水平导向钻随钻预警高速数据传输系统.pdf

本发明涉及一种水平导向钻随钻预警高速数据传输系统，其由地下随钻探测系统的控制器进行控制，包含与该控制器连接的FPGA(现场可编程门阵列)控制逻辑电路，分别与该FPGA控制逻辑电路连接的数据接收器和数据发送器，分别与该数据接收器和数据发送器连接的自适应均衡电路，以及与该自适应均衡电路连接的变压器。本发明利用HotLink总线，通过利用自适应信道均衡技术，实现可靠性的、低成本的水平导向钻随钻预警高速数据传输系统。

1.  一种水平导向钻随钻预警高速数据传输系统，其由地下随钻探测系统的控制器进行控制，特征在于，包含：
与所述的控制器连接的现场可编程门阵列控制逻辑电路，其对数据接收器和数据发送器进行时序控制；
分别与该现场可编程门阵列控制逻辑电路连接的数据接收器和数据发送器；该数据接收器完成数据接收；该数据发送器完成数据发送；
分别与该数据接收器和数据发送器连接的自适应均衡电路，其接收信号幅度进行自适应补偿；
与该自适应均衡电路连接的变压器，是信号传输变压器，输出一路差分信号对接信号传输电缆。

2.  如权利要求1所述的水平导向钻随钻预警高速数据传输系统，其特征在于，所述的数据接收器是采用Hotlink总线的Hotlink数据接收器。

3.  如权利要求1所述的水平导向钻随钻预警高速数据传输系统，其特征在于，所述的数据发送器是采用Hotlink总线的Hotlink数据发送器。

4.  如权利要求1所述的水平导向钻随钻预警高速数据传输系统，其特征在于，还包含一数据缓存电路，其分别与现场可编程门阵列控制逻辑电路，数据接收器和数据发送器通过电路连接；该数据缓存电路接收和发送数据的先进先出数据缓冲。

5.  如权利要求1所述的水平导向钻随钻预警高速数据传输系统，其特征在于，还包含一耦合电路单元，其包含连接在数据接收器和自适应均衡电路之间的第一耦合电路，以及连接在数据发送器和自适应均衡电路之间的第二耦合电路。

