的单线通信系统，可应用于随钻仪器井下系统的主控电路和多种参数测量电路、以及地面设备的通信端，一方面抗干扰性能优越，系统稳定性能好，另一方面精简了线路，连接可靠性及便捷性高，具有较大的实用意义。

基于同一技术构思，本发明实施例提供了一种基于UART单线通信的随钻仪器井下系统，与基于UART的单线通信系统不同，随钻仪器井下系统中各设备具有主、从之分，主设备可以是井下中央控制器，也可以是地面接口箱，从设备是各参数测量模块。具体实施中，在随钻仪器井下系统入井工作时，主设备为井下中央控制器，从设备为各参数测量模块，井下中央控制器按照设定的逻辑顺序向各参数测量模块索要数据，将获得的数据进行计算、编码，再控制泥浆脉冲发生器根据编码发送泥浆脉冲信号。在随钻仪器井下系统入井之前，井下各模块(包括井下中央控制器和各参数测量模块)与地面接口箱连接，主设备为地面接口箱，从设备为井下各模块，地面接口箱按照工作要求，向井下各模块发送时钟一致化、数据读取等命令，向井下各模块写入数据序列、编码方式、校验参数等，也可读取井下各模块已设置的参数和已测量的数据等。

基于UART单线通信的随钻仪器井下系统，包括主设备、至少两个从设备、以及为每个设备匹配的通信电路，各设备间经由对应的通信电路通过单根通信线连接，每个设备设置唯一的地址。如图7所示，以四个设备为例进行示意性说明，包括一个主设备和三个从设备，分别为主设备1、从设备2、从设备3和从设备4，以及分别为每个设备匹配的通信电路5、通信电路6、通信电路7、通信电路8，图7中通信电路5、通信电路6、通信电路7和通信电路8均采用图5所示的基本电路图，具体不再赘述。其中：

所述主设备，用于当需要发送命令或数据给任一从设备时，控制对应的通信电路的发送通道从关闭变为打开，将需要发送给该任一从设备的命令或数据经由对应的通信电路的发送通道发送到通信线上，并在需要发送的命令或数据发送完毕后控制对应的通信电路的发送通道恢复为关闭，所述命令或数据中携带目的设备的地址；

所述从设备，用于当作为需要接收命令或数据的目的设备时，通过对应的通信电路的接收通道接收主设备发送到通信线上的命令或数据，根据本设备的地址确认本设备为需要接收命令或数据的目的设备时，响应所述命令或数据；

所述通信电路，用于向对应的设备提供命令或数据的发送通道和接收通道，所述发送通道在对应设备的控制下打开或关闭，所述接收通道保持为打开。

具体实施中，主设备向从设备发送的命令，可能并不需要该从设备返回相应数据，例如时钟一致化命令，大多数情况下，主设备向从设备发送的命令为数据需求命令，即需要从设备返回相应数据，则进一步：

所述从设备，还用于当根据接收到的命令需要返回相应数据给主设备时，控制对应的通信电路的发送通道从关闭变为打开，将需要返回给所述主设备的数据经由对应的通信电路的发送通道发送到通信线上，并在需要返回的数据发送完毕后控制对应的通信电路的发送通道恢复为关闭；

所述主设备，还用于通过对应的通信电路的接收通道接收所述从设备返回到通信线上的数据，根据本设备的地址确认本设备为需要接收数据的目的设备时，响应并处理所述数据。

可以理解，由于所有设备对应的通信电路的数据接收通道保持为打开，所以通信线上的命令或数据所有设备都能够接收到，只是不执行响应动作，则：

所述主设备、以及从设备，还用于当不是需要接收命令或数据的目的设备时，通过对应的通信电路的接收通道接收通信线上的命令或数据，根据本设备的地址确认本设备不是需要接收命令或数据的目的设备时，不执行响应动作。本发明实施例还提供了一种基于UART单线通信的随钻仪器井下系统的通信方法，如图8所示，包括如下步骤：

S801～S802、当主设备需要发送命令或数据给任一从设备时，主设备控制对应的通信电路的发送通道从关闭变为打开，将需要发送给所述任一从设备的命令或数据经由对应的通信电路的发送通道发送到通信线上，所述命令或数据中携带目的设备的地址；

S803、主设备在需要发送的命令发送完毕后控制对应的通信电路的发送通道恢复为关闭；

S804～S805、任一从设备通过对应的通信电路的接收通道接收主设备发送到通信线上的命令或数据，根据本设备的地址确认本设备为需要接收命令或数据的目的设备时，响应所述命令或数据，其中，每个设备对应的通信电路的接收通道保持为打开。

