??? 摘? 要： 在油田錄井作業(yè)中，鉆井現(xiàn)場環(huán)境惡劣，電磁干擾較大，為保證錄井數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)恼_和可靠，在無線錄井數(shù)據(jù)采集設(shè)計中采用先進的隔離器" title="數(shù)字隔離器">數(shù)字隔離器替代常用的光電隔離器?，F(xiàn)場應(yīng)用試驗表明，該設(shè)計不僅降低了系統(tǒng)功耗，減少了PCB板面積，而且達到了高可靠性和高速傳輸?shù)哪康模耆珴M足錄井工作的現(xiàn)場要求。?

??? 關(guān)鍵詞： 錄井；數(shù)據(jù)采集與傳輸；數(shù)字隔離器

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??? 綜合錄井儀提供的資料主要有地質(zhì)錄井資料和工程錄井資料^[1]。對于工程錄井，現(xiàn)場各種傳感器信號的采集和傳輸是實現(xiàn)實時鉆井過程監(jiān)測、信息集成與綜合控制的基礎(chǔ)。綜合錄井儀作為一種用于工程參數(shù)錄井的隨鉆設(shè)備，其數(shù)據(jù)采集部分的設(shè)計對指導(dǎo)鉆井作業(yè)至關(guān)重要。?

??? 綜合錄井儀的數(shù)據(jù)采集與傳輸一般采用有線供電和有線傳輸（RS485或CAN總線），由于井場環(huán)境復(fù)雜，布線工作量大且繁瑣，因而綜合錄井工程參數(shù)采集與傳輸系統(tǒng)的供電和傳輸無線化是未來錄井儀的研究和發(fā)展方向。錄井數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)的無線化要求現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集器的設(shè)計具有抗干擾性強、低功耗等特點。?

1 錄井數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)的總體設(shè)計要求?

??? 無線錄井數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊針對不同傳感器而具有不同結(jié)構(gòu)，一對多數(shù)傳電臺實現(xiàn)數(shù)字無線通信。在強干擾環(huán)境中，或高性能要求下，必須對各個數(shù)據(jù)采集與傳輸節(jié)點內(nèi)部實行電氣隔離，防止干擾的串入，保證系統(tǒng)的可靠性。?

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2 基于數(shù)字隔離器的數(shù)據(jù)采集傳輸電路的結(jié)構(gòu)設(shè)計?

??? 錄井采集電路的結(jié)構(gòu)因被采集信號（傳感器）的不同而不同，其設(shè)計可分為三個部分：信號調(diào)理、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸。圖2所示是脈沖量數(shù)據(jù)采集電路。在電磁干擾強烈的鉆井井場，由于現(xiàn)場情況十分復(fù)雜，為了防止干擾通過信號線在系統(tǒng)內(nèi)傳遞，同時保護系統(tǒng)電路不受外部強電的破壞，在傳感器與信號處理電路之間、信號處理電路與無線通信子系統(tǒng)之間加入了數(shù)字隔離器。?

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??? 信號隔離（耦合）技術(shù)有光電耦合、電感耦合、電容耦合等。常見的光電耦合器件有6N136，6N137，速率可分別達到1 Mb/s、10 Mb/s。另外，HCPL系列(如HCPL-2530、HCPL-2630)可以實現(xiàn)雙路信號隔離。傳統(tǒng)的隔離方法是采用光耦合器件來隔離和保護檢測電路。以6N137為例，該器件工作電壓為5 V，最高速率10 Mb/s，工作溫度一般為0 ℃～70 ℃，隔離電壓2 500 Vrms，并且以DIP8型封裝，每個芯片僅提供一個隔離通道，這些性能已經(jīng)限制了6N137在更高要求環(huán)境中的應(yīng)用。?