水平导向钻随钻预警高速数据传输系统
技术领域
本发明涉及一种高速数据传输系统，尤其是一种适用于水平导向钻有线随钻探测预警的廉价、可靠、高速的数据传输系统。
背景技术
水平导向钻是城市市政建设一种的非开挖施工设备，由于其施工过程“不可见”，必须事先准确了解现有地下管线的准确分布，否则很容易破坏地下现有管线，带来施工事故。
目前，一般采用地面工作的物探设备来探测地下管线的分布情况，如探地雷达、地下管线探测仪等。但由于探测原理的限制，在地下水丰富、管线分布复杂的场合，会存在一定的探测盲区。另外，地面探测设备的探测过程与水平导向的施工过程严重脱节，对施工过程中可能出现的危险无能为力，不能在出现危险时给钻机操作人员及时报警，以便采取适当的措施，避免事故发生。
为避免上述问题的发生，可以考虑在水平导向钻导向板或回括器与钻杆之间加装一定的随钻探测环节来探测地下障碍物的位置，并在遇到危险时向操作人员报警。对地下探测来讲，如何将工作于地下的随钻探测数据有效地传输出来是必须要解决的重要问题。
对地下随钻探测来讲，有效传输数据面临着几个问题。一是体积和功耗问题，由于探测设备安装于地下，其体积和功耗都不可能太大；二是施工工艺问题，数据传输通道的数目不能太大，否则将会影响施工速度和质量；三是信号传输速率问题，受通道数量的影响，只能采用串行数据传输的方式，将会在很大程度上影响数据的传输速度；四是信号传输长度的问题，由于水平导向钻施工距离一般较长，信号传输存在明显的长线效应，在很大程度上将会影响信号的传输的质量与可靠性。
目前，信号串行传输的方式有很多，包括RS232/485总线、CAN总线和1553B总线等，在长距离传输数据的情况下，前两者数据传输速率较低，后者则比较昂贵。
发明内容
本发明的目的在于提供一种水平导向钻随钻预警高速数据传输系统，其利用HotLink(热链路)总线，通过利用自适应信道均衡技术，实现可靠性的、低成本的水平导向钻随钻预警高速数据传输系统。
为达上述目的，本发明提供一种水平导向钻随钻预警高速数据传输系统，其由地下随钻探测系统的控制器进行控制；特点是，包含与该控制器连接的FPGA(现场可编程门阵列)控制逻辑电路，分别与该FPGA控制逻辑电路连接的数据接收器和数据发送器，分别与该数据接收器和数据发送器连接的自适应均衡电路，以及与该自适应均衡电路连接的变压器；
所述的FPGA控制逻辑电路用于对数据接收器和数据发送器进行时序控制；
所述的数据接收器用于完成数据接收；其是采用Hotlink总线的Hotlink数据接收器；
所述的数据发送器用于完成数据发送；其是采用Hotlink总线的Hotlink数据发送器；
所述的自适应均衡电路用于接收信号幅度进行自适应补偿，以提高接收信号质量，降低误码率；
所述的变压器用于充当信号传输变压器，输出一路差分信号对接信号传输电缆，可降低传输电缆上的共模干扰。
本发明还包含一数据缓存电路，其分别与FPGA控制逻辑电路，数据接收器和数据发送器通过电路连接；该数据缓存电路用于接收和发送数据的先进先出(FIFO)数据缓冲。
本发明进一步还包含一耦合电路单元，其包含连接在数据接收器和自适应均衡电路之间的第一耦合电路，以及连接在数据发送器和自适应均衡电路之间的第二耦合电路。
本发明提供的水平导向钻随钻预警高速数据传输系统，其具有以下优点：
1、数据传输速率高；
2、成本低廉；
3、数据传输可靠。
附图说明
图1为本发明中的水平导向钻随钻预警高速数据传输系统的电路结构框图；
图2为本发明中的水平导向钻随钻预警高速数据传输系统的发送控制状态的示意图；
图3为本发明中的水平导向钻随钻预警高速数据传输系统的接收控制状态的示意图。
具体实施方式
以下结合图1～图3，详细说明本发明的一较佳实施方式。
如图1所示，本发明提供一种水平导向钻随钻预警高速数据传输系统，其由地下随钻探测系统的控制器(MPU)进行控制；特点是，包含与该MPU连接的FPGA控制逻辑电路101，分别与该FPGA控制逻辑电路101连接的数据接收器102和数据发送器104，分别与该数据接收器102和数据发送器104连接的自适应均衡电路106，以及与该自适应均衡电路106连接的变压器108；
所述的FPGA控制逻辑电路101(型号：XC3S1500)用于对数据接收器102和数据发送器104进行时序控制；
所述的数据接收器102用于完成数据接收；其是采用Hotlink总线的Hotlink数据接收器(型号：CY7B933)；
所述的数据发送器104用于完成数据发送；其是采用Hotlink总线的Hotlink数据发送器(型号：CY7B923)；
本实施例中，所采用CYPRESS公司的HOT Link CY7B933/923数据收发器，在不加任何补偿电路情况下，330Mbit/s码速，对于75Ω同轴电缆(RG-6-A/U)可达304.8米；
