用於海底電子模塊的路由設施的製作方法

2023-04-28 06:27:16

專利名稱：用於海底電子模塊的路由設施的製作方法
技術領域：
本發明一般涉及用於海底電子模塊(SEM)的路由設施。
背景技術：
海底電子模塊優選地用在例如井口 (wellhead)控制單元(WCU ) 的海底控制單元(SCU)中，以勘探和開採位於海底的氣田和油田。利 用與井口或者其它海底控制單元的電子通信來勘探或者開採的氣田和
油田有時稱為"電子田，，(e田)。
通常，若干海底控制單元和若干傳感器位於各個氣田或者油田附 近，並且連接到頂部控制點(topside control site)。為此，使用海底通 信。例如，過程數據在頂部控制點和海底控制單元之間傳輸。為了不需 要用於每個海底控制單元的單獨的通信線和電力線，海底控制單元在網 絡拓樸中布置在海底。 一個網絡元件(member)配備有用於與頂部控制 點進行海底通信的數據機。過程數據在網絡內路由到達各個接收 部，例如，頂部控制點或者特定的海底電子模塊。通常，將微分串行總 線(differential serial bus)用於該網絡。
在現有技術中，描述了用於海底通信的不同技術。 一方面，存在有 線電連接或者光連接，另一方面，存在無線連接。有線連接可以再劃分
利;電;線進;亍電子通信的第二組。、i後二種情況中，優點:不需要單
獨的通信線。
已知的海底控制單元需要用於採集和/或輸出數字和模擬過程數據
的至少兩個輸入/輸出(I/O)接口卡。另外，已知的海底控制單元需要
待直接連接到它們的用於每個網絡/總線元件的一個路由卡。因此，如果 若干海底從控單元要連接到包括數據機的一個海底主控單元，則必 須在海底主控單元中安裝相同數量的路由卡。如果要採集過程數據或者 如果要控制過程，則所需卡的數量增加。這些多個卡耗費空間且耗能
發明內容
本發明的目的是規定用於海底電子模塊的路由設施，通過其可以節 省海底電子模塊的空間和功率。
該問題通過包括權利要求1給出的特徵的路由設施而得到解決。 本發明的有利的實施例在從屬權利要求中給出。
根據本發明，用於海底電子模塊的路由設施在單個電路板上包括用 於將數據包在微分串行總線的段之間路由的裝置以及用於數字和/或模 擬過程值的至少一個輸入/輸出接口 ，其中該過程值通過該微分串行總線 可訪問。如果這樣的路由設施用在海底電子模塊中，與和多個現有技術 的輸入/輸出接口卡結合的現有技術路由器卡相比，功耗以及所需空間極 大減少，原因在於可以省去額外的輸入/輸出卡。在本發明的用語中，術 語"輸入/輸出接口"包括單向接口和雙向接口 ，即純輸入接口、純輸出接 口和組合的輸入/輸出接口 。
路由設施實施例的原型已經建立，包括優選的總共三個一輸入/輸出 接口，即數字輸入接口、數字輸出接口和模擬輸入接口。通過該實施例， 儘管可以省去兩個常規的輸入/輸出接口卡，但仍然提供了用於數字和模 擬的兩秤類型數據的通用可連接性。因此，海底電子模塊可以構造得非 常緊湊。
在非常優選的實施例中，路由設施包括微控制器、現場可編程門陣
列(FPGA)和至少兩個路由器資源作為用於路由的所述裝置，其中每 個路由器資源包括用於微分串行總線的各個本地收發器和用於微分串 行總線的各個遠程收發器，並且其中每個本地收發器與對應的遠程收發 器連接，並且與能將數據包在所述路由器資源之間路由的所述現場可編 程門陣列連接。
尤其是，該收發器可以是用於實現過程現場總線DP微分串行總線 的半雙工收發器。可替代地，微分串行總線可以是CAN總線。
