旋轉導向工具載波通信專用集成電路設計

閆恒宇 李雪 白玉新 王貴剛

摘要：旋轉導向工具工作環境惡劣，且可靠性要求高，指令下發及上傳任務一般采用單總線通信，本文設計了一種ASIC專用芯片，ASIC芯片用于旋轉導向鉆井系統主電源/通信回路，在傳輸33V電能的同時，實現最高9?600?bps半雙工串行通信。與通用集成電路相比具有體積更小、功耗更低、可靠性提高、性能提高、保密性增強等優點。通過專用芯片的設計，增強了旋轉導向工具耐高溫能力。

關鍵詞：專用集成電路??單總線載波通信??頻移鍵控??半雙工串行通信

中圖分類號：TN492????文獻標識碼：A???????????文章編號：

Design?of?Application-Specific?Integrated?Circuits?for?Carrier?Communication?of?the?Rotary?Steering?Tool

YAN?Hengyu?LI?Xue??BAI?Yuxin?WANG?Guigang

（Aerospace?Shentuo（Beijing）?Technology?Co.，Ltd.，Beijing，?100176?China）

Abstract：?The?rotary?steering?tool?has?harsh?working?environment?and?has?high?requirements?for?the?reliability，?and?the?tasks?of?the?command?delivery?and?upload?generally?use?single-bus?communication.?This?paper?designs?a?special-purpose?ASIC?chip，?and?the?ASIC?chip?is?used?for?the?main?power?supply/communication?circuit?of?the?rotary?steering?drilling?system，?and?realizes?the?half-duplex?serial?communication?of?up?to?9600bps?while?transmitting?33V?power.?Compared?with?the?universal?integrated?circuit，?it?has?the?advantages?of?the?smaller?volume，?lower?power?consumption，?improved?reliability，?improved?performance?and?enhanced?confidentiality，?and?enhances?the?high?temperature?resistance?of?the?rotary?guide?tool?through?the?design?of?the?special-purpose?chip.

Key?Words：ASIC；Single?bus?carrier?communication；Frequency-shift?keying;?Half-duplex?serial?communication

旋轉導向鉆井系統電子控制電路功能復雜，通過將數百個阻容器件、通用集成電路等元器件焊接、組裝在高TG值PCB電路板上實現，這種設計方式在高溫環境下主要存在如下問題。

（1）在高溫下PCB互連線和焊點的可靠性低，傳統設計方式元器件連線和焊點較多，系統可靠性降低。

（2）在高溫環境下，元器件失效率迅速上升。采用的元器件數量較多，系統可靠性大大降低[1]。

（3）選用多個通用芯片實現特定功能，消耗功率高，對系統的可靠性有負面影響。

（4）系統的保密性不高，易于被破解和仿制。

專用集成電路芯片（Application?Specific?Integrated?Circuit，ASIC）是一種為專用目的設計的集成電路。與通用集成電路相比，采用ASIC芯片具有體積更小、功耗更低、可靠性提高、性能提高、保密性增強等優點[2]。因此，通過進行ASIC芯片的開發，可以使得電路耐高溫性能及可靠性得到明顯的提升。

目前單總線信號傳輸方式為旋轉導向系統常見傳輸方式[3-4]，該通信方法原理為電力線載波通信原理，在電網中應用非常廣泛[5]，文章設計的ASIC芯片用于旋轉導向鉆井系統主電源/通信回路（M30回路），在傳輸33?V電能的同時，實現最高9?600?bps半雙工串行通信。

