專利名稱：用于海底電子模塊的路由設(shè)施的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及用于海底電子模塊(SEM)的路由設(shè)施。
背景技術(shù)：
海底電子模塊優(yōu)選地用在例如井口 (wellhead)控制單元(WCU ) 的海底控制單元(SCU)中，以勘探和開采位于海底的氣田和油田。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采的氣田和
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于各個氣田或者油田附 近，并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(shù)據(jù)在頂部控制點和海底控制單元之間傳輸。為了不需 要用于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(wǎng) 絡(luò)拓樸中布置在海底。 一個網(wǎng)絡(luò)元件(member)配備有用于與頂部控制 點進行海底通信的調(diào)制解調(diào)器。過程數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)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)用于該網(wǎng)絡(luò)。
在現(xiàn)有技術(shù)中，描述了用于海底通信的不同技術(shù)。 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后二種情況中，優(yōu)點:不需要單
獨的通信線。
已知的海底控制單元需要用于采集和/或輸出數(shù)字和模擬過程數(shù)據(jù)
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于每個網(wǎng)絡(luò)/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調(diào)制解調(diào)器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(shù)量的路由卡。如果要采集過程數(shù)據(jù)或者 如果要控制過程，則所需卡的數(shù)量增加。這些多個卡耗費空間且耗能
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是規(guī)定用于海底電子模塊的路由設(shè)施，通過其可以節(jié) 省海底電子模塊的空間和功率。
該問題通過包括權(quán)利要求1給出的特征的路由設(shè)施而得到解決。 本發(fā)明的有利的實施例在從屬權(quán)利要求中給出。
根據(jù)本發(fā)明，用于海底電子模塊的路由設(shè)施在單個電路板上包括用 于將數(shù)據(jù)包在微分串行總線的段之間路由的裝置以及用于數(shù)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(shè)施用在海底電子模塊中，與和多個現(xiàn)有技術(shù) 的輸入/輸出接口卡結(jié)合的現(xiàn)有技術(shù)路由器卡相比，功耗以及所需空間極 大減少，原因在于可以省去額外的輸入/輸出卡。在本發(fā)明的用語中，術(shù) 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(shè)施實施例的原型已經(jīng)建立，包括優(yōu)選的總共三個一輸入/輸出 接口，即數(shù)字輸入接口、數(shù)字輸出接口和模擬輸入接口。通過該實施例， 盡管可以省去兩個常規(guī)的輸入/輸出接口卡，但仍然提供了用于數(shù)字和模 擬的兩秤類型數(shù)據(jù)的通用可連接性。因此，海底電子模塊可以構(gòu)造得非 常緊湊。
在非常優(yōu)選的實施例中，路由設(shè)施包括微控制器、現(xiàn)場可編程門陣
列(FPGA)和至少兩個路由器資源作為用于路由的所述裝置，其中每 個路由器資源包括用于微分串行總線的各個本地收發(fā)器和用于微分串 行總線的各個遠程收發(fā)器，并且其中每個本地收發(fā)器與對應(yīng)的遠程收發(fā) 器連接，并且與能將數(shù)據(jù)包在所述路由器資源之間路由的所述現(xiàn)場可編 程門陣列連接。
尤其是，該收發(fā)器可以是用于實現(xiàn)過程現(xiàn)場總線DP微分串行總線 的半雙工收發(fā)器。可替代地，微分串行總線可以是CAN總線。
海底網(wǎng)絡(luò)的高容錯可以通過每個所述遠程收發(fā)器與對應(yīng)的本地收 發(fā)器電隔離(galvanically isolate)的實施例來達到，其中所述遠程收發(fā) 器是浮動的，而所述本地收發(fā)器與本地電氣接地相聯(lián)系，且其中每個所 述遠程收發(fā)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(fā)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)，則其余總線/網(wǎng)絡(luò)可以保持工作。
優(yōu)選地，該微控制器和該現(xiàn)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(shè)備之間 進行快速數(shù)據(jù)交換，尤其用于將數(shù)據(jù)包傳送到由主要控制單元驅(qū)動的調(diào) 制解調(diào)器。