海底網絡的高容錯可以通過每個所述遠程收發器與對應的本地收 發器電隔離(galvanically isolate)的實施例來達到，其中所述遠程收發 器是浮動的，而所述本地收發器與本地電氣接地相聯繫，且其中每個所 述遠程收發器包括有源總線端接裝置和偏置裝置。
由海水電纜中電壓峰值、電勢差或者短路引起的故障和缺陷可以通 過該實施例避免。
在另一個實施例中，每個所述遠程收發器包括有源總線端接裝置和偏置裝置。這也增加了容錯，因為即使一條海水電纜中斷(例如，如果 它被意外切斷)，則其餘總線/網絡可以保持工作。
優選地，該微控制器和該現場可編程門陣列通過控制總線可連接到 海底電子模塊的主要控制單元。這使得能在主控制單元和路由設備之間 進行快速數據交換，尤其用於將數據包傳送到由主要控制單元驅動的調 制解調器。
優選地，該路由器資源提供可變傳輸比特率。例如，微分總線上的 通信速度因此可以調整為到頂部控制側的連結的通信速度。該連結可以 是，例如電力線。尤其是，微分總線上的比特率可以設定為完全採用頂 部連結的實際最大通信速度。尤其是，在微控制器和現場可編程門陣列 通過控制總線可連接到海底電子模塊的主要控制單元的實施例中，至任 何連接的遠程從裝置的比特率可以通過路由設施調整。每個路由信道就 通過它的數據的比特率而言是透明的。
在另一個實施例中，該控制總線通過插頭和插座連接可連接到主要 控制單元。因此在缺陷或者硬體更新情況下，可以只是更換電路板。尤
其是，該電路板可以設計為例如PC104標準提出的可堆疊卡，因此進一 步減少空間耗費。
當然，本發明還涉及用於海底控制單元的海底電子模塊，該海底電 子模塊包括根據本發明的路由設施。


下面，通過若干附圖進一步詳細描述本發明。 圖1示出路由設施電路板的第一側的方框圖。 圖2示出路由設施電路板的示意性側視圖。 圖3示出路由設施電路板的背側的方框圖。 圖4示出一個路由設備的方框圖。 在所有圖中，相同的附圖標記表示相應的部分。
具體實施例方式
在圖1的正視圖中示出的路由設施1是單個印刷電路板2，在其第 一側上在雙D-Sub插頭和插座連接器(plug-and-socket connector) 6旁 邊包括微控制器3、現場可編程門陣列4以及四個路由器資源(router
5resource) 5。插頭和插座連接器6布置為穿過電路板2,在電路板2的 一側具有示範性的04管腳插頭而在另一側具有對應的插孔。例如，其 是根據PC104標準的可堆疊總線連接器。這允許將路由設施1卡與其它 具有相同連接器類型的卡一起堆疊。這樣的卡堆疊在海底控制單元的海 底電子模塊7中需要最小的空間。
例如，電路板2具有根據PC104標準的形式(format)。通過插頭 和插座連接器6，電路板2可以連接到海底電子模塊(未示出)的控制 總線8，尤其是連接到這樣的模塊的主要控制單元(未示出)。在圖示 的示例中，控制總線8是8位工業標準結構(ISA)總線。可替代地， 例如它可以是較寬ISA總線、PCI總線或者IEEE 1394總線。然而，路 由設施1也可以單獨使用而非堆疊。為此，它可替代地可以通過根據I2C 標準的總線連接到海底電子模塊7。路由設施l,尤其是微控制器3，也 可以通過用於保持訪問的RS-232串行接口(未示出)而連接到海底電子 模塊。路由設施l卡，即電路板2，也可以用於獨立操作而非PC104堆 疊。然而，如果PC104連接存在，則路由設施1的電源可從其獲得。也 可以使用其它電源，尤其是在獨立操作時。
每個路由器資源5包括用於微分串行總線的一個半雙工本地收發器 9和用於微分串行總線的一個半雙工遠程收發器10。在圖示的示例中， 微分串行總線是RS-485過程現場總線DP (RS-485 PROFIBUS DP)。 可替代地，例如其可以是CAN總線。也可以使用全雙工收發器9、 10。 海底電子單元7可以具有連接到頂部主裝置(Master)的微分串行總線 的從裝置(Slave)，而且它可以提供一個或者多個單獨的微分串行總線 主裝置，該微分串行總線主裝置具有連接到它們的路由器資源5的單獨 的從裝置。
