1553B總線協(xié)議分析及在隨鉆系統(tǒng)中的應(yīng)用

耿嘉宇（東北石油大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院， 黑龍江 大慶 163000）

1553B總線協(xié)議分析及在隨鉆系統(tǒng)中的應(yīng)用

耿嘉宇（東北石油大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院， 黑龍江 大慶 163000）

MIL-STD-1553B總線在軍事和航空領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，并由于其可靠、穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)應(yīng)用到了石油工業(yè)中。本文通過對(duì)1553B總線的描述，詳盡的分析了1553B總線的結(jié)構(gòu)，對(duì)傳輸協(xié)議中的字類型、消息格式進(jìn)行了全面的分析，并介紹了1553B總線在LWD系統(tǒng)中的應(yīng)用及掌握該總線的重要意義。

1553B總線；協(xié)議；LWD；應(yīng)用

1553B總線又稱MIL-STD-1553B總線，是美國(guó)軍方專為飛機(jī)上設(shè)備制定的一種信息傳輸總線標(biāo)準(zhǔn)，也就是設(shè)備間傳輸?shù)膮f(xié)議。1553B總線是目前國(guó)際公認(rèn)的數(shù)據(jù)總線標(biāo)準(zhǔn)，由于該總線具有雙向輸出特性，實(shí)時(shí)性和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，已被國(guó)際性的采用在陸軍、空軍、海軍裝備上和國(guó)際空間站等航空領(lǐng)域上。我國(guó)于1987年也頒布了相應(yīng)的軍標(biāo)。

近20多年，隨著石油開采技術(shù)的迅猛發(fā)展，隨鉆儀器成為各大石油公司服務(wù)油田的利器。各大石油公司研制的隨鉆儀器都有屬于自己的通訊協(xié)議，而1553B總線就作為一種通訊被很好的應(yīng)用在隨鉆儀器中，為井下儀器的數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)交換、指令分配等提供可靠的保障。國(guó)內(nèi)隨鉆儀器的研發(fā)很少有自主的通訊協(xié)議，因此，通過對(duì)隨鉆儀器內(nèi)部1553B總線協(xié)議的分析，希望可以對(duì)國(guó)內(nèi)研發(fā)、生產(chǎn)隨鉆儀器的機(jī)構(gòu)提供一些幫助。

1　MIL-STD-1553B總線協(xié)議分析

1.11553B總線系統(tǒng)組成

1553B總線（數(shù)字式時(shí)分制指令/響應(yīng)型多路傳輸數(shù)據(jù)總線）由數(shù)據(jù)總線、終端或子系統(tǒng)終端接口組成。如圖1。通過分時(shí)傳輸（TDM）方式，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中任意兩個(gè)終端間相互交換信息。終端是數(shù)據(jù)總線和子系統(tǒng)的接口電子組件，按其功能可以分為總線控制器（BC）、遠(yuǎn)程終端（RT）和總線監(jiān)控器（BM）［1］。

圖1　1553B總線系統(tǒng)的組成

總線控制器（BC）是對(duì)1553B總線的控制和管理，也是所有信息傳輸動(dòng)作的發(fā)起者。任何時(shí)刻總線上只有一個(gè)總線控制器，其負(fù)責(zé)發(fā)送命令、參與數(shù)據(jù)傳輸、接受狀態(tài)響應(yīng)和檢測(cè)總線系統(tǒng)。遠(yuǎn)程終端（RT）從對(duì)總線上總線的控制接收到的有效命令作出響應(yīng)，回送狀態(tài)字，完成相應(yīng)動(dòng)作?？偩€監(jiān)視器（BM）監(jiān)聽和記錄總線上傳輸?shù)拿詈蛿?shù)據(jù)的終端，它受BC控制，不參與任何總線傳輸。

1.21553B總線傳輸協(xié)議

1553B總線上的信息是以消息（Message）的形式調(diào)制成曼徹斯特碼進(jìn)行傳輸?shù)摹Ｃ織l消息最長(zhǎng)由32個(gè)字組成，所有字分為命令字、數(shù)據(jù)字和狀態(tài)字三類。字的詳細(xì)格式如圖2所示。每類字的一個(gè)字長(zhǎng)由20位（bit）構(gòu)成，每個(gè)字的前3位為單字的同步字頭，有效信息是16位，而最后1位是奇偶校驗(yàn)位［2］。16位有效信息和奇偶檢驗(yàn)位在總線上以曼徹斯特碼的形式進(jìn)行傳輸，傳輸一位的時(shí)間為1s（即碼速率為1MHz）。見圖2。