具体实施中，如果主设备向所述任一从设备发送的命令为数据需求命令，所述方法还包括：

S806～S807、任一从设备当根据接收到的命令需要返回相应数据给主设备时，控制对应的通信电路的发送通道从关闭变为打开，将需要返回给所述主设备的数据经由对应的通信电路的发送通道发送到通信线上；

S808、任一从设备在需要返回的数据发送完毕后控制对应的通信电路的发送通道恢复为关闭；

S809～S810、主设备通过对应的通信电路的接收通道接收所述任一从设备返回到通信线上的数据，根据本设备的地址确认本设备为需要接收数据的目的设备时，响应并处理所述数据。

以主设备1向从设备4发送数据需求命令为例进行说明，通信电路5将主设备1发送的数据需求命令通过通信线发送至相应地址的从设备4，则从设备4接收到该命令后，根据要求返回相应数据给主设备1，其余设备不执行动作。在主设备1发送数据需求命令给从设备4的过程中，通信电路5对应的TXEN由高电平变为低电平，主设备1的数据需求命令发送到通信线上，因为各通信电路中缓存器U1的引脚7均保持为低电平，所以四个设备同时收到了主设备1的该数据需求命令，但只有从设备4根据自身地址响应主设备1的该数据需求命令，通信电路8对应的TXEN由高电平变为低电平，从设备4基于该数据需求命令返回的数据发送到通信线上，四个设备同时收到了从设备4的数据，但只有主设备1根据自身地址响应并处理从设备4的数据，从设备2和从设备3不执行响应动作，至此主设备1和从设备4之间命令的发送与接收，数据的发送与接收完成。

需要说明的是，命令或数据中携带目的设备的地址，即是向哪个设备发送的命令或数据就携带哪个设备的地址，当某设备需要发送命令或者数据时，该设备的控制单片机会将与其连接的缓冲器U1的TXEN由高电平变为低电平，因为是低电平使能，只有TXEN为低电平时才能发送数据或者命令，平时为高电平，防止随意发送数据或者命令。同样，缓冲器U1的引脚7也为低电平使能，只有为低电平才能接收数据，所有设备连接的缓冲器U1的引脚7都为低电平，准备随时接收数据或命令。缓冲器U1的引脚1和引脚7为使能端，相当于控制开关，而所有的数据和命令是通过引脚1A发送到引脚1Y发送出去，所有的数据和命令是通过引脚2A发送到引脚2Y接收进来。

本发明实施例提供的基于UART单线通信的随钻仪器井下系统及其通信方法，应用于随钻仪器井下系统的主控电路和多种参数测量电路、以及地面设备的通信端，主设备可以是井下中央控制器，也可以是地面接口箱，从设备是各参数测量模块，各设备间通过单根通信线进行数据传输和管理，为每个设备匹配对应的通信电路，通信电路将主设备发送的命令或数据通过通信线发送至相应地址的从设备，从设备接收到命令或数据后，响应所述命令或数据，其他从设备不执行响应动作，实现了主控电路和多种参数测量电路之间一对多连接的同时保证通信可靠性和便捷性。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种基于UART的单线通信系统，其特征在于，包括至少三个设备以及为每个设备匹配的通信电路，各设备间通过单根通信线连接，每个设备设置唯一的地址，其中：

所述设备，用于当作为需要发送命令或数据的源设备时，控制对应的通信电路的发送通道从关闭变为打开，将需要发送给目的设备的命令或数据经由对应的通信电路的发送通道发送到通信线上，并在需要发送的命令或数据发送完毕后控制对应的通信电路的发送通道恢复为关闭，所述命令或数据中携带目的设备的地址；以及，

当作为需要接收命令或数据的目的设备时，通过对应的通信电路的接收通道接收源设备发送到通信线上的命令或数据，根据本设备的地址确认本设备为需要接收命令或数据的目的设备时，响应所述命令或数据；

所述通信电路，用于向对应的设备提供命令或数据的发送通道和接收通道，所述发送通道在对应设备的控制下打开或关闭，所述接收通道保持为打开。

2.如权利要求1所述的基于UART的单线通信系统，其特征在于，

所述设备，还用于当不是需要接收命令或数据的目的设备时，通过对应的通信电路的接收通道接收源设备发送到通信线上的命令或数据，根据本设备的地址确认本设备不是需要接收命令或数据的目的设备时，不执行响应动作。

3.如权利要求2所述的基于UART的单线通信系统，其特征在于，所述设备包括控制单片机，所述通信电路包括：低电平使能的缓冲器U1、NMOS管Q1和Q3、PMOS管Q2、用于限流或分压的若干电阻、以及用于去除高频干扰信号的若干电容；

