基于dsPIC30F6010A實(shí)現(xiàn)3516適配短節(jié)

本文介紹以dsPIC30F6010A單片機(jī)為核心器件，充分利用單片機(jī)的自身資源，包括定時(shí)器、輸入捕捉模塊、高速運(yùn)算的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)3516適配短節(jié)，用輸入捕捉模塊實(shí)現(xiàn)曼碼的軟件編解碼，定時(shí)器實(shí)現(xiàn)5道計(jì)數(shù)，A/D采集等在硬件和軟件設(shè)計(jì)做了詳細(xì)論述。

【關(guān)鍵詞】dsPIC30F6010A 3516 曼碼 軟解碼 軟編碼

3516適配短節(jié)是5700井下儀器掛接3700儀器的中間短節(jié)，可以下掛電阻率儀器、脈沖類儀器和井徑儀器，同時(shí)也是測(cè)量5700電法的必備遙傳短節(jié)。進(jìn)口3516適配短節(jié)是在90年代設(shè)計(jì)，通訊方式M2（曼徹斯特碼）編解碼采用專用芯片HD-15530實(shí)現(xiàn)，模擬道和脈沖道測(cè)量電路復(fù)雜，系統(tǒng)維護(hù)成本提高。考慮到目前單片機(jī)功能不斷提高，內(nèi)置外設(shè)不斷豐富，完全可以采用新型單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)M2曼碼的軟編解碼功能，采用單片機(jī)內(nèi)部計(jì)數(shù)器做為脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)，利用單片機(jī)控制片外A/D和多路開關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬信號(hào)的多路采集。基于dsPIC30F6010A單片機(jī)實(shí)現(xiàn)3516儀器設(shè)計(jì)，電路簡(jiǎn)單，易于維護(hù)。

1 dsPIC30F6010A簡(jiǎn)介

Microchip公司的dsPIC30F6010A是高性能的16位數(shù)字信號(hào)控制器（DSC），包括有廣泛的DSP功能和高性能的16位微控制器（MCU）架構(gòu)。dsPIC30F6010A處理器采用改進(jìn)的哈佛架構(gòu)，具有獨(dú)立的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器總線。該單片機(jī)的主要資源包括： 144KB FLASH，8KB RAM，4KB EEPROM；工作速度最高可達(dá)30MI/s；5個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；16位捕捉輸入功能；2個(gè)UART、2個(gè)SPI、1個(gè)I2C總線和2個(gè)CAN總線；最大I/O引腳數(shù)為68個(gè)。

2 儀器硬件

系統(tǒng)以dsPIC30F6010A單片機(jī)為主控芯片，利用片內(nèi)資源，實(shí)現(xiàn)M2曼碼編解碼，模擬信號(hào)采集，脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)和儀器工作模式切換等功能。具體為：利用片內(nèi)輸入捕捉模塊實(shí)現(xiàn)M2命令軟解碼；利用片內(nèi)定時(shí)器2和I/O口RE5、RE7腳輸出，實(shí)現(xiàn)M2數(shù)據(jù)軟編碼；利用片上I/O和外部數(shù)據(jù)總線，通過(guò)控制片外A/D實(shí)現(xiàn)10道模擬信號(hào)的采集；利用片內(nèi)5個(gè)計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)5道脈沖測(cè)量；通過(guò)片上I/O口控制繼電器實(shí)現(xiàn)儀器工作狀態(tài)的切換。

工作原理：

（1）M2命令處理：M2（曼碼）命令從命令總線引入至變壓器，經(jīng)DS78C20J處理成標(biāo)準(zhǔn)曼碼UDI信號(hào)，然后送到單片機(jī)輸入捕捉模塊的CEX0腳，并觸發(fā)輸入捕捉模塊0中斷，在中斷響應(yīng)程序記錄相鄰觸發(fā)時(shí)間差，單片機(jī)程序根據(jù)M2格式進(jìn)行軟解碼。根據(jù)接收到命令字（命令的第一個(gè)字）的高8位，判斷是否為3516命令（0x14xx或0x00xx），單片機(jī)執(zhí)行相應(yīng)的處理程序。命令字包括數(shù)據(jù)采集命令、數(shù)據(jù)發(fā)送命令、刻度命令（包括零刻、高刻、測(cè)井）和儀器狀態(tài)命令。

（2）M2數(shù)據(jù)發(fā)送：當(dāng)3516儀器收到數(shù)據(jù)發(fā)送命令時(shí)，單片機(jī)進(jìn)入數(shù)據(jù)發(fā)送子程序，根據(jù)曼碼特性進(jìn)行編碼，用RE口產(chǎn)生曼碼信號(hào)BZO、BOO和控制信號(hào)MR，最后經(jīng)DS1633H和變壓器發(fā)送M2格式數(shù)據(jù)。曼碼信號(hào)經(jīng)M2數(shù)據(jù)總線，輸出至3514儀器。