優(yōu)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(diào)整為到頂部控制側(cè)的鏈接的通信速度。該鏈接可以 是，例如電力線。尤其是，微分總線上的比特率可以設(shè)定為完全采用頂 部鏈接的實際最大通信速度。尤其是，在微控制器和現(xiàn)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(shè)施調(diào)整。每個路由信道就 通過它的數(shù)據(jù)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。因此在缺陷或者硬件更新情況下，可以只是更換電路板。尤
其是，該電路板可以設(shè)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(fā)明還涉及用于海底控制單元的海底電子模塊，該海底電 子模塊包括根據(jù)本發(fā)明的路由設(shè)施。


下面，通過若干附圖進一步詳細描述本發(fā)明。 圖1示出路由設(shè)施電路板的第一側(cè)的方框圖。 圖2示出路由設(shè)施電路板的示意性側(cè)視圖。 圖3示出路由設(shè)施電路板的背側(cè)的方框圖。 圖4示出一個路由設(shè)備的方框圖。 在所有圖中，相同的附圖標記表示相應(yīng)的部分。
具體實施例方式
在圖1的正視圖中示出的路由設(shè)施1是單個印刷電路板2，在其第 一側(cè)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(xiàn)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(cè)具有示范性的04管腳插頭而在另一側(cè)具有對應(yīng)的插孔。例如，其 是根據(jù)PC104標準的可堆疊總線連接器。這允許將路由設(shè)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(jù)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(yè)標準結(jié)構(gòu)(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(shè)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(jù)I2C 標準的總線連接到海底電子模塊7。路由設(shè)施l,尤其是微控制器3，也 可以通過用于保持訪問的RS-232串行接口(未示出)而連接到海底電子 模塊。路由設(shè)施l卡，即電路板2，也可以用于獨立操作而非PC104堆 疊。然而，如果PC104連接存在，則路由設(shè)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包括用于微分串行總線的一個半雙工本地收發(fā)器 9和用于微分串行總線的一個半雙工遠程收發(fā)器10。在圖示的示例中， 微分串行總線是RS-485過程現(xiàn)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(fā)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(fā)器10與路由設(shè)施1的其余部分電隔離，尤其是與本地收 發(fā)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(fā)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，用于微分串行總線的 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(shè)施1 的獨立操作中，插頭U還可以用于到外部PC的串行端口的RS-232連 接。
本地收發(fā)器9連接到現(xiàn)場可編程門陣列4的單獨的總線端口。每個遠程收發(fā)器9由可通過現(xiàn)場可編程門陣列4逐個斷開的各個直流/直流轉(zhuǎn) 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(yīng)的路由器資源5時，才啟用直流/直流轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)的傳感器(此圖未示出)。這樣的傳感器優(yōu)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(jiān)控油/氣/ 水的生產(chǎn)過程。
微控制器3和現(xiàn)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(shè)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用于設(shè)定PC104 在現(xiàn)場可編程門陣列4的寄存器中的地址，并且用于使得PC104能訪問 現(xiàn)場可編程門陣列4 微控制器3另外又用于讀寫所有現(xiàn)場可編程門陣 列4寄存器以及存儲預(yù)定狀態(tài)條件。這使得在通電時能進入預(yù)定狀態(tài)。
