原创 数字隔离器在无线录井数据采集与传输系统中的应用

数字隔离器在无线录井数据采集与传输系统中的应用

                                                      于云华，郑淑慧，戴永寿，孙洪涛

                           (中国石油大学（华东） 信息与控制工程学院，山东 东营257061)

    摘  要： 在油田录井作业中，钻井现场环境恶劣，电磁干扰较大，为保证录井数据采集和传输的正确和可靠，在无线录井数据采集设计中采用先进的数字隔离器替代常用的光电隔离器。现场应用试验表明，该设计不仅降低了系统功耗，减少了PCB板面积，而且达到了高可靠性和高速传输的目的，完全满足录井工作的现场要求。 

    关键词： 录井；数据采集与传输；数字隔离器

    综合录井仪提供的资料主要有地质录井资料和工程录井资料^[1]。对于工程录井，现场各种传感器信号的采集和传输是实现实时钻井过程监测、信息集成与综合控制的基础。综合录井仪作为一种用于工程参数录井的随钻设备，其数据采集部分的设计对指导钻井作业至关重要。 

    综合录井仪的数据采集与传输一般采用有线供电和有线传输（RS485或CAN总线），由于井场环境复杂，布线工作量大且繁琐，因而综合录井工程参数采集与传输系统的供电和传输无线化是未来录井仪的研究和发展方向。录井数据采集与传输系统的无线化要求现场数据采集器的设计具有抗干扰性强、低功耗等特点。 

1 录井数据采集与传输系统的总体设计要求 

    无线录井数据采集与传输系统的总体结构如图1所示。现场数据采集与传输模块针对不同传感器而具有不同结构，一对多数传电台实现数字无线通信。在强干扰环境中，或高性能要求下，必须对各个数据采集与传输节点内部实行电气隔离，防止干扰的串入，保证系统的可靠性。 

2 基于数字隔离器的数据采集传输电路的结构设计 

    录井采集电路的结构因被采集信号（传感器）的不同而不同，其设计可分为三个部分：信号调理、数据采集、数据传输。图2所示是脉冲量数据采集电路。在电磁干扰强烈的钻井井场，由于现场情况十分复杂，为了防止干扰通过信号线在系统内传递，同时保护系统电路不受外部强电的破坏，在传感器与信号处理电路之间、信号处理电路与无线通信子系统之间加入了数字隔离器。 

    信号隔离（耦合）技术有光电耦合、电感耦合、电容耦合等。常见的光电耦合器件有6N136，6N137，速率可分别达到1 Mb/s、10 Mb/s。另外，HCPL系列(如HCPL-2530、HCPL-2630)可以实现双路信号隔离。传统的隔离方法是采用光耦合器件来隔离和保护检测电路。以6N137为例，该器件工作电压为5 V，最高速率10 Mb/s，工作温度一般为0 ℃～70 ℃，隔离电压2 500 Vrms，并且以DIP8型封装，每个芯片仅提供一个隔离通道，这些性能已经限制了6N137在更高要求环境中的应用。 

    本系统设计中数字信号隔离采用电感耦合器ADuM120x/ADuM130x，它在功耗和性能方面明显优于光电耦合器。在相同的数据传输速率下，其功耗仅为普通光电耦合器的1/10～1/50。与其他隔离器件比较，该隔离器由于采用了电感耦合技术，瞬态共模抑制力及通道间匹配程度均优于传统光电隔离器，且能在同一芯片内提供正向和反向通信通道。功耗低、多通道、双向性、外围电路简单、体积小，使其满足小型化的要求，非常适用于无线录井数据采集与传输系统。 

3 数字隔离器的结构和特点 

    ADuM120x/ADuM130x隔离器是美国模拟器件公司应用iCoupler专利技术、采用平面磁场隔离技术制作的新型信号隔离器件。图3所示是ADuM1301内部原理图，V_IA-V_OA和V_IB-V_OB是两路方向相同的隔离通道，V_IC-V_OC是反方向的一路通道。V_DD1、GND₁和VDD₂、GND₂分别是被隔离两侧的电源和参考地。 

    由于没有光电耦合器中影响效率的光电转换环节，所以iCoupler数字隔离器不需要驱动LED的外部电路，其功耗仅为光电耦合器的1/10～1/50。与现在普遍使用的光电耦合器相比，其小体积的SoIC封装，其印制电路板（PCB）面积缩小60％，降低了成本。每通道成本降低40％，功耗降低98％^[2]。这种数字隔离器非常适合各种工业应用，包括数据通信、数据转换器接口以及其他多通道隔离应用。 

    另外，iCoupler数字隔离器的隔离通道具有比光电耦合器更高的数据传输速率、时序精度和瞬态共模抑制能力。与光电耦合器不同的是，多通道iCoupler数字隔离器能在同一芯片内提供正向和反向通信通道。 每一种产品都分3种性能等级，分别支持1 Mb/s、10 Mb/s和100 Mb/s数据传输速率，并且每种速率下都具有适当的时序精确性。 

