1553B总线协议分析及在随钻系统中的应用

2022-09-10

1553B总线又称MIL-STD-1553B总线, 是美国军方专为飞机上设备制定的一种信息传输总线标准, 也就是设备间传输的协议。1553B总线是目前国际公认的数据总线标准, 由于该总线具有双向输出特性, 实时性和可靠性高等优点, 已被国际性的采用在陆军、空军、海军装备上和国际空间站等航空领域上。我国于1987年也颁布了相应的军标。

近20多年, 随着石油开采技术的迅猛发展, 随钻仪器成为各大石油公司服务油田的利器。各大石油公司研制的随钻仪器都有属于自己的通讯协议, 而1553B总线就作为一种通讯被很好的应用在随钻仪器中, 为井下仪器的数据传输、数据交换、指令分配等提供可靠的保障。国内随钻仪器的研发很少有自主的通讯协议, 因此, 通过对随钻仪器内部1553B总线协议的分析, 希望可以对国内研发、生产随钻仪器的机构提供一些帮助。

1 MIL-STD-1553B总线协议分析

1.1 1553B总线系统组成

1553B总线 (数字式时分制指令/响应型多路传输数据总线) 由数据总线、终端或子系统终端接口组成。如图1。通过分时传输 (TDM) 方式, 实现系统中任意两个终端间相互交换信息。终端是数据总线和子系统的接口电子组件, 按其功能可以分为总线控制器 (BC) 、远程终端 (RT) 和总线监控器 (BM) [1]。

总线控制器 (BC) 是对1553B总线的控制和管理, 也是所有信息传输动作的发起者。任何时刻总线上只有一个总线控制器, 其负责发送命令、参与数据传输、接受状态响应和检测总线系统。远程终端 (RT) 从对总线上总线的控制接收到的有效命令作出响应, 回送状态字, 完成相应动作。总线监视器 (BM) 监听和记录总线上传输的命令和数据的终端, 它受BC控制, 不参与任何总线传输。

1.2 1553B总线传输协议

1553B总线上的信息是以消息 (Message) 的形式调制成曼彻斯特码进行传输的。每条消息最长由32个字组成, 所有字分为命令字、数据字和状态字三类。字的详细格式如图2所示。每类字的一个字长由20位 (bit) 构成, 每个字的前3位为单字的同步字头, 有效信息是16位, 而最后1位是奇偶校验位[2]。16位有效信息和奇偶检验位在总线上以曼彻斯特码的形式进行传输, 传输一位的时间为1s (即码速率为1MHz) 。见图2。

在图2中, 命令字的16位有效消息依次为5位RT地址, 1位RT端收发标志位, 5位RT子地址/方式代码, 5位数据字计数/方式代码, 数据字的16位有效消息为传输的有效数据信息, 状态字的16位为有效消息包括5位本RT端地址、8位指示了通信状态和本RT端及子系统状态的信息位, 3位备用。命令字由BC端发出, 状态字由被寻址的RT发出以回应BC端, 二者同步头相同, 1个半比特位为高电平, 1个半比特位为低电平, 数据字和命令字、状态字相反, 先低电平后高电平, 以示区别[3]。

1.3 1553B总线消息格式

一条1553B信息由一个或多个字组成, 并且至少包含一个命令字。除了个别方式的命令外, 所有信息包含至少一个数据字并且可能是32位数据字。信息被按照整数信息间断分隔开, 间断的范围是从前一个信息最后一位的中位归零交叉点到下一个命令同步字的中位归零交叉点。1553B总线共有10种消息格式:BC到RT、RT到BC、RT到RT、不带数据字的方式指令、带数据字的方式指令 (发送) 、带数据字的方式指令 (接收) 、控制器向各远程终端的广播、远程终端向远程终端的广播、不带数据字的广播方式指令、带数据字的广播方式指令。前六种可在BC控制下直接进行, 后四种是广播消息 (无需确认接收端状态, 传输效率高但不可靠) 。

2 1553B总线在随钻系统中的应用

2.1 LWD系统总线结构

哈里伯顿公司的随钻测井LWD (Logging While Drilling) 仪器采用的是自定义的1553B总线结构, 分为上总线、下总线和SWRO口。SWRO口接中央控制器 (HCIM) , 上总线接定向探管 (PCD) , 下总线接电阻率传感器 (EWR-P4) 、自然伽马传感器 (DGR) 、中子孔隙度传感器 (CNP) 、岩石密度传感器 (SLD) 、振动传感器 (DDS) 。哈里伯顿LWD系统结构如图3所示。

