基于dsPIC30F6010A實現3516適配短節

本文介紹以dsPIC30F6010A單片機為核心器件，充分利用單片機的自身資源，包括定時器、輸入捕捉模塊、高速運算的特點，實現3516適配短節，用輸入捕捉模塊實現曼碼的軟件編解碼，定時器實現5道計數，A/D采集等在硬件和軟件設計做了詳細論述。

【關鍵詞】dsPIC30F6010A 3516 曼碼 軟解碼 軟編碼

3516適配短節是5700井下儀器掛接3700儀器的中間短節，可以下掛電阻率儀器、脈沖類儀器和井徑儀器，同時也是測量5700電法的必備遙傳短節。進口3516適配短節是在90年代設計，通訊方式M2（曼徹斯特碼）編解碼采用專用芯片HD-15530實現，模擬道和脈沖道測量電路復雜，系統維護成本提高。考慮到目前單片機功能不斷提高，內置外設不斷豐富，完全可以采用新型單片機來實現M2曼碼的軟編解碼功能，采用單片機內部計數器做為脈沖信號計數，利用單片機控制片外A/D和多路開關實現對模擬信號的多路采集。基于dsPIC30F6010A單片機實現3516儀器設計，電路簡單，易于維護。

1 dsPIC30F6010A簡介

Microchip公司的dsPIC30F6010A是高性能的16位數字信號控制器（DSC），包括有廣泛的DSP功能和高性能的16位微控制器（MCU）架構。dsPIC30F6010A處理器采用改進的哈佛架構，具有獨立的程序和數據存儲器總線。該單片機的主要資源包括： 144KB FLASH，8KB RAM，4KB EEPROM；工作速度最高可達30MI/s；5個16位定時器/計數器；16位捕捉輸入功能；2個UART、2個SPI、1個I2C總線和2個CAN總線；最大I/O引腳數為68個。

2 儀器硬件

系統以dsPIC30F6010A單片機為主控芯片，利用片內資源，實現M2曼碼編解碼，模擬信號采集，脈沖信號計數和儀器工作模式切換等功能。具體為：利用片內輸入捕捉模塊實現M2命令軟解碼；利用片內定時器2和I/O口RE5、RE7腳輸出，實現M2數據軟編碼；利用片上I/O和外部數據總線，通過控制片外A/D實現10道模擬信號的采集；利用片內5個計數器實現5道脈沖測量；通過片上I/O口控制繼電器實現儀器工作狀態的切換。

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DS78C20J處理成標準曼碼UDI信號，然后送到單片機輸入捕捉模塊的CEX0腳，并觸發輸入捕捉模塊0中斷，在中斷響應程序記錄相鄰觸發時間差，單片機程序根據M2格式進行軟解碼。根據接收到命令字（命令的第一個字）的高8位，判斷是否為3516命令（0x14xx或0x00xx），單片機執行相應的處理程序。命令字包括數據采集命令、數據發送命令、刻度命令（包括零刻、高刻、測井）和儀器狀態命令。

（2）M2數據發送：當3516儀器收到數據發送命令時，單片機進入數據發送子程序，根據曼碼特性進行編碼，用RE口產生曼碼信號BZO、BOO和控制信號MR，最后經DS1633H和變壓器發送M2格式數據。曼碼信號經M2數據總線，輸出至3514儀器。

（3）數據采集：當數據采集命令送至3516儀器后，儀器對脈沖和模擬信號進行采集和處理。5道脈沖信號經整形后，進入片內計數器（16位計數方式）進行計數。脈沖計數時，單片機先停止計數器工作，然后讀取寄存器數據，取完數據后清零計數器寄存器，然后進入下個計數周期，再重新開始計數。采集的脈沖道數據存儲到片內RAM中，并按3516數據格式存放。10道模擬信號經低通濾波處理、增益放大和多路開關后，送到A/D（AD976），單片機通過數據總線讀取A/D采集到的數據。由于只有一個A/D芯片，單片機采用分時方式對每道依次采集，并自動選擇通道增益（2倍或16倍）。采集的模擬道數據存儲到片內RAM中，并按3516數據格式存放。

