??? 摘? 要： 在油田錄井作業中，鉆井現場環境惡劣，電磁干擾較大，為保證錄井數據采集和傳輸的正確和可靠，在無線錄井數據采集設計中采用先進的隔離器" title="數字隔離器">數字隔離器替代常用的光電隔離器。現場應用試驗表明，該設計不僅降低了系統功耗，減少了PCB板面積，而且達到了高可靠性和高速傳輸的目的，完全滿足錄井工作的現場要求。?
??? 關鍵詞： 錄井；數據采集與傳輸；數字隔離器
?
??? 綜合錄井儀提供的資料主要有地質錄井資料和工程錄井資料[1]。對于工程錄井，現場各種傳感器信號的采集和傳輸是實現實時鉆井過程監測、信息集成與綜合控制的基礎。綜合錄井儀作為一種用于工程參數錄井的隨鉆設備，其數據采集部分的設計對指導鉆井作業至關重要。?
??? 綜合錄井儀的數據采集與傳輸一般采用有線供電和有線傳輸（RS485或CAN總線），由于井場環境復雜，布線工作量大且繁瑣，因而綜合錄井工程參數采集與傳輸系統的供電和傳輸無線化是未來錄井儀的研究和發展方向。錄井數據采集與傳輸系統的無線化要求現場數據采集器的設計具有抗干擾性強、低功耗等特點。?
1 錄井數據采集與傳輸系統的總體設計要求?
??? 無線錄井數據采集與傳輸系統的總體結構如圖1所示。現場數據采集與傳輸模塊針對不同傳感器而具有不同結構，一對多數傳電臺實現數字無線通信。在強干擾環境中，或高性能要求下，必須對各個數據采集與傳輸節點內部實行電氣隔離，防止干擾的串入，保證系統的可靠性。?
?
?
2 基于數字隔離器的數據采集傳輸電路的結構設計?
??? 錄井采集電路的結構因被采集信號（傳感器）的不同而不同，其設計可分為三個部分：信號調理、數據采集、數據傳輸。圖2所示是脈沖量數據采集電路。在電磁干擾強烈的鉆井井場，由于現場情況十分復雜，為了防止干擾通過信號線在系統內傳遞，同時保護系統電路不受外部強電的破壞，在傳感器與信號處理電路之間、信號處理電路與無線通信子系統之間加入了數字隔離器。?
?
?
??? 信號隔離（耦合）技術有光電耦合、電感耦合、電容耦合等。常見的光電耦合器件有6N136，6N137，速率可分別達到1 Mb/s、10 Mb/s。另外，HCPL系列(如HCPL-2530、HCPL-2630)可以實現雙路信號隔離。傳統的隔離方法是采用光耦合器件來隔離和保護檢測電路。以6N137為例，該器件工作電壓為5 V，最高速率10 Mb/s，工作溫度一般為0 ℃～70 ℃，隔離電壓2 500 Vrms，并且以DIP8型封裝，每個芯片僅提供一個隔離通道，這些性能已經限制了6N137在更高要求環境中的應用。?
??? 本系統設計中數字信號隔離采用電感耦合器ADuM120x/ADuM130x，它在功耗和性能方面明顯優于光電耦合器。在相同的數據傳輸速率下，其功耗僅為普通光電耦合器的1/10～1/50。與其他隔離器件比較，該隔離器由于采用了電感耦合技術，瞬態共模抑制力及通道間匹配程度均優于傳統光電隔離器，且能在同一芯片內提供正向和反向通信通道。功耗低、多通道、雙向性、外圍電路簡單、體積小，使其滿足小型化的要求，非常適用于無線錄井數據采集與傳輸系統。?
3 數字隔離器的結構和特點?
??? ADuM120x/ADuM130x隔離器是美國模擬器件公司應用iCoupler專利技術、采用平面磁場隔離技術制作的新型信號隔離器件。圖3所示是ADuM1301內部原理圖，VIA-VOA和VIB-VOB是兩路方向相同的隔離通道，VIC-VOC是反方向的一路通道。VDD1、GND1和VDD2、GND2分別是被隔離兩側的電源和參考地。?
?
?
????由于沒有光電耦合器中影響效率的光電轉換環節，所以iCoupler數字隔離器不需要驅動LED的外部電路，其功耗僅為光電耦合器的1/10～1/50。與現在普遍使用的光電耦合器相比，其小體積的SoIC封裝，其印制電路板（PCB）面積縮小60％，降低了成本。每通道成本降低40％，功耗降低98％[2]。這種數字隔離器非常適合各種工業應用，包括數據通信、數據轉換器接口以及其他多通道隔離應用。?
????另外，iCoupler數字隔離器的隔離通道具有比光電耦合器更高的數據傳輸速率、時序精度和瞬態共模抑制能力。與光電耦合器不同的是，多通道iCoupler數字隔離器能在同一芯片內提供正向和反向通信通道。 每一種產品都分3種性能等級，分別支持1 Mb/s、10 Mb/s和100 Mb/s數據傳輸速率，并且每種速率下都具有適當的時序精確性。?