??? 本系統(tǒng)設(shè)計中數(shù)字信號隔離采用電感耦合器ADuM120x/ADuM130x，它在功耗和性能方面明顯優(yōu)于光電耦合器。在相同的數(shù)據(jù)傳輸速率下，其功耗僅為普通光電耦合器的1/10～1/50。與其他隔離器件比較，該隔離器由于采用了電感耦合技術(shù)，瞬態(tài)共模抑制力及通道間匹配程度均優(yōu)于傳統(tǒng)光電隔離器，且能在同一芯片內(nèi)提供正向和反向通信通道。功耗低、多通道、雙向性、外圍電路簡單、體積小，使其滿足小型化的要求，非常適用于無線錄井數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)。?

3 數(shù)字隔離器的結(jié)構(gòu)和特點?

??? ADuM120x/ADuM130x隔離器是美國模擬器件公司應(yīng)用iCoupler專利技術(shù)、采用平面磁場隔離技術(shù)制作的新型信號隔離器件。圖3所示是ADuM1301內(nèi)部原理圖，V_IA-V_OA和V_IB-V_OB是兩路方向相同的隔離通道，V_IC-V_OC是反方向的一路通道。V_DD1、GND₁和VDD₂、GND₂分別是被隔離兩側(cè)的電源和參考地。?

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????由于沒有光電耦合器中影響效率的光電轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，所以iCoupler數(shù)字隔離器不需要驅(qū)動LED的外部電路，其功耗僅為光電耦合器的1/10～1/50。與現(xiàn)在普遍使用的光電耦合器相比，其小體積的SoIC封裝，其印制電路板（PCB）面積縮小60％，降低了成本。每通道成本降低40％，功耗降低98％^[2]。這種數(shù)字隔離器非常適合各種工業(yè)應(yīng)用，包括數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器接口以及其他多通道隔離應(yīng)用。?

????另外，iCoupler數(shù)字隔離器的隔離通道具有比光電耦合器更高的數(shù)據(jù)傳輸速率、時序精度和瞬態(tài)共模抑制能力。與光電耦合器不同的是，多通道iCoupler數(shù)字隔離器能在同一芯片內(nèi)提供正向和反向通信通道。 每一種產(chǎn)品都分3種性能等級，分別支持1 Mb/s、10 Mb/s和100 Mb/s數(shù)據(jù)傳輸速率，并且每種速率下都具有適當?shù)臅r序精確性。?

??? 該系列器件都與較低電壓系統(tǒng)兼容并且能夠通過隔離層耦合電壓，它們都采用2.7～5.5 V單電源供電并且可加在輸入或輸出的任一端。產(chǎn)品具有極低的脈沖寬度偏差，并且對于高性能等級不同通道之間的偏差低，為2ns^[3]。?

4 基于數(shù)字隔離器的實際應(yīng)用電路設(shè)計?

??? 由于錄井數(shù)據(jù)是通過串口與數(shù)字電臺相連接進而實現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸，數(shù)據(jù)是雙向的，加上電臺控制信號，同一芯片內(nèi)需要2個正向和1個反向通信通道，故實際運用中選擇了ADuM1301。?

??? 使用時只需在VDD1和GND1、VDD2和GND2之間接入0.01 μF～0.1 μF電源濾波電容,以濾除高頻干擾。電源電壓范圍在2.7～5.5 V之間,這樣可以實現(xiàn)低電壓供電，從而進一步降低系統(tǒng)功耗。由于兩個隔離通道高度匹配，通道間串擾很小，并且采用三通道輸入輸出雙向設(shè)計，非常適合本系統(tǒng)串行通信雙向收發(fā)的特性，大大簡化了隔離器件兩端的硬件連接。圖4是實際設(shè)計應(yīng)用中ADuM1301的連接方法。?

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??? 圖4中的C8和C9是兩個濾波電容。V_CC、GND1和V5V、GND2分別為單片機AT89C2051側(cè)和串口電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232側(cè)的電源和參考地，是兩個獨立的供電系統(tǒng)。為降低功耗，二者可以是不同電平，本系統(tǒng)中單片機側(cè)為3.3 V，串口側(cè)為5 V，隔離器件位于二者中間，起到隔離抗干擾作用，增強系統(tǒng)穩(wěn)定性。標號TXD、RXD、SLEEP和TXO、RXIN、DTR的信號分別對應(yīng)，直接連到兩側(cè)器件上。其中TXD、RXD是串口的收發(fā)信號，SLEEP是MCU發(fā)出的一個控制信號。VE1和VE2分別為雙向輸出使能端，必須接上高電平才能正常通信。?

