基于ISA 总线的工业控制系统接口电路设计方案

设计比较复杂。通常，ISA总线采用I/O读写方式。在I/O读写周期中，地址码在读写过程中一直保持有效，可直接作为接口芯片的地址信号，不需进行锁存。I/O 读写信号均为低电平有效。

　　由于通信信道为单芯电缆，因此单片机系统采用分时复用总线的工作方式，低八位地址码与数据在一个读写周期中分时出现在单片机的P0口，需对低八位地址信号进行锁存。在设计接口卡时，要严格遵循双总线的操作时序。需要注意，由于DMA 传送过程中也需要使用I/O读写信号，因而设计电路时要在地址译码电路中使用DMA 传送的地址允许信号进行屏蔽，以防止接口误操作。同时，为了防止时序混乱，采用总线控制模块实现总线系统之间进行隔离，同时还要设置两个系统之间的公用数据交换区，以实现数据交换。ISA总线接口电路原理图，如图4所示。

　　井下仪器内部通信是由井下仪器各个单片机通过LIN 总线互相传递数据和命令的过程。其原理图如图5所示。串行通信采用9位多机通信方式，波特率为20 kHz.其中遥传短节内的TU1为主单片机，其他各短节内的单片机为次。TU1 单片机既发命令也接收数据，其他单片机只接收命令和发送数据，不接收数据，以免受其他单片机影响。

　　3 系统软件下的通信协议

　　3.1 通信协议解释

　　地面系统发送的控制命令及数据信息均采用PCM编码方式，属半双工通信。地面仪器工作时不断检测电缆上有无信号，当检测到电缆上有信号，则代表井下在上传数据。如果出现一段时间间隔内（1 ms）无信号，表示井下仪器一帧数据已结束，该地面系统开始下发命令。与此同时，井下仪器每隔50 ms主动发送一组数据并接收一次命令（即一帧），每帧50 ms时间分为5个10 ms段，第一段10 ms为命令框，这时井下仪器不发数据，接收地面仪器发送的命令；第二段至第五段分别为井下仪器上传的数据段，也叫数据框。每框含5个18位字，含1个状态字，4个数据字，每字占空间1 900 μs,包括18位及一个100 μs 间隔。有效位16 位，第17 位是检验位，第18 位总是“0”.地面系统与井下仪器通信协议帧格式，如图6所示。

　　3.2 状态字与数据位的识别

　　系统采用时分复用通信方式，即对信道中相位抖动及接收端与发送端的时钟同步问题提出了较高的要求。接收端根据对同步信号的识别，读取数据和命令传送等。

　　井下仪器向地面系统发送的数据需要先对其状态字进行同步校验。通过判断状态字，可得到上传数据对应的井下信息。上传数据的每个状态字占空间1 900 μs,包括18位及一个100 μs间隔。有效位16位，第17位是检验位，第18 位总是“0”.每位占100 μs,每位前有一个位同步脉冲，100 μs中部有脉冲，代表该位为1,无脉冲为0.地面系统在读取数据之前，先对此码组进行帧同步校验。判断上传数据是否符合要求，符合则上传数据，否则等待下一帧命令。

　　当数据传送完成后，地面仪器下传复合命令（CM+CMT）。复合命令分两部分，前部分为状态命令CM,6位，每位280 μs,共280 μs×6,分布在前5 ms中部；后部分为靶压命令CMT,4位，280 μs×4,分布在后5 ms中部。

　　每位前有一个位同步脉冲，其后有一个数据脉冲，用同步脉冲和数据脉冲之间的距离表示该位是1或0,同步脉冲和数据脉冲之间的距离小于140 μs表示该位为0,大于140 μs表示该位为1.井下仪器在读取数据之前，先对此特定脉宽脉冲进行帧同步校验。判断下发命令是否正确，正确则执行命令，否则返回待命。

　　4 结论

　　设计所提供的ISA 总线接口规范，可实现与系统的快速配接，当需要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，具有良好的设备兼容性。本设计是对传统氧活化水流测井仪地面系统的改进，通过单片机控制实现数据上传与命令下发的通信。