現(xiàn)場可編程門陣列4具有用于對PC 104接口解碼的所有邏輯的硬件 實現(xiàn)。它包含用于命令和響應(yīng)的物理寄存器。路由器邏輯全部以現(xiàn)場可 編程門陣列4來實現(xiàn)。該邏輯在現(xiàn)場可編程門陣列4中有四個實例，每 個對應(yīng)于路由器資源5中的一個，并且它們由命令寄存器中的位控制。 現(xiàn)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(yīng)的路由器資源5不從任何方向傳遞數(shù) 據(jù)。如果現(xiàn)場可編程門陣列4檢測到微分串行總線中的硬件錯誤，則它 自動關(guān)閉相關(guān)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(xiàn)場可編程門陣列4的數(shù)椐 包由現(xiàn)場可編程門陣列4路由到數(shù)椐包頭(header)中給出的各個總線 目的地。對于通過控制總線8的傳輸，微分串行總線數(shù)椐包被打包成控 制總線8包?，F(xiàn)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(shù)椐包。由于路由器資源5連接到現(xiàn)場可編程門陣列4的單 獨的端口，因此路由設(shè)施1作為開關(guān)工作，導(dǎo)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?，F(xiàn)場可編程門陣列4提供具有少量延遲的透明(transparent)比特率。現(xiàn)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(cè)連接到另一側(cè)。并且因為每個收發(fā)器9、 IO需要兩微秒關(guān)閉其 接收器和打開其發(fā)送器，所以現(xiàn)場可編程門陣列4通過移位寄存器(未 示出)把數(shù)椐包比特流延遲兩微秒。
單獨的路由器資源5可以服務(wù)于具有相同或者不同通信速度(即比 特率)的不同的從網(wǎng)絡(luò)段(Slave network section)。在過程現(xiàn)場總線DP 網(wǎng)絡(luò)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。主通信信道帶位于頂部的一個DP主裝置。該頂部DP主裝置 控制DP速度和DP協(xié)議總線參數(shù)，其根據(jù)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(wǎng)絡(luò)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(yè)工程師在主裝置總 線配置設(shè)置中手動設(shè)定。激活連續(xù)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(yīng)。如果專業(yè)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 新的鏈接重置。以此方式可能找到用于每個微分串行總線網(wǎng)絡(luò)的最高可 能比特率。此過程用于在完成系統(tǒng)啟動之前有計劃的調(diào)試運行工作 (commissioning activity)。
在通過電力線調(diào)制解調(diào)器提供電力線通信的特殊實施例中，在調(diào)制 解調(diào)器初始化完成后，電力線調(diào)制解調(diào)器可以通過診斷接口給出最大可 能比特率的讀數(shù)。專業(yè)工程師可以根據(jù)主裝置總線配置設(shè)置將該信息用 于設(shè)定最高可能微分串行總線比特率。
圖2示出了在其上側(cè)上包括路由設(shè)施l的電路板2的示意性側(cè)視圖。 在第二側(cè)布置有三個專用輸入/輸出接口 12、 13、 14,即數(shù)字輸入接口 12、數(shù)字輸出接口 13和模擬輸入接口 14。每個接口 12、 13和14具有 分別用于采集和輸出過程數(shù)椐的多個端口 11。
輸入/輸出接口 12、 13、 14在示出了電路板2背側(cè)的示意性視圖的 圖3中可以看得更清楚。將路由設(shè)施1和輸入/輸出接口 12、 13、 14布 置在單個電路板2的兩側(cè)的結(jié)果是進一步減少功耗和空間耗費，而現(xiàn)有 技術(shù)中為此需要三個單獨的輸入/輸出卡。通過根據(jù)該示例的路由設(shè)施 1，所需卡的數(shù)量可以從四個(兩個標準輸入/輸出接口卡， 一個路由器 卡， 一個定制輸入/輸出卡)減少到一個。因此，與現(xiàn)有技術(shù)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(jù)環(huán)境 狀況的每個單獨的海底安裝來獲得最大總線數(shù)據(jù)傳輸速度。此外，由于 總線端接、偏置和電隔離，路由設(shè)施1不受例如海水電纜故障或者外部 短路的外部干擾的影響。