所述设备的控制单片机与对应的通信电路的缓冲器U1电路连接，所述控制单片机的发送数据端TXD与所述缓冲器U1的引脚1A连接，所述控制单片机的接收数据端RXD与所述缓冲器U1的引脚2Y连接，所述缓冲器U1的发送通道使能控制端TXEN与所述控制单片机连接，所述缓冲器U1的接收通道使能控制端与GND连接，其中：

所述设备的控制单片机，用于在发送数据端TXD有需要发送的命令或数据时，通过将相连接的缓冲器U1的TXEN置为低电平控制所述发送通道从关闭变为打开；并在发送数据端TXD的命令或数据发送完毕后，通过将相连接的缓冲器U1的TXEN置为高电平控制所述发送通道恢复为关闭；

所述通信电路的缓冲器U1，用于通过将接收通道使能控制端保持在低电平控制所述接收通道保持为打开；

所述通信电路提供的命令或数据的发送通道包括：发送数据端TXD的命令或数据通过缓冲器U1的引脚1A反向输出到引脚1Y，再通过导通的Q1发送到通信线上；

所述通信电路提供的命令或数据的接收通道包括：通信线上的命令或数据通过导通的Q2进入缓冲器U1的引脚2A，再反向输出到引脚2Y进入接收数据端RXD。

4.如权利要求3所述的基于UART的单线通信系统，其特征在于，所述通信电路中还包括通信复位端RST1；

所述通信电路，还用于当通信出现故障时通过将RST1置为低电平中断命令或数据的接收通道，再通过将RST1置为高电平使得通信恢复。

5.如权利要求3所述的基于UART的单线通信系统，其特征在于，所述缓冲器U1具体包括：双三态输出缓冲驱动器。

6.一种基于UART的单线通信方法，其特征在于，包括至少三个设备以及为每个设备匹配的通信电路，各设备间通过单根通信线连接，每个设备设置唯一的地址，所述单线通信方法包括：

当所述至少三个设备中第一设备需要发送命令或数据给第二设备时，第一设备控制对应的通信电路的发送通道从关闭变为打开，将需要发送给第二设备的命令或数据经由对应的通信电路的发送通道发送到通信线上，所述命令或数据中携带目的设备的地址；以及

所述第一设备在需要发送的命令或数据发送完毕后控制对应的通信电路的发送通道恢复为关闭；

所述第二设备通过对应的通信电路的接收通道接收第一设备发送到通信线上的命令或数据，根据本设备的地址确认本设备为需要接收命令或数据的目的设备时，响应所述命令或数据，其中，每个设备对应的通信电路的接收通道保持为打开。

7.如权利要求6所述的基于UART的单线通信方法，其特征在于，所述方法还包括：

在所述第二设备通过对应的通信电路的接收通道接收第一设备发送到通信线上的命令或数据时，第二设备之外的其他设备同样通过对应的通信电路的接收通道接收第一设备发送到通信线上的命令或数据，根据本设备的地址确认本设备不是需要接收命令或数据的目的设备时，不执行响应动作。

8.如权利要求7所述的基于UART的单线通信方法，其特征在于，每个设备包括控制单片机，每个设备对应的通信电路包括：低电平使能的缓冲器U1、NMOS管Q1和Q3、PMOS管Q2、用于限流或分压的若干电阻、以及用于去除高频干扰信号的若干电容；

每个设备的控制单片机与对应的通信电路的缓冲器U1电路连接，所述控制单片机的发送数据端TXD与所述缓冲器U1的引脚1A连接，所述控制单片机的接收数据端RXD与所述缓冲器U1的引脚2Y连接，所述缓冲器U1的发送通道使能控制端TXEN与所述控制单片机连接，所述缓冲器U1的接收通道使能控制端与GND连接；以及

所述第一设备控制对应的通信电路的发送通道从关闭变为打开，将需要发送给第二设备的命令或数据经由对应的通信电路的发送通道发送到通信线上，具体包括：

所述第一设备的控制单片机在发送数据端TXD有需要发送的命令或数据时，通过将相连接的缓冲器U1的TXEN置为低电平控制所述发送通道从关闭变为打开，所述发送数据端TXD的命令或数据通过缓冲器U1的引脚1A反向输出到引脚1Y，再通过导通的Q1发送到通信线上；