    该系列器件都与较低电压系统兼容并且能够通过隔离层耦合电压，它们都采用2.7～5.5 V单电源供电并且可加在输入或输出的任一端。产品具有极低的脉冲宽度偏差，并且对于高性能等级不同通道之间的偏差低，为2ns^[3]。 

4 基于数字隔离器的实际应用电路设计 

    由于录井数据是通过串口与数字电台相连接进而实现数据无线传输，数据是双向的，加上电台控制信号，同一芯片内需要2个正向和1个反向通信通道，故实际运用中选择了ADuM1301。 

    使用时只需在VDD1和GND1、VDD2和GND2之间接入0.01 μF～0.1 μF电源滤波电容,以滤除高频干扰。电源电压范围在2.7～5.5 V之间,这样可以实现低电压供电，从而进一步降低系统功耗。由于两个隔离通道高度匹配，通道间串扰很小，并且采用三通道输入输出双向设计，非常适合本系统串行通信双向收发的特性，大大简化了隔离器件两端的硬件连接。图4是实际设计应用中ADuM1301的连接方法。 

    图4中的C8和C9是两个滤波电容。V_CC、GND1和V5V、GND2分别为单片机AT89C2051侧和串口电平转换芯片MAX232侧的电源和参考地，是两个独立的供电系统。为降低功耗，二者可以是不同电平，本系统中单片机侧为3.3 V，串口侧为5 V，隔离器件位于二者中间，起到隔离抗干扰作用，增强系统稳定性。标号TXD、RXD、SLEEP和TXO、RXIN、DTR的信号分别对应，直接连到两侧器件上。其中TXD、RXD是串口的收发信号，SLEEP是MCU发出的一个控制信号。VE1和VE2分别为双向输出使能端，必须接上高电平才能正常通信。 

5 录井现场应用的功耗测试与传输功能测试 

    一般常用的数字信号隔离器是光电耦合器，例如6N137，采用了光电转换的原理。这种隔离方法应用较为广泛，但其功耗太大，不适合本课题的低功耗要求。对于6N137，采用5 V供电时，输出高电平时需要的供电电流为10 mA～15 mA，使能端电流为1 mA；在输出低电平时需要的供电电流为15 mA～18 mA，使能端电流为1.5 mA～2 mA。假设高电平和低电平机会均等，其平均工作电流为13.75 mA～18 mA。 

    脉冲量无线采集传输模块在传感器信号调理部分时还需要一路隔离器，单片机与数传电台的通信隔离需要两路隔离器(不考虑控制信号一路)，而每一个6N137芯片只能提供一路信号隔离通道，因此每个无线采集传输模块要用3个6N137，消耗的电流达41.25 mA～54 mA。 

    数字隔离器由于采用了电感耦合技术，避免了LED的使用，从而降低了功耗。对于ADuM1301，在两侧电压为5 V(实际使用时用3 V供电功耗更低，这里为了与6N137的功耗比较，采用了5 V供电时的数据)，数据通信速率低于2 Mb/s时，两路通道需要的供电电流各为 0.8 mA～1.2 mA，两片ADuM1301就可以满足一个无线采集传输模块的需要，消耗电流为2.4 mA～3.6 mA，与采用6N137的方案相比，电流消耗降低到1/10以下，功耗也相应同比例降低。 

    降低功耗的前提必须是数据能够正确传输，隔离前后不能出现误码，图5是系统现场实际应用时测到的一路信号隔离前（上面）和隔离后（下面）的波形。可以看出，波形严格对应一致，隔离前后不存在出错现象，能够满足信号隔离和串行通信隔离的要求。 

    ADuM1xxx系列多通道数字隔离器由于其先进的功能和优良特性，可用来代替传统的光电隔离器件。该数字隔离器应用简单，不需要其他的驱动和分立元件；传输速度快，消除了传统光电隔离器不确定的传输速率、非线性的传输函数以及温度和寿命对器件的影响，提供了更加稳定的转化性能；功耗低，而且在相同的信号传输速率下功耗不到光电隔离器的1/10，由一个隔离芯片代替以往的多个，大大增加了通道间的匹配程度，使系统获得更好的隔离性能。 

    现场录井实际应用表明，该设计能够降低系统功耗，简化系统结构，提高系统可靠性和系统的整体性能，满足系统需要快速响应的实时性要求，满足了系统太阳能供电需要低功耗的要求，适用于无线录井数据采集与传输系统的应用。 

参考文献 

[1] 秦红祥．综合录井技术在钻井工程中的应用[J]．西部探矿工程，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，洪权，李刚.双通道数字式隔离器ADUM1201在CAN总线通信系统中的应用[J].电子产品世界，2005(7)：98-100.