遠程收發器10與路由設施1的其餘部分電隔離，尤其是與本地收 發器9電隔離。它們配備有有源總線端接裝置(此圖未示出)和偏置 (bias)裝置(此圖未示出)。每個遠程收發器IO連接到提供所有外部 連接的單個44管腳插頭11的不同管腳。尤其是，用於微分串行總線的 外部總線元件可以通過插頭11的不同管腳來連接。尤其在對路由設施1 的獨立操作中，插頭U還可以用於到外部PC的串行埠的RS-232連 接。
本地收發器9連接到現場可編程門陣列4的單獨的總線埠。每個遠程收發器9由可通過現場可編程門陣列4逐個斷開的各個直流/直流轉 換器(此圖未示出)供電(supply)。通常，僅當遠程總線元件連接到 對應的路由器資源5時，才啟用直流/直流轉換器以省電。
可以連接到插頭11的管腳的可能的總線元件例如是其它海底控制 單元(即，它們的電子模塊7)或者是能通過微分串行總線提供它們的 過程數據的傳感器(此圖未示出)。這樣的傳感器優選地配置在海底控 制單元的外部，例如在井架(well tree)中或者管道上。傳感器例如可 以是海水傳感器、壓力傳感器或者溫度傳感器。這些傳感器監控油/氣/ 水的生產過程。
微控制器3和現場可編程門陣列4直接連接到控制總線8，例如可 通過控制總線8從通過插頭和插座連接器6將路由設施1卡插入其中的 海底電子模塊7的主要控制單元訪問它們。微控制器3用於設定PC104 在現場可編程門陣列4的寄存器中的地址，並且用於使得PC104能訪問 現場可編程門陣列4 微控制器3另外又用於讀寫所有現場可編程門陣 列4寄存器以及存儲預定狀態條件。這使得在通電時能進入預定狀態。
現場可編程門陣列4具有用於對PC 104接口解碼的所有邏輯的硬體 實現。它包含用於命令和響應的物理寄存器。路由器邏輯全部以現場可 編程門陣列4來實現。該邏輯在現場可編程門陣列4中有四個實例，每 個對應於路由器資源5中的一個，並且它們由命令寄存器中的位控制。 現場可編程門陣列4的路由器控制寄存器中的四位啟用/禁用路由器資 源5。如果其中一位是零，則對應的路由器資源5不從任何方向傳遞數 據。如果現場可編程門陣列4檢測到微分串行總線中的硬體錯誤，則它 自動關閉相關的路由器資源5。
通過控制總線8 (即，從海底電子模塊的主要控制單元)或者從路 由器資源5中的一個(即，從外部源)到達現場可編程門陣列4的數椐 包由現場可編程門陣列4路由到數椐包頭(header)中給出的各個總線 目的地。對於通過控制總線8的傳輸，微分串行總線數椐包被打包成控 制總線8包。現場可編程門陣列負責打包/解開路由到或者路由自控制總 線8的各個數椐包。由於路由器資源5連接到現場可編程門陣列4的單 獨的埠，因此路由設施1作為開關工作，導致總線沖突最小。
所有路由器資源5可以以從9600比特/秒到10兆比特/秒的可變比 特率工作。現場可編程門陣列4提供具有少量延遲的透明(transparent)比特率。現場可編程門陣列4收聽兩端的流量(traffic)。檢測流量第 一的一側連接到另一側。並且因為每個收發器9、 IO需要兩微秒關閉其 接收器和打開其發送器，所以現場可編程門陣列4通過移位寄存器(未 示出)把數椐包比特流延遲兩微秒。
單獨的路由器資源5可以服務於具有相同或者不同通信速度(即比 特率)的不同的從網絡段(Slave network section)。在過程現場總線DP 網絡中，DP主裝置總是定義所有連接到該DP主裝置的DP從裝置的通 信速度。主通信信道帶位於頂部的一個DP主裝置。該頂部DP主裝置 控制DP速度和DP協議總線參數，其根據DP主裝置啟動序列被分送到 所有連接的海底DP從裝置。