（4）工作模式設置：在3516儀器中，工作模式有多種，如刻度、換擋等。單片機利用內部的P2口，通過對繼電器控制，實現工作模式的切換。

3 軟件設計

在dsPIC30F6010A軟件中，支持C語言和匯編語言編程，為了增加程序的可移植性和可讀性，本次設計使用C語言編程。

程序先解碼M2命令，當命令是3516命令時，即Cmd_Flag=1，執行相應的子程序，完成命令響應。主程序的流程圖如圖1所示。

在軟件設計中，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（邊沿觸發捕捉模式）來實現對M2命令的捕獲。曼碼數據經電路整形成UDI信號，其在上升沿和下降沿時觸發CEX0的中斷，程序根據相鄰上升沿、下降沿的時間差，先找出命令同步頭，再解碼16位命令數據和校驗位。先根據校驗位判斷解碼是否正確，再根據命令字判斷數據是否為3516命令，如果兩者都正確，則設置命令到達標志。M2命令解碼流程圖如圖2所示。

在圖2中，S1-S7，代表當前命令解碼狀態（status）。Thiswide_num表示相鄰觸發沿的時間差，數值代表半位的個數，比如Thiswide_num=3代表3個半位。數據Bit_Cnt表示解碼數據位個數，當Bit_Cnt=16時，表示命令數據解碼完成。當CmdSync_Flag=1代表奇偶校驗位正確，表示解碼成功。解碼具體過程如下：

在初始化時，將狀態設置為S1。當有脈沖沿觸發中斷時，中斷響應程序先計算Thiswide_num，，根據status狀態進入相應的處理程序，同時把當前捕獲時間（IC0TIME_now）保存為上次時間（IC0TIME_last）。

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

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

（3）當status=S3狀態時，當觸發沿為下降沿并且Thiswide_num=3或Thiswide_num=4時，代表找到第二個同步頭，到此命令同步頭解碼完成。當Thiswide_num=3時，置status=S4，說明到了第一個數據位的開始位置；當Thiswide_num=4時，置status=S5，表示到了第一個數據位的中間位置，開始取數，Bit_Cnt++。

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

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

（6）當status=S6狀態時，當Thiswide_num=1，代表在奇偶校驗位開始，置status=S7；當Thiswide_num=2，代表在奇偶校驗位中間，取奇偶校驗位，然后判斷校驗位是否，如果正確，代表解碼成功，設置CmdSync_Flag=1，并且置status=S1，進入下一個命令解碼循環。

（7）當status=S7狀態時，代表在奇偶校驗位中間，取奇偶校驗位，然后判斷校驗位是否，如果正確，代表解碼成功，設置CmdSync_Flag=1，并且置status=S1，進入下一個命令解碼循環。

3.2 M2數據編碼

利用dsPIC30F6010A的定時器2進行精準計時，通過單片機的I/O口發送需要的高低電平，來實現M2數據編碼功能。將片內定時器2設置為軟件定時器模式，定時時間是半位寬度時間（即12微秒），在定時器中斷響應程序中發送半位電平。

在曼碼格式中，數據同步占6個半位（即000111），一位數據占兩個半位（數據1為10，數據0為01），奇偶校驗位也占兩個半位。編碼數據發送時，先發射數據同步，再取數據（從高位到低位），然后發射奇偶校驗位，形成BOO和BZO信號。為保證發送頻率穩定，軟件程序開定時器之前時，先將數據以字為單位，按半位（12微妙）為周期轉換一個34字節數組，用0x00代表輸出低電平，用0x01代表輸出高電平。在片內定時器2中斷響應程序中，只需查詢數組當前字節狀態，選擇輸出高低電平。

4 結束語

本文介紹的基于dsPIC30F6010A實現3516適配短節，充分利用單片機自身資源，實現了M2（曼碼）的軟編解碼，同時也實現了10道模擬信號A/D采集，5道脈沖信號采集和繼電器控制，電路十分簡單，易于維護，所列程序都實際應用于3516儀器中，思路清晰、完整可靠，為3516設計者提供一個新的思路。

參考文獻

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[3]李媛媛，孫敬華，曹丙霞.基于AD7862和dsPIC30F的數據采集系統[J].電子設計工程，2010，18（2）.

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

作者簡介

車行（1984-），男，2006年畢業于西安電子科技大學，獲得大學本科學歷。現為中電科22所工程師，從事硬件設計工作。

作者單位

中國電子科技集團公司第二十二研究所 河南省新鄉市 453003