旋转导向工具载波通信专用集成电路设计

闫恒宇 李雪 白玉新 王贵刚

摘要：旋转导向工具工作环境恶劣，且可靠性要求高，指令下发及上传任务一般采用单总线通信，本文设计了一种ASIC专用芯片，ASIC芯片用于旋转导向钻井系统主电源/通信回路，在传输33V电能的同时，实现最高9 600 bps半双工串行通信。与通用集成电路相比具有体积更小、功耗更低、可靠性提高、性能提高、保密性增强等优点。通过专用芯片的设计，增强了旋转导向工具耐高温能力。

关键词：专用集成电路  单总线载波通信  频移键控  半双工串行通信

中图分类号：TN492    文献标识码：A           文章编号：

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

旋轉导向钻井系统电子控制电路功能复杂，通过将数百个阻容器件、通用集成电路等元器件焊接、组装在高TG值PCB电路板上实现，这种设计方式在高温环境下主要存在如下问题。

（1）在高温下PCB互连线和焊点的可靠性低，传统设计方式元器件连线和焊点较多，系统可靠性降低。

（2）在高温环境下，元器件失效率迅速上升。采用的元器件数量较多，系统可靠性大大降低[1]。

（3）选用多个通用芯片实现特定功能，消耗功率高，对系统的可靠性有负面影响。

（4）系统的保密性不高，易于被破解和仿制。

专用集成电路芯片（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）是一种为专用目的设计的集成电路。与通用集成电路相比，采用ASIC芯片具有体积更小、功耗更低、可靠性提高、性能提高、保密性增强等优点[2]。因此，通过进行ASIC芯片的开发，可以使得电路耐高温性能及可靠性得到明显的提升。

目前单总线信号传输方式为旋转导向系统常见传输方式[3-4]，该通信方法原理为电力线载波通信原理，在电网中应用非常广泛[5]，文章设计的ASIC芯片用于旋转导向钻井系统主电源/通信回路（M30回路），在传输33 V电能的同时，实现最高9 600 bps半双工串行通信。

1 ASIC芯片整体结构

芯片的组成框图如图1所示，主要包含时钟发生与分配网络、主控模块、频移键控调制与驱动模块、按位解调处理模块、全数字锁相环模块。该芯片主要实现M30总线上叠加的双向载波信号调制解调功能。终端主控单元的上行数据信号以异步串行数据的方式输入接口芯片。主控模块根据M30总线载波侦测的结果判断当前是否允许向M30总线调制上传该数据信号。若允许上传，则将上行数据信号转发至频移键控调制与驱动模块，并通过四路H桥电路实时调制到M30总线上。若接口芯片侦测到M30总线有其他节点的频移键控调制信号（即下行命令调制波形），则通过全数字锁相环模块和按位解调处理模块接收并解调该下行命令，以异步串行数据的方式从本接口芯片输出。时钟发生与分配网络负责产生并分配接口芯片内部各模块所需的各类基准时钟信号。

2 芯片功能模块

ASIC主要由串口数据收发及载波信号调制解调两大部分组成，UART IP是一个符合UART协议的全双工通信接口，总体结构设计简单紧凑、可靠性高[6]。载波接收及调制功能则分别通过TIMER模块及PWM模块完成，PWM驱动H桥电路，通过互补的N、P MOSFET组合工作完成电路功能[7]。对于载波信号，规定273 kHz作为数字信号1 256 kHz作为数字信号0，通过按位编解码的方式，将M30总线的数据转发给数据执行单元或者将数据执行单元返回的数据调制到总线上。

2.1 UART模块

UART模块的主要功能描述如下：

（1）具有独立的接收和发送FIFO；

（2）接收和发送FIFO的深度为2；

（3）具有可配置的奇偶校验功能；

（4）具有可配置的1～2个STOP bit；

（5）波特率可调；

（6）具备接收/发送完成中断。

UART模块具有三大块，即APB_IF、RX和TX单元，其内部结构如图2所示，主要功能有接收功能（RX）和发送功能（TX）。

发送功能：能够根据配置，将总线写入FIFO的数据按照固定的格式发送出去。

接收功能：能够根据配置，按照格式接收外部数据。

内部结构中，APB接口单元是总线与寄存器接口，内部包括FIFO接口、控制寄存器等。TX FIFO模块用于写入待发送的数据。TX FSM根据波特率和其他配置信息，控制整个发送过程。RX FSM控制接收过程。RX FIFO是存储接收到数据。

2.1.1 UART TX模块

主控单元在检测到有数据可发送后，首先拉低TX_EN（内部收到载波数据后软件使能），之后将载波数据写入TX FIFO。TX的FSM会在下一个波特率脉冲时发出START位，持续时间为一个脉冲长度。在下一个脉冲时，发出待发送数据的D0，后面依次发出D1～D7。然后发送自己计算产生的奇偶校验位，最后，发送1～2个bit的STOP位。