因为对水平导向钻而言，由于施工距离较大，通常超过几十米，甚至超过100米，而水平导向钻每段钻杆的距离为4米左右，施工过程中需不断更换钻杆，为减少接线麻烦，提供数据传输的可靠性，故采用两线制的串行总线进行通讯。另外，为保证探测数据处理的实时性，必须尽可能提高数据通信的速度，故采用HotLink总线进行数据接收和发送，其不仅具有高的数据传输速率(50Mbps～1.5Gbps)，还可以采用多种传输介质并且符合许多业界标准等优点，很适合水平导向钻地下探测的工况要求；
所述的自适应均衡电路106(型号：ML6674)用于接收信号幅度进行自适应补偿，以提高接收信号质量，降低误码率；
考虑到信号传输距离较远，存在较严重的“长线效应”，会严重降低信号传输质量，故本发明采用有源自适应均衡电路106对接收信号幅度进行自适应补偿，以提高信号传输的质量。本实施例中，采用Micro Linear公司的型号为ML6674的均衡电路芯片，其是一款支持155MbpsATM传输的均衡电路芯片，它的输入输出采用与ECL 100K兼容的逻辑电平，容易与ATM物理层芯片CY7C954DX的PECL兼容电平相互耦合；同时它也支持NRZ码在5类缆上的传输。自适应均衡电路106的信号接收部分是一个带有反馈环路的自适应均衡滤波器，反馈信号经判决后确定传输线长度并给出适当的控制信号，来调整均衡器的参数，补偿接收信号的幅度和相位。同时，自适应均衡电路106的接收部分提供了基线漂移补偿电路，对所接收数据的直流成分不均衡所引起的直流漂移进行监测和补偿，始终保持正确的判决门限，减小了信号传输的抖动，大大减小误码率；
所述的变压器108(型号：CL3242)用于充当信号传输变压器，输出一路差分信号对接信号传输电缆，可降低传输电缆上的共模干扰；
由于变压器是数据长线传输系统中收发终端基本而且也是常用的组成部分，并且传输电缆中存在的各种噪声和干扰受很多因素的影响，不确定性很高，如果将数据收发器直接与传输线连接，干扰严重时会导致数据无法传送，因此采用变压器将终端与传输线隔离变得尤为重要。并且根据变压器初级和次级阻抗的换算，很容易满足阻抗匹配的要求。由于共模电流在传输中容易产生很大的辐射噪声，因此变压器的另外一个作用就是抑制传输线上的共模信号，共模扼流圈对共模噪声表现出高阻抗，而对差模信号则表现出很低的阻抗，从而可以大大减小共模信号产生的干扰。本发明采用的型号为CL3242的芯片作为hotlink总线信号传输的变压器，该CL3242芯片内部集成了匝数比为1∶1的变压器和共模扼流圈，体积小，有较低的插入损耗和回波损耗，并且符合业界标准，偏置电流小，工作温度范围宽，能很好地满足要求。
本发明还包含一数据缓存电路103(型号：IDT7200)，其分别与FPGA控制逻辑电路101，数据接收器102和数据发送器104通过电路连接；该数据缓存电路103用于接收和发送数据的先进先出数据缓冲。
本发明进一步还包含一耦合电路单元，其包含连接在数据接收器102和自适应均衡电路106之间的第一耦合电路105，以及连接在数据发送器104和自适应均衡电路106之间的第二耦合电路107。
为保证数据的正确传输，合理的控制逻辑也是非常必要的，本发明采用的第二FPGA控制逻辑电路101的发送控制和接收控制的各个状态为：
如图2所示，所述的第二FPGA控制逻辑电路101的发送控制共包括三个状态：空闲状态，发送状态和测试状态。其中，当Hotlink发送控制器在复位以后进入空闲状态；当发送允许且数据缓存电路103满的时候，则仍然保持空闲状态，当发送允许且数据缓存电路103没有溢出的时候，进入到发送状态发送数据，并且不断向FIFO中写入数据直到溢出；当发送结束或FIFO为空，则返回空闲状态；如果测试允许，进入测试状态；测试结束后返回空闲状态。FIFO的读端口连接到HOT Link发送器的并行输出端口。
如图3所示，所述的第二FPGA控制逻辑电路101的接收控制共包括四个状态：等待状态，接收状态，帧同步状态和测试状态。其中，当Hotlink接收控制逻辑在复位以后进入帧同步状态，帧同步状态后进入等待状态；当数据发送器102的解码标志为低电平(即解码未完成)且FIFO不为空，进入到接收状态接收数据，并不断从FIFO中读出数据直到解码完成或FIFO空；当数据发送器102的解码标志为高电平(即解码完成)或FIFO为空，返回等待状态；当解码完成且结果并无错误时，一直处于等待状态；如果测试允许，进入测试状态；测试结束后返回空闲状态。FIFO的写端口连接到HOT Link接收器的并行输出端口。
本发明提供的水平导向钻随钻预警高速数据传输系统，其具有以下优点：
1、数据传输速率高；
2、成本低廉；
3、数据传输可靠。