最大微分串行總線比特率由在每個微分串行總線網絡中的各種電 纜特性和各種電纜長度確定。所選擇的比特率由專業工程師在主裝置總 線配置設置中手動設定。激活連續的主裝置重啟，而包括路由器信道的 連接的從裝置將根椐DP主裝置的新的通信速度而響應。如果專業工程 師難以計劃通信速度，則主裝置可以配置有增大的總線比特率，繼之以 新的連結重置。以此方式可能找到用於每個微分串行總線網絡的最高可 能比特率。此過程用於在完成系統啟動之前有計劃的調試運行工作 (commissioning activity)。
在通過電力線數據機提供電力線通信的特殊實施例中，在調製 解調器初始化完成後，電力線數據機可以通過診斷接口給出最大可 能比特率的讀數。專業工程師可以根據主裝置總線配置設置將該信息用 於設定最高可能微分串行總線比特率。
圖2示出了在其上側上包括路由設施l的電路板2的示意性側視圖。 在第二側布置有三個專用輸入/輸出接口 12、 13、 14,即數字輸入接口 12、數字輸出接口 13和模擬輸入接口 14。每個接口 12、 13和14具有 分別用於採集和輸出過程數椐的多個埠 11。
輸入/輸出接口 12、 13、 14在示出了電路板2背側的示意性視圖的 圖3中可以看得更清楚。將路由設施1和輸入/輸出接口 12、 13、 14布 置在單個電路板2的兩側的結果是進一步減少功耗和空間耗費，而現有 技術中為此需要三個單獨的輸入/輸出卡。通過根據該示例的路由設施 1，所需卡的數量可以從四個(兩個標準輸入/輸出接口卡， 一個路由器 卡， 一個定製輸入/輸出卡)減少到一個。因此，與現有技術相比，功耗
8以及空間耗費減少到約四分之一。通信比特率可變，允許針對根據環境 狀況的每個單獨的海底安裝來獲得最大總線數據傳輸速度。此外，由於 總線端接、偏置和電隔離，路由設施1不受例如海水電纜故障或者外部 短路的外部幹擾的影響。
輸入/輸出接口為數字和/或模擬過程數據源提供通用的可連接性。 數字/模擬信號源可以在埠 11處進行連接。海底電子模塊(此圖未示
出)的主要控制單元(此圖未示出)通過控制總線8和微控制器3對輸 入/輸出接口 12、 13、 14進行訪問，其中接口 12、 13、 14連接微控制器 3。與路由器資源5相比，它們不直接連接到控制總錢8。
數字輸入接口 12例如可以用於採集繼電器(尤其是開關繼電器和 功率繼電器)的狀態或者功率檢測電路的狀態。數字輸出接口 13可以 用於例如設定/清除這樣的繼電器的狀態，尤其是用於對遠程傳感器接口 通電重置(power-reset)。衝莫擬輸入接口 14可以用於例如由海水電纜的 絕緣監控或者海底控制單元或管道內部的壓力測量或溫度測量所產生 的值。例如，對電力和微分串行總線海水電纜的絕緣監控可能產生與在 100千歐姆和18兆歐姆之間的電阻值對應的模擬電壓。如果絕緣被破 壞，電阻值將明顯下降。這可以由微控制器3以數位化電壓值形式進行 檢測，由此可能禁用各個路由器資源(此圖未示出)。模擬輸入接口 14 包括示範性16位模數轉換器。所有輸入值被緩衝以便微控制器3進一 步讀取和處理它們。例如，微控制器3可以要麼對頂部控制點的基於時 間的查詢答覆數字的/數位化的值，要麼它可以自行監控該值並且僅僅報 告與預定義的容許值區間(tolerable value interval)的偏差。
數字的/數位化的值可以由微控制器3以不同環形圏(ring loop)的 形式存儲在現場可編程門陣列(此圖未示出)的寄存器中。從那裡，該 值可以由其它總線元件讀取，尤其是由頂部控制點(此圖未示出)讀取。