TX FSM在检测到FIFO非空的时候，会开始发送过程。只要检测到FIFO非空，且UART TX功能打开，UART就会一直发送。如果在发送过程中关闭TX_EN（载波数据结束，内部关闭TX_EN），则状态机会立即回到初始态，立即停止发送数据，等待TX_EN再次打开。

波形设定：波特率发生模块根据预先设置的波特率，发出固定时间的脉冲。在脉冲的指引下，TX模块会发出数据，数据格式如图3。

2.1.2 UART RX模块

UART RX具备滤波功能，RX会根据波特率选择接收数据的中间点，连续进行3次采样，若有两次相同，则舍弃与其他两次不同的值。

UART RX的接收以RX判断到START位开始，在接收到START位之后，设置下一个采样点为1.5个脉冲，则可确保下一次采样在数据的中段，第三次采样发生在第二次采样的一个脉冲之后，数据格式如图4所示。

在接收完D0～D7之后，接收極性，之后默认两次脉冲接收到数据为STOP bit。UART的接收过程只需要RX_EN使能控制，当RX_EN使能后，UART的接收过程无法停止。每收到一个bit数据，会产生一个RX中断，将接收到的后续数据会写入RX FIFO，并通过PWM驱动单元驱动H桥向上载波。

2.2 载波数据收发模块

信号的载波接收及调制功能分别通过TIMER模块及PWM模块完成，PWM模块通过芯片内部产生的三角波比较产生两组互补的PWM信号，以下分别介绍载波数据捕获模块及载波数据调制模块。

2.2.1 载波数据捕获

载波数据捕获的原理为将FSK正弦波首先通过比较器将其转换为方波，再通过芯片内部的TIMER模块及PWM捕获模块记录下降沿个数，转换为信号频率后通过I/O口输出高低电平，具体如图5所示。

2.2.2 载波数据调制模块

对于载波信号调制功能，则使用PWM模块，模块内部有1路PMW电路，其主要用来产生规定周期和分频比的脉冲信号，如图6所示。

该模块的输出会和UART模块的输出RX_EN进行与操作，RX_EN生效后，当UART输入的RX无数据时，pwm的输出不会起作用，当UART输入时，会将UART接收到的高低电平转换为相对应频率的PWM波形，PWM波形的占空比保持50%，频率根据数据的0或者1做出实时调整。模块的示意图如图7所示。

最终通过外围电路的4路MOS管组成H桥电路，P管作为上管、N管作为下管的方式驱动[8]，最终通过变压器降压后通过耦合电容耦合到M30总线上，具体如图8所示。

3 设计实现与性能分析

此芯片重要的设计部分为载波信号的读取和发送及UART信号的发送及接收。芯片的载波数据接收及发送均为按位操作，当芯片收到载波信号即开始解码，并将串口发送使能信号拉低，当载波信号下传结束时即可完成串口信号的发出。由于芯片设计为半双工运行，发完串口数据后接下来会等待串口数据的返回，返回时伴随着ASIC芯片RXD_EN引脚电平被拉低，此时芯片开始接收串口数据并将其按位编码上载，信号发送时序如图9所示。

在芯片测试板上进行实际的H桥驱动、载波收发波形、上位机数据传输监控，测试结果如图10所示，上下行通信成功率100%，实现了预期的设计效果。

4 结语

该设计完成了一款应用于旋转导向钻井工具的载波信号调制解调芯片，通过自主设计芯片原理部分、版图部分及通信协议，实现了知识产权完全自主化的设计，该芯片主要包括PWM捕捉、输出及UART通信功能，可以完成256 kHz/273 kHz的二进制载波数据收发，由于其采用了芯片设计避免了逻辑电路搭建，提升了电路的可靠性及耐温等级，在实际高温钻井作业中出色地完成了任务。

参考文献

[1] 宋红喜，曾义金，张卫，等.旋转导向系统现状及关键技术分析[J].科学技术与工程，2021，21（6）：2123-2131.

[2] 姚亚峰，陈建文，黄载禄.ASIC设计技术及其发展研究[J].中国集成电路，2006（10）：15-20，42.

[3] 张健阁，罗维，慈浩然，等.CNPC-IDS旋转导向系统井下工具单总线通信技术[J].中国石油和化工标准与质量，2021，41（23）：173-174.

[4] 王丽，吴利华，朱亮.频移键控在单芯电缆通讯中的原理与实现[J].测井技术，2020，44（1）：8-11，54.

[5] 毛敏.低压电力线载波通信系统关键技术研究[D].北京：北京邮电大学，2017.

[6] 李雪伟，宗荣芳，刘浩，等.基于PLD的UART接口芯片电路設计[J].信息技术与信息化，2021（10）：174-176.

[7] 徐飞，党博，王新亚，等.基于AD9838的FSK调制信号系统[J].传感器世界，2020，26（1）：5-6，18-21.

[8] 罗建鑫.一种H桥智能功率驱动芯片及保护电路的设计[D].成都：电子科技大学，2022.