??? 該系列器件都與較低電壓系統兼容并且能夠通過隔離層耦合電壓，它們都采用2.7～5.5 V單電源供電并且可加在輸入或輸出的任一端。產品具有極低的脈沖寬度偏差，并且對于高性能等級不同通道之間的偏差低，為2ns[3]。?
4 基于數字隔離器的實際應用電路設計?
??? 由于錄井數據是通過串口與數字電臺相連接進而實現數據無線傳輸，數據是雙向的，加上電臺控制信號，同一芯片內需要2個正向和1個反向通信通道，故實際運用中選擇了ADuM1301。?
??? 使用時只需在VDD1和GND1、VDD2和GND2之間接入0.01 μF～0.1 μF電源濾波電容,以濾除高頻干擾。電源電壓范圍在2.7～5.5 V之間,這樣可以實現低電壓供電，從而進一步降低系統功耗。由于兩個隔離通道高度匹配，通道間串擾很小，并且采用三通道輸入輸出雙向設計，非常適合本系統串行通信雙向收發的特性，大大簡化了隔離器件兩端的硬件連接。圖4是實際設計應用中ADuM1301的連接方法。?
?
?
??? 圖4中的C8和C9是兩個濾波電容。VCC、GND1和V5V、GND2分別為單片機AT89C2051側和串口電平轉換芯片MAX232側的電源和參考地，是兩個獨立的供電系統。為降低功耗，二者可以是不同電平，本系統中單片機側為3.3 V，串口側為5 V，隔離器件位于二者中間，起到隔離抗干擾作用，增強系統穩定性。標號TXD、RXD、SLEEP和TXO、RXIN、DTR的信號分別對應，直接連到兩側器件上。其中TXD、RXD是串口的收發信號，SLEEP是MCU發出的一個控制信號。VE1和VE2分別為雙向輸出使能端，必須接上高電平才能正常通信。?
5 錄井現場應用的功耗測試與傳輸功能測試?
??? 一般常用的數字信號隔離器是光電耦合器，例如6N137，采用了光電轉換的原理。這種隔離方法應用較為廣泛，但其功耗太大，不適合本課題的低功耗要求。對于6N137，采用5 V供電時，輸出高電平時需要的供電電流為10 mA～15 mA，使能端電流為1 mA；在輸出低電平時需要的供電電流為15 mA～18 mA，使能端電流為1.5 mA～2 mA。假設高電平和低電平機會均等，其平均工作電流為13.75 mA～18 mA。?
??? 脈沖量無線采集傳輸模塊在傳感器信號調理部分時還需要一路隔離器，單片機與數傳電臺的通信隔離需要兩路隔離器(不考慮控制信號一路)，而每一個6N137芯片只能提供一路信號隔離通道，因此每個無線采集傳輸模塊要用3個6N137，消耗的電流達41.25 mA～54 mA。?
??? 數字隔離器由于采用了電感耦合技術，避免了LED的使用，從而降低了功耗。對于ADuM1301，在兩側電壓為5 V(實際使用時用3 V供電功耗更低，這里為了與6N137的功耗比較，采用了5 V供電時的數據)，數據通信速率低于2 Mb/s時，兩路通道需要的供電電流各為 0.8 mA～1.2 mA，兩片ADuM1301就可以滿足一個無線采集傳輸模塊的需要，消耗電流為2.4 mA～3.6 mA，與采用6N137的方案相比，電流消耗降低到1/10以下，功耗也相應同比例降低。?
??? 降低功耗的前提必須是數據能夠正確傳輸，隔離前后不能出現誤碼，圖5是系統現場實際應用時測到的一路信號隔離前（上面）和隔離后（下面）的波形。可以看出，波形嚴格對應一致，隔離前后不存在出錯現象，能夠滿足信號隔離和串行通信隔離的要求。?
?
?
??? ADuM1xxx系列多通道數字隔離器由于其先進的功能和優良特性，可用來代替傳統的光電隔離器件。該數字隔離器應用簡單，不需要其他的驅動和分立元件；傳輸速度快，消除了傳統光電隔離器不確定的傳輸速率、非線性的傳輸函數以及溫度和壽命對器件的影響，提供了更加穩定的轉化性能；功耗低，而且在相同的信號傳輸速率下功耗不到光電隔離器的1/10，由一個隔離芯片代替以往的多個，大大增加了通道間的匹配程度，使系統獲得更好的隔離性能。?
??? 現場錄井實際應用表明，該設計能夠降低系統功耗，簡化系統結構，提高系統可靠性和系統的整體性能，滿足系統需要快速響應的實時性要求，滿足了系統太陽能供電需要低功耗的要求，適用于無線錄井數據采集與傳輸系統的應用。?
參考文獻?
[1] 秦紅祥．綜合錄井技術在鉆井工程中的應用[J]．西部探礦工程，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，洪權，李剛.雙通道數字式隔離器ADUM1201在CAN總線通信系統中的應用[J].電子產品世界，2005(7)：98-100.