5 錄井現(xiàn)場應(yīng)用的功耗測試與傳輸功能測試?

??? 一般常用的數(shù)字信號隔離器是光電耦合器，例如6N137，采用了光電轉(zhuǎn)換的原理。這種隔離方法應(yīng)用較為廣泛，但其功耗太大，不適合本課題的低功耗要求。對于6N137，采用5 V供電時，輸出高電平時需要的供電電流為10 mA～15 mA，使能端電流為1 mA；在輸出低電平時需要的供電電流為15 mA～18 mA，使能端電流為1.5 mA～2 mA。假設(shè)高電平和低電平機會均等，其平均工作電流為13.75 mA～18 mA。?

??? 脈沖量無線采集傳輸模塊在傳感器信號調(diào)理部分時還需要一路隔離器，單片機與數(shù)傳電臺的通信隔離需要兩路隔離器(不考慮控制信號一路)，而每一個6N137芯片只能提供一路信號隔離通道，因此每個無線采集傳輸模塊要用3個6N137，消耗的電流達41.25 mA～54 mA。?

??? 數(shù)字隔離器由于采用了電感耦合技術(shù)，避免了LED的使用，從而降低了功耗。對于ADuM1301，在兩側(cè)電壓為5 V(實際使用時用3 V供電功耗更低，這里為了與6N137的功耗比較，采用了5 V供電時的數(shù)據(jù))，數(shù)據(jù)通信速率低于2 Mb/s時，兩路通道需要的供電電流各為 0.8 mA～1.2 mA，兩片ADuM1301就可以滿足一個無線采集傳輸模塊的需要，消耗電流為2.4 mA～3.6 mA，與采用6N137的方案相比，電流消耗降低到1/10以下，功耗也相應(yīng)同比例降低。?

??? 降低功耗的前提必須是數(shù)據(jù)能夠正確傳輸，隔離前后不能出現(xiàn)誤碼，圖5是系統(tǒng)現(xiàn)場實際應(yīng)用時測到的一路信號隔離前（上面）和隔離后（下面）的波形。可以看出，波形嚴格對應(yīng)一致，隔離前后不存在出錯現(xiàn)象，能夠滿足信號隔離和串行通信隔離的要求。?

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??? ADuM1xxx系列多通道數(shù)字隔離器由于其先進的功能和優(yōu)良特性，可用來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光電隔離器件。該數(shù)字隔離器應(yīng)用簡單，不需要其他的驅(qū)動和分立元件；傳輸速度快，消除了傳統(tǒng)光電隔離器不確定的傳輸速率、非線性的傳輸函數(shù)以及溫度和壽命對器件的影響，提供了更加穩(wěn)定的轉(zhuǎn)化性能；功耗低，而且在相同的信號傳輸速率下功耗不到光電隔離器的1/10，由一個隔離芯片代替以往的多個，大大增加了通道間的匹配程度，使系統(tǒng)獲得更好的隔離性能。?

??? 現(xiàn)場錄井實際應(yīng)用表明，該設(shè)計能夠降低系統(tǒng)功耗，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)可靠性和系統(tǒng)的整體性能，滿足系統(tǒng)需要快速響應(yīng)的實時性要求，滿足了系統(tǒng)太陽能供電需要低功耗的要求，適用于無線錄井數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)的應(yīng)用。?

參考文獻?

[1] 秦紅祥．綜合錄井技術(shù)在鉆井工程中的應(yīng)用[J]．西部探礦工程，2004，67(6)：59-60.?

[2] Analog Devices，Inc.ADuM1300/ADuM1301 Triple-Channel Digital Isolators data sheet（Rev.E）.www.analog.com.?

[3] 林凌，洪權(quán)，李剛.雙通道數(shù)字式隔離器ADUM1201在CAN總線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電子產(chǎn)品世界，2005(7)：98-100.