基于總線方式的鉆井模擬器設計

一、系統(tǒng)結構及工作原理

鉆井模擬器是實際應用中某個型號的鉆井設備的模型，不同的鉆井模擬器從結構和組成上來看都是大同小異，一般由受教師控制臺控制的司鉆控制臺、防噴器控制臺、阻流器控制臺、高壓管匯、節(jié)流管匯、投影系統(tǒng)、聲光報警系統(tǒng)等分模塊組成。這些模塊的數據通過以太網與教師控制臺進行交換，教師控制臺完成對采集到的數據進行分析、處理和顯示，從而完成鉆井過程的模擬，鉆井模擬器結構框圖如圖1所示。

1. RS485總線設計

RS485總線標準是一種簡易、廉價的通信技術，其收發(fā)器采用平衡驅動和差分接收，具有抑制共模干擾的能力。采用RS485總線結構便于模塊和設備的擴充，使得不同模塊間互連將更容易實現。在分模塊中都有一個獨立的主控制器，該主控制器除完成設備內RS485總線控制外，還要通過自帶的以太網接口完成與教師控制臺之間的數據交換，從而形成了一種雙總線控制系統(tǒng)，系統(tǒng)結構框圖見圖2。

鉆井模擬器的各個模塊是由大量的開關或調節(jié)最小單元構成。這些最小單元經RS485轉換接口與RS485^[1～4]總線連接，每個最小單元有唯一地址編碼，同一模塊內部使用一條RS485總線，模塊內部最小單元只需要4條導線連接，主控制器通過地址訪問最小單元。最小單元的數據采集和控制是由一塊單片機^[7]來完成的，單片機除具備基本的IO、UART和Timer功能外還將AD、比較器、時鐘、EEPROM、12C等外設集成在芯片內部，大幅度地簡化了芯片外圍電路，縮短開發(fā)周期和提高系統(tǒng)可靠性。最小單元數據采集與控制電路可分為開關量采集單元、開關量輸出單元、模擬量采集單元、模擬量輸出單元和數碼顯示單元5個種類，功能如圖3所示。