圖2　命令字、數(shù)據(jù)字和狀態(tài)字的定義

在圖2中，命令字的16位有效消息依次為5位RT地址，1位RT端收發(fā)標(biāo)志位，5位RT子地址/方式代碼，5位數(shù)據(jù)字計(jì)數(shù)/方式代碼，數(shù)據(jù)字的16位有效消息為傳輸?shù)挠行?shù)據(jù)信息，狀態(tài)字的16位為有效消息包括5位本RT端地址、8位指示了通信狀態(tài)和本RT端及子系統(tǒng)狀態(tài)的信息位，3位備用。命令字由BC端發(fā)出，狀態(tài)字由被尋址的RT發(fā)出以回應(yīng)BC端，二者同步頭相同，1個(gè)半比特位為高電平，1個(gè)半比特位為低電平，數(shù)據(jù)字和命令字、狀態(tài)字相反，先低電平后高電平，以示區(qū)別［3］。

1.31553B總線消息格式

一條1553B信息由一個(gè)或多個(gè)字組成，并且至少包含一個(gè)命令字。除了個(gè)別方式的命令外，所有信息包含至少一個(gè)數(shù)據(jù)字并且可能是32位數(shù)據(jù)字。信息被按照整數(shù)信息間斷分隔開，間斷的范圍是從前一個(gè)信息最后一位的中位歸零交叉點(diǎn)到下一個(gè)命令同步字的中位歸零交叉點(diǎn)。1553B總線共有10種消息格式：BC到RT、RT到BC、RT到RT、不帶數(shù)據(jù)字的方式指令、帶數(shù)據(jù)字的方式指令（發(fā)送）、帶數(shù)據(jù)字的方式指令（接收）、控制器向各遠(yuǎn)程終端的廣播、遠(yuǎn)程終端向遠(yuǎn)程終端的廣播、不帶數(shù)據(jù)字的廣播方式指令、帶數(shù)據(jù)字的廣播方式指令。前六種可在BC控制下直接進(jìn)行，后四種是廣播消息（無需確認(rèn)接收端狀態(tài)，傳輸效率高但不可靠）。

2　1553B總線在隨鉆系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1LWD系統(tǒng)總線結(jié)構(gòu)

哈里伯頓公司的隨鉆測(cè)井LWD（Logging While Drilling）儀器采用的是自定義的1553B總線結(jié)構(gòu)，分為上總線、下總線和SWRO口。SWRO口接中央控制器（HCIM），上總線接定向探管（PCD），下總線接電阻率傳感器（EWR-P4）、自然伽馬傳感器（DGR）、中子孔隙度傳感器（CNP）、巖石密度傳感器（SLD）、振動(dòng)傳感器（DDS）。哈里伯頓LWD系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　哈里伯頓LWD系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

LWD系統(tǒng)總線可以分為總線控制器和被控傳感器終端兩類。在地面通信過程中，上位機(jī)PC通過SWRO口接中央控制器（HCIM）與工具串上其他傳感器。此時(shí)上位機(jī)PC作為總線控制器，中央控制器（HCIM）與工具串上其他傳感器作為被控終端。儀器在井下工作過程中，上位機(jī)PC與隨鉆儀器分離，中央控制器（HCIM）作為總線控制器，工具串上其他傳感器作為被控終端。

LWD系統(tǒng)總線的每個(gè)通信的發(fā)起都是由主控方發(fā)送帶有設(shè)備地址的命令控制字開始，相應(yīng)目標(biāo)傳感器終端設(shè)備一般都會(huì)進(jìn)行響應(yīng)，即回復(fù)數(shù)據(jù)字。一般情況下，總線控制器發(fā)送一條命令，對(duì)應(yīng)的被控終端必須在3ms的時(shí)間內(nèi)返回第一條響應(yīng)數(shù)據(jù)，否則總線控制器將會(huì)超時(shí)，拒絕接收之后到達(dá)的響應(yīng)數(shù)據(jù)［4］。

2.2LWD系統(tǒng)通信方式分析

LWD系統(tǒng)總線是以消息（Message）的形式調(diào)制成曼徹斯特碼進(jìn)行傳輸?shù)??？偩€具有雙向傳輸特性，傳輸方式為半雙工方式。

（1）數(shù)位幀。曼徹斯特1553格式使用的是BI級(jí)數(shù)據(jù)格式，在每個(gè)數(shù)據(jù)位（除同步數(shù)據(jù)位之外）都有一個(gè)中間轉(zhuǎn)折的單元。每個(gè)數(shù)據(jù)幀包含了從“1”到“0”或是從“0”到“1”的轉(zhuǎn)換。見圖4?！?”是從“1”到“0”的轉(zhuǎn)換，“0”是從“0”到“1”的轉(zhuǎn)換。由于每個(gè)數(shù)據(jù)位都被轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，因此在信號(hào)中便沒有直流成分。正是由于缺少直流成分，使得曼徹斯特通信標(biāo)準(zhǔn)成為變壓器耦合的理想標(biāo)準(zhǔn)，并且這種組合充分考慮到了矢量功率和通信總線?？偩€電壓范圍是從15V直流電壓到25V直流電壓，而典型的總線電壓范圍是從20V直流電壓到24V直流電壓［5］。