所述第一设备在需要发送的命令或数据发送完毕后控制对应的通信电路的发送通道恢复为关闭，具体包括：

所述第一设备的控制单片机在发送数据端TXD的命令或数据发送完毕后，通过将相连接的缓冲器U1的TXEN置为高电平控制所述发送通道恢复为关闭；

所述第二设备通过对应的通信电路的接收通道接收第一设备发送到通信线上的命令或数据，具体包括：

所述第一设备发送到通信线上的命令或数据，通过第二设备对应的通信电路中导通的Q2进入缓冲器U1的引脚2A，再反向输出到引脚2Y进入相连接的控制单片机的接收数据端RXD，所述通信电路的缓冲器U1通过将接收通道使能控制端保持在低电平控制所述接收通道保持为打开。

9.如权利要求8所述的基于UART的单线通信方法，其特征在于，每个设备对应的通信电路中还包括通信复位端RST1；以及所述方法还包括：

当某个设备的通信出现故障时，将对应的通信电路的RST1置为低电平中断命令或数据的接收通道，再将RST1置为高电平使得通信恢复。

10.一种基于UART单线通信的随钻仪器井下系统，其特征在于，包括主设备、至少两个从设备、以及为每个设备匹配的通信电路，各设备间通过单根通信线连接，每个设备设置唯一的地址，其中：

所述主设备，用于当需要发送命令或数据给任一从设备时，控制对应的通信电路的发送通道从关闭变为打开，将需要发送给所述任一从设备的命令或数据经由对应的通信电路的发送通道发送到通信线上，并在需要发送的命令或数据发送完毕后控制对应的通信电路的发送通道恢复为关闭，所述命令或数据中携带目的设备的地址；

所述从设备，用于当作为需要接收命令或数据的目的设备时，通过对应的通信电路的接收通道接收主设备发送到通信线上的命令或数据，根据本设备的地址确认本设备为需要接收命令或数据的目的设备时，响应所述命令或数据；

所述通信电路，用于向对应的设备提供命令或数据的发送通道和接收通道，所述发送通道在对应设备的控制下打开或关闭，所述接收通道保持为打开。

11.如权利要求10所述的随钻仪器井下系统，其特征在于，

所述从设备，还用于当根据接收到的命令需要返回相应数据给主设备时，控制对应的通信电路的发送通道从关闭变为打开，将需要返回给所述主设备的数据经由对应的通信电路的发送通道发送到通信线上，并在需要返回的数据发送完毕后控制对应的通信电路的发送通道恢复为关闭；

所述主设备，还用于通过对应的通信电路的接收通道接收所述从设备返回到通信线上的数据，根据本设备的地址确认本设备为需要接收数据的目的设备时，响应并处理所述数据。

12.如权利要求11所述的随钻仪器井下系统，其特征在于，

所述主设备、以及从设备，还用于当不是需要接收命令或数据的目的设备时，通过对应的通信电路的接收通道接收通信线上的命令或数据，根据本设备的地址确认本设备不是需要接收命令或数据的目的设备时，不执行响应动作。

13.如权利要求10至12任一所述的随钻仪器井下系统，其特征在于，所述主设备包括井下中央控制器，所述至少两个从设备包括各参数测量模块；或者，所述主设备包括地面接口箱，所述至少两个从设备包括井下中央控制器和各参数测量模块。

14.一种基于UART单线通信的随钻仪器井下系统的通信方法，其特征在于，包括主设备、至少两个从设备、以及为每个设备匹配的通信电路，各设备间通过单根通信线连接，每个设备设置唯一的地址，所述通信方法包括：

当主设备需要发送命令或数据给任一从设备时，主设备控制对应的通信电路的发送通道从关闭变为打开，将需要发送给所述任一从设备的命令或数据经由对应的通信电路的发送通道发送到通信线上，所述命令或数据中携带目的设备的地址；以及

所述主设备在需要发送的命令发送完毕后控制对应的通信电路的发送通道恢复为关闭；

所述任一从设备通过对应的通信电路的接收通道接收主设备发送到通信线上的命令或数据，根据本设备的地址确认本设备为需要接收命令或数据的目的设备时，响应所述命令或数据，其中，每个设备对应的通信电路的接收通道保持为打开。

15.如权利要求14所述的基于UART单线通信的随钻仪器井下系统的通信方法，其特征在于，所述方法还包括：

所述任一从设备当根据接收到的命令需要返回相应数据给主设备时，控制对应的通信电路的发送通道从关闭变为打开，将需要返回给所述主设备的数据经由对应的通信电路的发送通道发送到通信线上；以及，

所述任一从设备在需要返回的数据发送完毕后控制对应的通信电路的发送通道恢复为关闭；

所述主设备通过对应的通信电路的接收通道接收所述任一从设备返回到通信线上的数据，根据本设备的地址确认本设备为需要接收数据的目的设备时，响应并处理所述数据。

Images