基于ISA 總線的工業(yè)控制系統(tǒng)接口電路設(shè)計方案

　　ISA總線的總線周期分成兩大類：一類是CPU驅(qū)動的總線周期；另一類是DMA 控制器驅(qū)動的總線周期。

　　在設(shè)計擴(kuò)展卡時，可使用CPU總線周期中的I/O讀寫和DMA 驅(qū)動的DMA 傳送方式。DMA 傳送方式多用于實(shí)時性要求高、數(shù)據(jù)量很大的場合，其接口電路設(shè)計比較復(fù)雜。通常，ISA總線采用I/O讀寫方式。在I/O讀寫周期中，地址碼在讀寫過程中一直保持有效，可直接作為接口芯片的地址信號，不需進(jìn)行鎖存。I/O 讀寫信號均為低電平有效。

　　由于通信信道為單芯電纜，因此單片機(jī)系統(tǒng)采用分時復(fù)用總線的工作方式，低八位地址碼與數(shù)據(jù)在一個讀寫周期中分時出現(xiàn)在單片機(jī)的P0口，需對低八位地址信號進(jìn)行鎖存。在設(shè)計接口卡時，要嚴(yán)格遵循雙總線的操作時序。需要注意，由于DMA 傳送過程中也需要使用I/O讀寫信號，因而設(shè)計電路時要在地址譯碼電路中使用DMA 傳送的地址允許信號進(jìn)行屏蔽，以防止接口誤操作。同時，為了防止時序混亂，采用總線控制模塊實(shí)現(xiàn)總線系統(tǒng)之間進(jìn)行隔離，同時還要設(shè)置兩個系統(tǒng)之間的公用數(shù)據(jù)交換區(qū)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。ISA總線接口電路原理圖，如圖4所示。

　　井下儀器內(nèi)部通信是由井下儀器各個單片機(jī)通過LIN 總線互相傳遞數(shù)據(jù)和命令的過程。其原理圖如圖5所示。串行通信采用9位多機(jī)通信方式，波特率為20 kHz.其中遙傳短節(jié)內(nèi)的TU1為主單片機(jī)，其他各短節(jié)內(nèi)的單片機(jī)為次。TU1 單片機(jī)既發(fā)命令也接收數(shù)據(jù)，其他單片機(jī)只接收命令和發(fā)送數(shù)據(jù)，不接收數(shù)據(jù)，以免受其他單片機(jī)影響。

　　3 系統(tǒng)軟件下的通信協(xié)議

　　3.1 通信協(xié)議解釋

　　地面系統(tǒng)發(fā)送的控制命令及數(shù)據(jù)信息均采用PCM編碼方式，屬半雙工通信。地面儀器工作時不斷檢測電纜上有無信號，當(dāng)檢測到電纜上有信號，則代表井下在上傳數(shù)據(jù)。如果出現(xiàn)一段時間間隔內(nèi)（1 ms）無信號，表示井下儀器一幀數(shù)據(jù)已結(jié)束，該地面系統(tǒng)開始下發(fā)命令。與此同時，井下儀器每隔50 ms主動發(fā)送一組數(shù)據(jù)并接收一次命令（即一幀），每幀50 ms時間分為5個10 ms段，第一段10 ms為命令框，這時井下儀器不發(fā)數(shù)據(jù)，接收地面儀器發(fā)送的命令；第二段至第五段分別為井下儀器上傳的數(shù)據(jù)段，也叫數(shù)據(jù)框。每框含5個18位字，含1個狀態(tài)字，4個數(shù)據(jù)字，每字占空間1 900 μs,包括18位及一個100 μs 間隔。有效位16 位，第17 位是檢驗(yàn)位，第18 位總是“0”.地面系統(tǒng)與井下儀器通信協(xié)議幀格式，如圖6所示。

　　3.2 狀態(tài)字與數(shù)據(jù)位的識別

　　系統(tǒng)采用時分復(fù)用通信方式，即對信道中相位抖動及接收端與發(fā)送端的時鐘同步問題提出了較高的要求。接收端根據(jù)對同步信號的識別，讀取數(shù)據(jù)和命令傳送等。

　　井下儀器向地面系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)需要先對其狀態(tài)字進(jìn)行同步校驗(yàn)。通過判斷狀態(tài)字，可得到上傳數(shù)據(jù)對應(yīng)的井下信息。上傳數(shù)據(jù)的每個狀態(tài)字占空間1 900 μs,包括18位及一個100 μs間隔。有效位16位，第17位是檢驗(yàn)位，第18 位總是“0”.每位占100 μs,每位前有一個位同步脈沖，100 μs中部有脈沖，代表該位為1,無脈沖為0.地面系統(tǒng)在讀取數(shù)據(jù)之前，先對此碼組進(jìn)行幀同步校驗(yàn)。判斷上傳數(shù)據(jù)是否符合要求，符合則上傳數(shù)據(jù)，否則等待下一幀命令。

　　當(dāng)數(shù)據(jù)傳送完成后，地面儀器下傳復(fù)合命令（CM+CMT）。復(fù)合命令分兩部分，前部分為狀態(tài)命令CM,6位，每位280 μs,共280 μs×6,分布在前5 ms中部；后部分為靶壓命令CMT,4位，280 μs×4,分布在后5 ms中部。

　　每位前有一個位同步脈沖，其后有一個數(shù)據(jù)脈沖，用同步脈沖和數(shù)據(jù)脈沖之間的距離表示該位是1或0,同步脈沖和數(shù)據(jù)脈沖之間的距離小于140 μs表示該位為0,大于140 μs表示該位為1.井下儀器在讀取數(shù)據(jù)之前，先對此特定脈寬脈沖進(jìn)行幀同步校驗(yàn)。判斷下發(fā)命令是否正確，正確則執(zhí)行命令，否則返回待命。

　　4 結(jié)論

　　設(shè)計所提供的ISA 總線接口規(guī)范，可實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)的快速配接，當(dāng)需要不同系列儀器配接時，只需要在前面板盤模組處更換相應(yīng)的板卡和相應(yīng)的軟件界面，即可實(shí)現(xiàn)，具有良好的設(shè)備兼容性。本設(shè)計是對傳統(tǒng)氧活化水流測井儀地面系統(tǒng)的改進(jìn)，通過單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳與命令下發(fā)的通信。