圖4　曼徹斯特?cái)?shù)位幀

（2）曼徹斯特字。在LWD系統(tǒng)總線中，曼徹斯特字由20位組成。前3位用于同步信息，之后16位用于數(shù)據(jù)或命令信息，最后一位為奇偶校驗(yàn)位，采用奇校驗(yàn)。奇偶性計(jì)算中，計(jì)算16位字中“1”的個(gè)數(shù)，然后加一個(gè)“1”或一個(gè)“0”使計(jì)數(shù)變?yōu)槠鏀?shù)。

（3）同步信號(hào) 每個(gè)工具串的配置都包括了一個(gè)主控制設(shè)備和若干個(gè)從屬設(shè)備?？偩€控制器可以產(chǎn)生命令同步信號(hào)和數(shù)據(jù)同步信號(hào)。從屬設(shè)備只能產(chǎn)生數(shù)據(jù)同步信號(hào)［6］。

（4）命令/數(shù)據(jù)字 如果從曼徹斯特字中將同步信號(hào)和奇偶檢驗(yàn)位除去后，剩下的16位信號(hào)就是命令/數(shù)據(jù)字。

2.3LWD系統(tǒng)通訊命令實(shí)例分析

（1）測(cè)試方法 將上位機(jī)與中央控制器（HCIM）通過測(cè)試電纜連接起來，用高精度示波器的探針放在HCIM的變壓器的入信號(hào)端，然后在測(cè)試軟件的通訊模塊中輸入相應(yīng)的測(cè)試命令，輸入命令后在通訊模塊中會(huì)有一個(gè)響應(yīng)，此時(shí)觀察高精度示波器屏幕上顯示的波形。

（2）實(shí)例分析 在上位機(jī)測(cè)試軟件的通訊模塊中，Command窗口輸入命令0100，則在Data窗口返回響應(yīng)數(shù)據(jù)00FE。

此時(shí)將高精度示波器的探針觸碰到中央控制器（HCIM）上變壓器的入信號(hào)端。則在示波器屏幕上顯示的波形。

輸入命令0100h的波形，前3位命令同步，第3位至第6位，二進(jìn)制0000對(duì)應(yīng)十六進(jìn)制0，第7位至第10位，二進(jìn)制0001對(duì)應(yīng)十六進(jìn)制1，第11位至第14位，二進(jìn)制0000對(duì)應(yīng)十六進(jìn)制0，第15位至第18位，二進(jìn)制0000對(duì)應(yīng)十六進(jìn)制0，因此二進(jìn)制波形對(duì)應(yīng)的十六進(jìn)制位0100h。同理，響應(yīng)數(shù)據(jù)的二進(jìn)制波形對(duì)應(yīng)十六進(jìn)制的00FEh。

3　結(jié)語

由于1553B總線具有良好的實(shí)時(shí)性、傳輸效率高、可靠的穩(wěn)定性等眾多優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛的應(yīng)用在石油工業(yè)中。目前國(guó)內(nèi)的隨鉆儀器制造也是百花齊放，但大多是從國(guó)外引進(jìn)、消化其成熟的儀器模型，儀器內(nèi)部真正核心的部分還沒有被完全吸收。因此，對(duì)儀器內(nèi)部協(xié)議分析，掌握系統(tǒng)總線結(jié)構(gòu)、特性及通信機(jī)制，研發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的隨鉆儀器，真正的打破國(guó)外技術(shù)壟斷，具有十分重要的意義。

［1］黃家平，王明皓.1553B總線通信系統(tǒng)可靠性分析［J］.飛機(jī)設(shè)計(jì)，2010，30（2）.

［2］GJB289A297，中華人民共和國(guó)國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)［S］.1998.

［3］徐貴賢.1553B總線簡(jiǎn)介及其實(shí)現(xiàn)［J］.通信技術(shù)，2011，44（5）.

［4］韓碩.LWD系統(tǒng)的總線協(xié)議分析與INSITE軟件開發(fā)［D］.北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008-6.

［5］DDC Corporation.MIL-STD-1553 Designers Guide［S］.2003.

［6］Sperry-sun.HCIM Operations Manual-Positive Pulse.2003.

耿嘉宇（1993- ），男，漢族，黑龍江大慶人，現(xiàn)就讀于東北石油大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院電子信息工程專業(yè)，本科在讀。