輸入/輸出接口為數(shù)字和/或模擬過程數(shù)據(jù)源提供通用的可連接性。 數(shù)字/模擬信號源可以在端口 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(shù)字輸入接口 12例如可以用于采集繼電器(尤其是開關(guān)繼電器和 功率繼電器)的狀態(tài)或者功率檢測電路的狀態(tài)。數(shù)字輸出接口 13可以 用于例如設(shè)定/清除這樣的繼電器的狀態(tài)，尤其是用于對遠程傳感器接口 通電重置(power-reset)。沖莫擬輸入接口 14可以用于例如由海水電纜的 絕緣監(jiān)控或者海底控制單元或管道內(nèi)部的壓力測量或溫度測量所產(chǎn)生 的值。例如，對電力和微分串行總線海水電纜的絕緣監(jiān)控可能產(chǎn)生與在 100千歐姆和18兆歐姆之間的電阻值對應(yīng)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(shù)字化電壓值形式進行 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 包括示范性16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。所有輸入值被緩沖以便微控制器3進一 步讀取和處理它們。例如，微控制器3可以要么對頂部控制點的基于時 間的查詢答復(fù)數(shù)字的/數(shù)字化的值，要么它可以自行監(jiān)控該值并且僅僅報 告與預(yù)定義的容許值區(qū)間(tolerable value interval)的偏差。
數(shù)字的/數(shù)字化的值可以由微控制器3以不同環(huán)形圏(ring loop)的 形式存儲在現(xiàn)場可編程門陣列(此圖未示出)的寄存器中。從那里，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(fā)器9位于 右側(cè)并且連接到現(xiàn)場可編程門陣列4。遠程收發(fā)器IO位于左側(cè)。三個光 耦合器15提供對遠程收發(fā)器IO的電隔離。用于遠程收發(fā)器IO的浮動 (floating)電力由直流/直流轉(zhuǎn)換器16提供。本地收發(fā)器9與海底電子 模塊7的地相聯(lián)系。收發(fā)器9、 10設(shè)計為最大比特率10兆比特/秒。光 耦合器15設(shè)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(jiān)控本地側(cè)和遠程側(cè)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 于10比特內(nèi)， 一側(cè)的兩條線路的電壓相差大約大于預(yù)定義的差，則禁 用路由器資源5?，F(xiàn)場可編程門陣列的路由器狀態(tài)寄存器中的八位狀態(tài) 位中的一位設(shè)定為指示哪個路由器資源5以及問題出在哪側(cè)(本地/遠 程)。通過將'T，寫入指示錯誤的狀態(tài)位，清除了錯誤并且對應(yīng)的錯誤 檢測器被重新準備好。
現(xiàn)場可編程門陣列4的路由器狀態(tài)寄存器中的各個控制位對應(yīng)于每 個直流/直流轉(zhuǎn)換器16。如果位是零，則對應(yīng)的直流/直流轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器16就可以省電。
權(quán)利要求
1. 一種用于海底電子模塊(7)的路由設(shè)施(1)，在單個電路板(2)上包括-用于將數(shù)據(jù)包在微分串行總線的段之間路由的裝置(5)，以及-用于數(shù)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(quán)利要求1所述的路由設(shè)施(1 )，包括總共三個輸入/輸出接 口 ( 12、 13、 14)，即數(shù)字輸入接口 ( 12)、數(shù)字輸出接口 ( 13)和模 擬輸入接口 ( 14)。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的路由設(shè)施(1 ),包括以下作為用于路 由的所述裝置-微控制器(3) -現(xiàn)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)包括用于微分串行總線(B)的各個本地收 發(fā)器(9)和用于微分串行總線(B)的各個遠程收發(fā)器(10),-其中每個本地收發(fā)器(9)與對應(yīng)的遠程收發(fā)器(10)連接，并 且與能將數(shù)據(jù)包在所述路由器資源(5)之間路由的所述現(xiàn)場可編程門 陣列(4)連接。
4. 如前述權(quán)利要求中任何一項所述的路由設(shè)施(1),其中每個所 述遠程收發(fā)器(10)與對應(yīng)的本地收發(fā)器(9)電隔離，其中所迷遠程 收發(fā)器(10)是浮動的，而所述本地收發(fā)器(9)與本地電氣接地相聯(lián) 系，并且其中每個所述遠程收發(fā)器(10)包括有源總線端接裝置和偏置 裝置。
5. 如前述權(quán)利要求中任何一項所述的路由設(shè)施(I),其中所述微 控制器(3)和所述現(xiàn)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(quán)利要求5所述的路由設(shè)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. —種用于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(quán)利要求中任何一項所述的路由設(shè)施(1)。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于海底電子模塊(7)的路由設(shè)施(1)，在單個電路板(2)上包括用于將數(shù)據(jù)包在微分串行總線的段之間路由的裝置(5)以及用于數(shù)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(yōu)先權(quán)日2006年9月25日
發(fā)明者E·布雷克, V·斯泰根, V·霍滕 申請人:西門子公司