（3）數(shù)據(jù)采集：當(dāng)數(shù)據(jù)采集命令送至3516儀器后，儀器對(duì)脈沖和模擬信號(hào)進(jìn)行采集和處理。5道脈沖信號(hào)經(jīng)整形后，進(jìn)入片內(nèi)計(jì)數(shù)器（16位計(jì)數(shù)方式）進(jìn)行計(jì)數(shù)。脈沖計(jì)數(shù)時(shí)，單片機(jī)先停止計(jì)數(shù)器工作，然后讀取寄存器數(shù)據(jù)，取完數(shù)據(jù)后清零計(jì)數(shù)器寄存器，然后進(jìn)入下個(gè)計(jì)數(shù)周期，再重新開始計(jì)數(shù)。采集的脈沖道數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到片內(nèi)RAM中，并按3516數(shù)據(jù)格式存放。10道模擬信號(hào)經(jīng)低通濾波處理、增益放大和多路開關(guān)后，送到A/D（AD976），單片機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)總線讀取A/D采集到的數(shù)據(jù)。由于只有一個(gè)A/D芯片，單片機(jī)采用分時(shí)方式對(duì)每道依次采集，并自動(dòng)選擇通道增益（2倍或16倍）。采集的模擬道數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到片內(nèi)RAM中，并按3516數(shù)據(jù)格式存放。

（4）工作模式設(shè)置：在3516儀器中，工作模式有多種，如刻度、換擋等。單片機(jī)利用內(nèi)部的P2口，通過(guò)對(duì)繼電器控制，實(shí)現(xiàn)工作模式的切換。

3 軟件設(shè)計(jì)

在dsPIC30F6010A軟件中，支持C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言編程，為了增加程序的可移植性和可讀性，本次設(shè)計(jì)使用C語(yǔ)言編程。

程序先解碼M2命令，當(dāng)命令是3516命令時(shí)，即Cmd_Flag=1，執(zhí)行相應(yīng)的子程序，完成命令響應(yīng)。主程序的流程圖如圖1所示。

在軟件設(shè)計(jì)中，曼碼的軟編解碼編程核心，下面主要介紹這兩部分。

3.1 M2命令解碼

M2命令解碼利用dsPIC30F6010A中的輸入捕捉模塊0（邊沿觸發(fā)捕捉模式）來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)M2命令的捕獲。曼碼數(shù)據(jù)經(jīng)電路整形成UDI信號(hào)，其在上升沿和下降沿時(shí)觸發(fā)CEX0的中斷，程序根據(jù)相鄰上升沿、下降沿的時(shí)間差，先找出命令同步頭，再解碼16位命令數(shù)據(jù)和校驗(yàn)位。先根據(jù)校驗(yàn)位判斷解碼是否正確，再根據(jù)命令字判斷數(shù)據(jù)是否為3516命令，如果兩者都正確，則設(shè)置命令到達(dá)標(biāo)志。M2命令解碼流程圖如圖2所示。

在圖2中，S1-S7，代表當(dāng)前命令解碼狀態(tài)（status）。Thiswide_num表示相鄰觸發(fā)沿的時(shí)間差，數(shù)值代表半位的個(gè)數(shù)，比如Thiswide_num=3代表3個(gè)半位。數(shù)據(jù)Bit_Cnt表示解碼數(shù)據(jù)位個(gè)數(shù)，當(dāng)Bit_Cnt=16時(shí)，表示命令數(shù)據(jù)解碼完成。當(dāng)CmdSync_Flag=1代表奇偶校驗(yàn)位正確，表示解碼成功。解碼具體過(guò)程如下：

在初始化時(shí)，將狀態(tài)設(shè)置為S1。當(dāng)有脈沖沿觸發(fā)中斷時(shí)，中斷響應(yīng)程序先計(jì)算Thiswide_num，，根據(jù)status狀態(tài)進(jìn)入相應(yīng)的處理程序，同時(shí)把當(dāng)前捕獲時(shí)間（IC0TIME_now）保存為上次時(shí)間（IC0TIME_last）。

（1）當(dāng)status=S1狀態(tài)時(shí)：如果是上升沿觸發(fā)，置status=s2；如果是下降沿觸發(fā)，則不變。

（2）當(dāng)status=S2時(shí)，當(dāng)觸發(fā)沿為上升沿并且Thiswide_num=3時(shí)，代表找到第一個(gè)同步頭，status=S3。

（3）當(dāng)status=S3狀態(tài)時(shí)，當(dāng)觸發(fā)沿為下降沿并且Thiswide_num=3或Thiswide_num=4時(shí)，代表找到第二個(gè)同步頭，到此命令同步頭解碼完成。當(dāng)Thiswide_num=3時(shí)，置status=S4，說(shuō)明到了第一個(gè)數(shù)據(jù)位的開始位置；當(dāng)Thiswide_num=4時(shí)，置status=S5，表示到了第一個(gè)數(shù)據(jù)位的中間位置，開始取數(shù)，Bit_Cnt++。

