基于ISA 总线的工业控制系统接口电路设计方案

　　0 引言

　　脉冲中子氧活化测井水流仪地面系统的主要功能：

　　接收井下仪器上传的信号，解析数据并上传至上位机；同时，接收上位机下发指令，并发送给井下仪器。本文是对传统氧活化测井仪地面系统的改进，该系统提供ISA 总线接口规范，可实现与系统的快速配接，若用户需要完成不同系列仪器配接时，只需要在前面板盘模组处更换相应的板卡和相应的软件界面。即可实现不同仪器的配接。

　　1 脉冲氧活化测井原理

　　脉冲氧活化测井是一种测量水流速度的方法。由双脉冲热中子衰减时间测井技术发展起来的动态测量技术，其核心是用高能脉冲中子激活氧原子并引发多种核反应，其一为氧活化反应。激发态下的氧原子释放出高能伽马射线，通过探测伽马射线时间谱，来反映油管内、油管/套管环型空间、以及套管外含氧物质特别是水的流动状况。根据仪器源距就可计算出水流速度，在管径已知且不变的条件下，可以计算出水流流量。可用于检查射孔井段封堵、半段井下工具位置、检查配注井漏点位置、检查井下工具工作状况和套管窜槽位置等。脉冲中子氧活化测井仪结构图，如图1所示。

　　脉冲中子氧活化测井仪地面系统，主要是对井下中子管的工作状态进行控制，以得到合适的中子发射周期和中子产额。为此需要控制的参数有阳极脉冲的时序、灯丝电压的幅度、靶压的幅度等。需要监测的信号有仪器缆头电压、灯丝电流、靶压幅度、四个探测器的计数等。

　　2 系统硬件

　　氧活化测井地面系统主要由地面系统控制电路和ISA总线控制电路两部分构成。

　　2.1 地面系统控制电路

　　地面系统与井下仪器通过电缆实现双向通信，地面系统由信号接收和下发命令两个模块构成，通过主单片机和次单片机的基本系统、数据存储、总线收发、上传信号前端处理以及下发命令后端处理等电路实现。其中，主单片机主要用于数据处理、指令下发与上位机通信等控制操作，而次单片机用于帧同步校验及显示。主单片机以50 ms的帧周期工作，通过片内通信D0~D3,FR（帧同步），SYNC1（字节同步）与次单片机通信，得到温度、压力、节箍、自然伽马、Iw等上传的数据值，并通过电路调解出的PCM命令并对其命令解释，将有效的数据上传至上位机进行下一步处理；同时，将上位机所下发的命令以PCM方式编码并输出A（正脉冲）、B（负脉冲）信号，将该信号通过驱动电路送至电缆，并下发给井下仪器。

　　井下仪器上传信号经过变压器T3-T4端口接收，为了消除电缆电荷的积累，所有的脉冲信号均隔一个正脉冲和一个负脉冲发出，因此，接收到的脉冲信号经过滤波、整流电路后，得到正脉冲。前端处理电路如图2所示，其工作原理如下：首先，对该正脉冲进行信号放大处理。其次，由于传输过程中的干扰，使得上传信号产生畸形，因此，需对其进行脉冲信号整形。为了恢复信号的幅度，需要将放大的信号进行电压比较，通过调节电位器消除传输过程中带来的畸形脉冲，从而得到与上传信号一致的脉冲序列。再次，将该脉冲经过74LS221脉冲整形电路，根据外围器件RC参数从而恢复脉冲信号的脉宽。经过前端处理电路处理过的信号SIGD,通过串口线发送给上位机进行软件校对、数据采集等工作。

　　同时，上传信号SIGD 作为主单片机INT1 的触发脉冲，配合T0调用中断命令，并将上传的数据通过锁存器存入双端口RAM中。

　　后端处理电路工作原理如下：上位机下发的执行命令由ISA 总线传输给总线收发器，通过控制总线收发器，可将执行命令存入双端口RAM中，等待主单片机的R-D- 信号将执行命令送至主单片机进行操作。与此同时，下发命令通过从单片机进行校验，信号从其P1端口发出，经过DIP 开关整合得到复合命令（CM+CMT），将此复合命令送至主单片机的P2.6 和P2.7 口。其中，主单片机的P1.0和P1.1端口分别作为定时计数器T2的外部计数器和外部控制器，对外发送执行命令。为了降低传输功耗，下发命令以正负脉冲A、B 的形式发出。该A、B 脉冲信号经限幅、电平转换电路得到TTL脉冲，并在驱动电路的作用下，由变压器的T5-T6-T8 端口发送给井下仪器执行命令。下发命令后端处理电路原理图，如图3所示。

　　2.2 ISA总线控制电路

　　氧活化测井仪地面系统的系统总线采用ISA 总线实现，地面系统与上位机之间通过ISA总线交换数据的实现方法为共用单片机系统外部数据存储器与静态数据传送相结合的方法。

　　ISA总线的总线周期分成两大类：一类是CPU驱动的总线周期；另一类是DMA 控制器驱动的总线周期。

在设计扩展卡时，可使用CPU总线周期中的I/O读写和DMA 驱动的DMA 传送方式。DMA 传送方式多用于实时性要求高、数据量很大的场合，其接口电路