1?ASIC芯片整體結構

芯片的組成框圖如圖1所示，主要包含時鐘發生與分配網絡、主控模塊、頻移鍵控調制與驅動模塊、按位解調處理模塊、全數字鎖相環模塊。該芯片主要實現M30總線上疊加的雙向載波信號調制解調功能。終端主控單元的上行數據信號以異步串行數據的方式輸入接口芯片。主控模塊根據M30總線載波偵測的結果判斷當前是否允許向M30總線調制上傳該數據信號。若允許上傳，則將上行數據信號轉發至頻移鍵控調制與驅動模塊，并通過四路H橋電路實時調制到M30總線上。若接口芯片偵測到M30總線有其他節點的頻移鍵控調制信號（即下行命令調制波形），則通過全數字鎖相環模塊和按位解調處理模塊接收并解調該下行命令，以異步串行數據的方式從本接口芯片輸出。時鐘發生與分配網絡負責產生并分配接口芯片內部各模塊所需的各類基準時鐘信號。

2?芯片功能模塊

ASIC主要由串口數據收發及載波信號調制解調兩大部分組成，UART?IP是一個符合UART協議的全雙工通信接口，總體結構設計簡單緊湊、可靠性高[6]。載波接收及調制功能則分別通過TIMER模塊及PWM模塊完成，PWM驅動H橋電路，通過互補的N、P?MOSFET組合工作完成電路功能[7]。對于載波信號，規定273?kHz作為數字信號1?256?kHz作為數字信號0，通過按位編解碼的方式，將M30總線的數據轉發給數據執行單元或者將數據執行單元返回的數據調制到總線上。

2.1?UART模塊

UART模塊的主要功能描述如下：

（1）具有獨立的接收和發送FIFO；

（2）接收和發送FIFO的深度為2；

（3）具有可配置的奇偶校驗功能；

（4）具有可配置的1～2個STOP?bit；

（5）波特率可調；

（6）具備接收/發送完成中斷。

UART模塊具有三大塊，即APB_IF、RX和TX單元，其內部結構如圖2所示，主要功能有接收功能（RX）和發送功能（TX）。

發送功能：能夠根據配置，將總線寫入FIFO的數據按照固定的格式發送出去。

接收功能：能夠根據配置，按照格式接收外部數據。

內部結構中，APB接口單元是總線與寄存器接口，內部包括FIFO接口、控制寄存器等。TX?FIFO模塊用于寫入待發送的數據。TX?FSM根據波特率和其他配置信息，控制整個發送過程。RX?FSM控制接收過程。RX?FIFO是存儲接收到數據。

2.1.1?UART?TX模塊

主控單元在檢測到有數據可發送后，首先拉低TX_EN（內部收到載波數據后軟件使能），之后將載波數據寫入TX?FIFO。TX的FSM會在下一個波特率脈沖時發出START位，持續時間為一個脈沖長度。在下一個脈沖時，發出待發送數據的D0，后面依次發出D1～D7。然后發送自己計算產生的奇偶校驗位，最后，發送1～2個bit的STOP位。

TX?FSM在檢測到FIFO非空的時候，會開始發送過程。只要檢測到FIFO非空，且UART?TX功能打開，UART就會一直發送。如果在發送過程中關閉TX_EN（載波數據結束，內部關閉TX_EN），則狀態機會立即回到初始態，立即停止發送數據，等待TX_EN再次打開。

波形設定：波特率發生模塊根據預先設置的波特率，發出固定時間的脈沖。在脈沖的指引下，TX模塊會發出數據，數據格式如圖3。

2.1.2?UART?RX模塊

UART?RX具備濾波功能，RX會根據波特率選擇接收數據的中間點，連續進行3次采樣，若有兩次相同，則舍棄與其他兩次不同的值。

UART?RX的接收以RX判斷到START位開始，在接收到START位之后，設置下一個采樣點為1.5個脈沖，則可確保下一次采樣在數據的中段，第三次采樣發生在第二次采樣的一個脈沖之后，數據格式如圖4所示。

在接收完D0～D7之后，接收極性，之后默認兩次脈沖接收到數據為STOP?bit。UART的接收過程只需要RX_EN使能控制，當RX_EN使能后，UART的接收過程無法停止。每收到一個bit數據，會產生一個RX中斷，將接收到的后續數據會寫入RX?FIFO，并通過PWM驅動單元驅動H橋向上載波。