LWD系统总线可以分为总线控制器和被控传感器终端两类。在地面通信过程中, 上位机PC通过SWRO口接中央控制器 (HCIM) 与工具串上其他传感器。此时上位机PC作为总线控制器, 中央控制器 (HCIM) 与工具串上其他传感器作为被控终端。仪器在井下工作过程中, 上位机PC与随钻仪器分离, 中央控制器 (HCIM) 作为总线控制器, 工具串上其他传感器作为被控终端。

LWD系统总线的每个通信的发起都是由主控方发送带有设备地址的命令控制字开始, 相应目标传感器终端设备一般都会进行响应, 即回复数据字。一般情况下, 总线控制器发送一条命令, 对应的被控终端必须在3ms的时间内返回第一条响应数据, 否则总线控制器将会超时, 拒绝接收之后到达的响应数据[4]。

2.2 LWD系统通信方式分析

LWD系统总线是以消息 (Message) 的形式调制成曼彻斯特码进行传输的。总线具有双向传输特性, 传输方式为半双工方式。

(1) 数位帧。曼彻斯特1553格式使用的是BI级数据格式, 在每个数据位 (除同步数据位之外) 都有一个中间转折的单元。每个数据帧包含了从“1”到“0”或是从“0”到“1”的转换。见图4。“1”是从“1”到“0”的转换, “0”是从“0”到“1”的转换。由于每个数据位都被转换成电压信号, 因此在信号中便没有直流成分。正是由于缺少直流成分, 使得曼彻斯特通信标准成为变压器耦合的理想标准, 并且这种组合充分考虑到了矢量功率和通信总线。总线电压范围是从15V直流电压到25V直流电压, 而典型的总线电压范围是从20V直流电压到24V直流电压[5]。

(2) 曼彻斯特字。在LWD系统总线中, 曼彻斯特字由20位组成。前3位用于同步信息, 之后16位用于数据或命令信息, 最后一位为奇偶校验位, 采用奇校验。奇偶性计算中, 计算16位字中“1”的个数, 然后加一个“1”或一个“0”使计数变为奇数。

(3) 同步信号每个工具串的配置都包括了一个主控制设备和若干个从属设备。总线控制器可以产生命令同步信号和数据同步信号。从属设备只能产生数据同步信号[6]。

(4) 命令/数据字如果从曼彻斯特字中将同步信号和奇偶检验位除去后, 剩下的16位信号就是命令/数据字。

2.3 LWD系统通讯命令实例分析

(1) 测试方法将上位机与中央控制器 (HCIM) 通过测试电缆连接起来, 用高精度示波器的探针放在HCIM的变压器的入信号端, 然后在测试软件的通讯模块中输入相应的测试命令, 输入命令后在通讯模块中会有一个响应, 此时观察高精度示波器屏幕上显示的波形。

(2) 实例分析在上位机测试软件的通讯模块中, Command窗口输入命令0100, 则在Data窗口返回响应数据00FE。

此时将高精度示波器的探针触碰到中央控制器 (HCIM) 上变压器的入信号端。则在示波器屏幕上显示的波形。

输入命令0100h的波形, 前3位命令同步, 第3位至第6位, 二进制0000对应十六进制0, 第7位至第10位, 二进制0001对应十六进制1, 第11位至第14位, 二进制0000对应十六进制0, 第15位至第18位, 二进制0000对应十六进制0, 因此二进制波形对应的十六进制位0100h。同理, 响应数据的二进制波形对应十六进制的00FEh。

3 结语

由于1553B总线具有良好的实时性、传输效率高、可靠的稳定性等众多优点, 已被广泛的应用在石油工业中。目前国内的随钻仪器制造也是百花齐放, 但大多是从国外引进、消化其成熟的仪器模型, 仪器内部真正核心的部分还没有被完全吸收。因此, 对仪器内部协议分析, 掌握系统总线结构、特性及通信机制, 研发出具有自主知识产权的随钻仪器, 真正的打破国外技术垄断, 具有十分重要的意义。

摘要：MIL-STD-1553B总线在军事和航空领域得到了广泛的应用, 并由于其可靠、稳定的优点已经应用到了石油工业中。本文通过对1553B总线的描述, 详尽的分析了1553B总线的结构, 对传输协议中的字类型、消息格式进行了全面的分析, 并介绍了1553B总线在LWD系统中的应用及掌握该总线的重要意义。

关键词：1553B总线,协议,LWD,应用