（4）當(dāng)status=S4狀態(tài)時(shí)，當(dāng)Thiswide_num=l，表示到了數(shù)據(jù)位的中間位置，開始取數(shù)，Bit_Cnt++。如果Bit_Cnt=16時(shí)，代表16位命令數(shù)據(jù)解碼完成，置status=S6，否則置status=S5。

（5）當(dāng)status=S5狀態(tài)時(shí)，當(dāng)Thiswide_num=1，表示到了數(shù)據(jù)位開始位置，置status=S4；當(dāng)Thiswide_num=2，表示到了數(shù)據(jù)位的中間，開始取數(shù)，Bit_Cnt++。如果Bit_Cnt=16時(shí)，代表16位命令數(shù)據(jù)解碼完成，置status=S6，否則置status=S5。

（6）當(dāng)status=S6狀態(tài)時(shí)，當(dāng)Thiswide_num=1，代表在奇偶校驗(yàn)位開始，置status=S7；當(dāng)Thiswide_num=2，代表在奇偶校驗(yàn)位中間，取奇偶校驗(yàn)位，然后判斷校驗(yàn)位是否，如果正確，代表解碼成功，設(shè)置CmdSync_Flag=1，并且置status=S1，進(jìn)入下一個(gè)命令解碼循環(huán)。

（7）當(dāng)status=S7狀態(tài)時(shí)，代表在奇偶校驗(yàn)位中間，取奇偶校驗(yàn)位，然后判斷校驗(yàn)位是否，如果正確，代表解碼成功，設(shè)置CmdSync_Flag=1，并且置status=S1，進(jìn)入下一個(gè)命令解碼循環(huán)。

3.2 M2數(shù)據(jù)編碼

利用dsPIC30F6010A的定時(shí)器2進(jìn)行精準(zhǔn)計(jì)時(shí)，通過(guò)單片機(jī)的I/O口發(fā)送需要的高低電平，來(lái)實(shí)現(xiàn)M2數(shù)據(jù)編碼功能。將片內(nèi)定時(shí)器2設(shè)置為軟件定時(shí)器模式，定時(shí)時(shí)間是半位寬度時(shí)間（即12微秒），在定時(shí)器中斷響應(yīng)程序中發(fā)送半位電平。

在曼碼格式中，數(shù)據(jù)同步占6個(gè)半位（即000111），一位數(shù)據(jù)占兩個(gè)半位（數(shù)據(jù)1為10，數(shù)據(jù)0為01），奇偶校驗(yàn)位也占兩個(gè)半位。編碼數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，先發(fā)射數(shù)據(jù)同步，再取數(shù)據(jù)（從高位到低位），然后發(fā)射奇偶校驗(yàn)位，形成BOO和BZO信號(hào)。為保證發(fā)送頻率穩(wěn)定，軟件程序開定時(shí)器之前時(shí)，先將數(shù)據(jù)以字為單位，按半位（12微妙）為周期轉(zhuǎn)換一個(gè)34字節(jié)數(shù)組，用0x00代表輸出低電平，用0x01代表輸出高電平。在片內(nèi)定時(shí)器2中斷響應(yīng)程序中，只需查詢數(shù)組當(dāng)前字節(jié)狀態(tài)，選擇輸出高低電平。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹的基于dsPIC30F6010A實(shí)現(xiàn)3516適配短節(jié)，充分利用單片機(jī)自身資源，實(shí)現(xiàn)了M2（曼碼）的軟編解碼，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了10道模擬信號(hào)A/D采集，5道脈沖信號(hào)采集和繼電器控制，電路十分簡(jiǎn)單，易于維護(hù)，所列程序都實(shí)際應(yīng)用于3516儀器中，思路清晰、完整可靠，為3516設(shè)計(jì)者提供一個(gè)新的思路。

參考文獻(xiàn)

[1]BakerAtlasAPR1L.3516XA WTS Slam Adapter.1998.

[2]Microchip.dsPIC30F6010A/6015Data sheet[DB/OL].http：//ww1.microchip.com/downloads/cn/DeviceDoc/cn530931.pdf.

[3]李媛媛，孫敬華，曹丙霞.基于AD7862和dsPIC30F的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2010，18（2）.

[4]馬秀妮，梁羽佳.曼徹斯特碼地面解碼方法與實(shí)現(xiàn)[J].石油儀器，2009，23（4）.

作者簡(jiǎn)介

車行（1984-），男，2006年畢業(yè)于西安電子科技大學(xué)，獲得大學(xué)本科學(xué)歷?，F(xiàn)為中電科22所工程師，從事硬件設(shè)計(jì)工作。

作者單位

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十二研究所 河南省新鄉(xiāng)市 453003