圖4以方框圖形式示出路由器資源5中的一個。本地收發器9位於 右側並且連接到現場可編程門陣列4。遠程收發器IO位於左側。三個光 耦合器15提供對遠程收發器IO的電隔離。用於遠程收發器IO的浮動 (floating)電力由直流/直流轉換器16提供。本地收發器9與海底電子 模塊7的地相聯繫。收發器9、 10設計為最大比特率10兆比特/秒。光 耦合器15設計為最大比特率25兆比特/秒。
每個路由器資源5具有錯誤檢測器(未示出)，其監控本地側和遠程側二者的輸入電壓水平。如果處在9600比特/秒的最低比特率時在大 於10比特內， 一側的兩條線路的電壓相差大約大於預定義的差，則禁 用路由器資源5。現場可編程門陣列的路由器狀態寄存器中的八位狀態 位中的一位設定為指示哪個路由器資源5以及問題出在哪側(本地/遠 程)。通過將'T，寫入指示錯誤的狀態位，清除了錯誤並且對應的錯誤 檢測器被重新準備好。
現場可編程門陣列4的路由器狀態寄存器中的各個控制位對應於每 個直流/直流轉換器16。如果位是零，則對應的直流/直流轉換器16被斷 開，否則其被啟用。因此，通過僅僅啟用實際上附著了另一個總線元件 的直流/直流轉換器16就可以省電。
權利要求
1. 一種用於海底電子模塊(7)的路由設施(1)，在單個電路板(2)上包括-用於將數據包在微分串行總線的段之間路由的裝置(5)，以及-用於數字和/或模擬過程值的至少一個輸入/輸出接口(12、13、14)，其中所述過程值通過所述微分串行總線可訪問。
2. 如權利要求1所述的路由設施(1 )，包括總共三個輸入/輸出接 口 ( 12、 13、 14)，即數字輸入接口 ( 12)、數字輸出接口 ( 13)和模 擬輸入接口 ( 14)。
3. 如權利要求1或2所述的路由設施(1 ),包括以下作為用於路 由的所述裝置-微控制器(3) -現場可編程門陣列(4)以及 -至少兩個路由器資源(5)，-每個路由器資源(5)包括用於微分串行總線(B)的各個本地收 發器(9)和用於微分串行總線(B)的各個遠程收發器(10),-其中每個本地收發器(9)與對應的遠程收發器(10)連接，並 且與能將數據包在所述路由器資源(5)之間路由的所述現場可編程門 陣列(4)連接。
4. 如前述權利要求中任何一項所述的路由設施(1),其中每個所 述遠程收發器(10)與對應的本地收發器(9)電隔離，其中所迷遠程 收發器(10)是浮動的，而所述本地收發器(9)與本地電氣接地相聯 系，並且其中每個所述遠程收發器(10)包括有源總線端接裝置和偏置 裝置。
5. 如前述權利要求中任何一項所述的路由設施(I),其中所述微 控制器(3)和所述現場可編程門陣列(4)通過控制總線(8)可連接 到海底電子模塊(7)的主要控制單元。
6. 如權利要求5所述的路由設施(1 ),其中所述控制總線(8)通 過插頭和插座連接(6)可連接到主要控制單元。
7. —種用於海底控制單元的海底電子模塊(7)，該海底電子模塊 (7)包括如前述權利要求中任何一項所述的路由設施(1)。
全文摘要
本發明涉及用於海底電子模塊(7)的路由設施(1)，在單個電路板(2)上包括用於將數據包在微分串行總線的段之間路由的裝置(5)以及用於數字和/或模擬過程值的至少一個輸入/輸出接口(14、15、16)，其中所述過程值通過所述微分串行總線可訪問。
文檔編號H04L12/40GK101512983SQ200680055934
公開日2009年8月19日 申請日期2006年9月25日 優先權日2006年9月25日
發明者E·布雷克, V·斯泰根, V·霍滕 申請人:西門子公司