2.2?載波數據收發模塊

信號的載波接收及調制功能分別通過TIMER模塊及PWM模塊完成，PWM模塊通過芯片內部產生的三角波比較產生兩組互補的PWM信號，以下分別介紹載波數據捕獲模塊及載波數據調制模塊。

2.2.1?載波數據捕獲

載波數據捕獲的原理為將FSK正弦波首先通過比較器將其轉換為方波，再通過芯片內部的TIMER模塊及PWM捕獲模塊記錄下降沿個數，轉換為信號頻率后通過I/O口輸出高低電平，具體如圖5所示。

2.2.2?載波數據調制模塊

對于載波信號調制功能，則使用PWM模塊，模塊內部有1路PMW電路，其主要用來產生規定周期和分頻比的脈沖信號，如圖6所示。

該模塊的輸出會和UART模塊的輸出RX_EN進行與操作，RX_EN生效后，當UART輸入的RX無數據時，pwm的輸出不會起作用，當UART輸入時，會將UART接收到的高低電平轉換為相對應頻率的PWM波形，PWM波形的占空比保持50%，頻率根據數據的0或者1做出實時調整。模塊的示意圖如圖7所示。

最終通過外圍電路的4路MOS管組成H橋電路，P管作為上管、N管作為下管的方式驅動[8]，最終通過變壓器降壓后通過耦合電容耦合到M30總線上，具體如圖8所示。

3?設計實現與性能分析

此芯片重要的設計部分為載波信號的讀取和發送及UART信號的發送及接收。芯片的載波數據接收及發送均為按位操作，當芯片收到載波信號即開始解碼，并將串口發送使能信號拉低，當載波信號下傳結束時即可完成串口信號的發出。由于芯片設計為半雙工運行，發完串口數據后接下來會等待串口數據的返回，返回時伴隨著ASIC芯片RXD_EN引腳電平被拉低，此時芯片開始接收串口數據并將其按位編碼上載，信號發送時序如圖9所示。

在芯片測試板上進行實際的H橋驅動、載波收發波形、上位機數據傳輸監控，測試結果如圖10所示，上下行通信成功率100%，實現了預期的設計效果。

4?結語

該設計完成了一款應用于旋轉導向鉆井工具的載波信號調制解調芯片，通過自主設計芯片原理部分、版圖部分及通信協議，實現了知識產權完全自主化的設計，該芯片主要包括PWM捕捉、輸出及UART通信功能，可以完成256?kHz/273?kHz的二進制載波數據收發，由于其采用了芯片設計避免了邏輯電路搭建，提升了電路的可靠性及耐溫等級，在實際高溫鉆井作業中出色地完成了任務。

參考文獻

[1] 宋紅喜，曾義金，張衛，等.旋轉導向系統現狀及關鍵技術分析[J].科學技術與工程，2021，21（6）：2123-2131.

[2] 姚亞峰，陳建文，黃載祿.ASIC設計技術及其發展研究[J].中國集成電路，2006（10）：15-20，42.

[3] 張健閣，羅維，慈浩然，等.CNPC-IDS旋轉導向系統井下工具單總線通信技術[J].中國石油和化工標準與質量，2021，41（23）：173-174.

[4] 王麗，吳利華，朱亮.頻移鍵控在單芯電纜通訊中的原理與實現[J].測井技術，2020，44（1）：8-11，54.

[5] 毛敏.低壓電力線載波通信系統關鍵技術研究[D].北京：北京郵電大學，2017.

[6] 李雪偉，宗榮芳，劉浩，等.基于PLD的UART接口芯片電路設計[J].信息技術與信息化，2021（10）：174-176.

[7] 徐飛，黨博，王新亞，等.基于AD9838的FSK調制信號系統[J].傳感器世界，2020，26（1）：5-6，18-21.

[8] 羅建鑫.一種H橋智能功率驅動芯片及保護電路的設計[D].成都：電子科技大學，2022.