基于总线方式的钻井模拟器设计

一、系统结构及工作原理

钻井模拟器是实际应用中某个型号的钻井设备的模型，不同的钻井模拟器从结构和组成上来看都是大同小异，一般由受教师控制台控制的司钻控制台、防喷器控制台、阻流器控制台、高压管汇、节流管汇、投影系统、声光报警系统等分模块组成。这些模块的数据通过以太网与教师控制台进行交换，教师控制台完成对采集到的数据进行分析、处理和显示，从而完成钻井过程的模拟，钻井模拟器结构框图如图1所示。

1. RS485总线设计

RS485总线标准是一种简易、廉价的通信技术，其收发器采用平衡驱动和差分接收，具有抑制共模干扰的能力。采用RS485总线结构便于模块和设备的扩充，使得不同模块间互连将更容易实现。在分模块中都有一个独立的主控制器，该主控制器除完成设备内RS485总线控制外，还要通过自带的以太网接口完成与教师控制台之间的数据交换，从而形成了一种双总线控制系统，系统结构框图见图2。

钻井模拟器的各个模块是由大量的开关或调节最小单元构成。这些最小单元经RS485转换接口与RS485^[1～4]总线连接，每个最小单元有唯一地址编码，同一模块内部使用一条RS485总线，模块内部最小单元只需要4条导线连接，主控制器通过地址访问最小单元。最小单元的数据采集和控制是由一块单片机^[7]来完成的，单片机除具备基本的IO、UART和Timer功能外还将AD、比较器、时钟、EEPROM、12C等外设集成在芯片内部，大幅度地简化了芯片外围电路，缩短开发周期和提高系统可靠性。最小单元数据采集与控制电路可分为开关量采集单元、开关量输出单元、模拟量采集单元、模拟量输出单元和数码显示单元5个种类，功能如图3所示。

五类最小单元在结构上有很多相似之处，其最大的特点就是所有数据传输都是在一条RS485总线上完成，每个单元都设计成可拔插的模块形式，便于安装、拆卸和功能之间的替换，这也是总线的优势所在。

2. 以太网总线设计

与RS485总线相似，以太网总线^[5～6]除具备RS485总线的所有优点外，还具有高数据传输率、高稳定性、传输距离长和接口灵活等优点。钻井模拟器工作的实时性，主要由数据传输率和数据处理能力来体现。针对以上两个要求，主控制器选择具有两个独立的增强型USART和内部嵌入以太网控制器模块^[7]的单片机。单片机完全实现介质访问控制和物理层收发器模块。只需使用两个脉冲变压器^[5～6]和一些无源元件就可以将单片机直接与以太网相连。它符合以太网模块IEEE 802.3中所有关于双绞线网络10-BaseT连接的规定。它在内部实现了一些数据包过滤机制，用以限制传入的数据包。它还提供了一个用于实现快速数据吞吐的内置DMA模块，以及硬件IP校验和计算。另外还提供了两个用于指示链路和网络活动的LED输出。

主控制器中一个USART与RS485接口连接，用于模块内部通讯，以太网通过变压器和双绞线连接于交换机上，将模块内部的RS485总线采集到的数据打包发送给教师控制台进行分析处理，并将教师控制台返回的数据包按地址分配给各最小单元执行相应操作。每个模块内置主控制器的目的在于分任务完成来自教师控制台的数据包处理，这样可以很大程度地分担教师控制台的数据处理量，提高数据处理能力，加之以太网的高速、稳定的数据传输特性，在实现钻井模拟器的实时、稳定运行提供了可靠的硬件保障。

二、结束语

在钻井模拟器模块内部有一套RS485总线完成最小单元数据的采集和控制，在模块与教师控制台之间又有一套以太网总线完成数据交换，这样所形成的钻井模拟器的双总线控制系统可简化电气部分结构，减小教师控制台数据处理负担，提高钻井模拟器工作的稳定性和实时性，具有较高的实用价值。

参考文献

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