用于海底电子模块的路由设施.pdf

本发明涉及用于海底电子模块(7)的路由设施(1)，包括在单个电路板(2)上的微控制器(3)、现场可编程门阵列(4)和至少两个路由器资源(5)，每个路由器资源(5)包括用于微分串行总线的各个本地收发器(9)和用于微分串行总线的各个远程收发器(10)，其中每个本地收发器(9)与对应的远程收发器(10)连接，并且与能将数据包在所述路由器资源(5)之间路由的所述现场可编程门阵列(4)连接。

1.  一种用于海底电子模块(7)的路由设施(1)，包括在单个电路板(2)上的微控制器(3)、现场可编程门阵列(4)和至少两个路由器资源(5)，每个路由器资源(5)包括用于微分串行总线的各个本地收发器(9)和用于微分串行总线的各个远程收发器(10)，其中每个本地收发器(9)与对应的远程收发器(10)连接，并且与能将数据包在所述路由器资源(5)之间路由的所述现场可编程门阵列(4)连接。

2.  如权利要求1所述的路由设施(1)，包括总共正好四个所述路由器资源(5)。

3.  如权利要求1或2所述的路由设施(1)，其中每个所述远程收发器(10)与对应的本地收发器(9)电隔离。

4.  如前述权利要求中任何一项所述的路由设施(1)，其中所述远程收发器(10)是浮动的，而所述本地收发器(9)与本地电气接地相联系。

5.  如前述权利要求中任何一项所述的路由设施(1)，其中每个所述远程收发器(10)包括有源总线端接装置和偏置装置。

6.  如前述权利要求中任何一项所述的路由设施(1)，其中每个所述远程收发器(10)由各个直流/直流转换器(13)供电。

7.  如权利要求6所述的路由设施(1)，其中每个所述直流/直流转换器(13)可被分别断开。

8.  如前述权利要求中任何一项所述的路由设施(1)，其中所述本地收发器(9)并联接线。

9.  如前述权利要求中任何一项所述的路由设施(1)，其中所述微控制器(3)和所述现场可编程门阵列(4)通过控制总线(8)可连接到海底电子模块(7)的主要控制单元(20)。

10.  如权利要求9所述的路由设施(1)，其中所述控制总线(8)通过插头和插座连接(6)可连接到主要控制单元(20)。

11.  如前述权利要求中任何一项所述的路由设施(1)，其中所述单个电路板(2)包括用于数字和/或模拟过程值的至少一个输入/输出接口(14、15、16)。

12.  如前述权利要求中任何一项所述的路由设施(1)，其中所述路由器资源(5)提供可变传输比特率。

13.  如权利要求12所述的路由设施(1)，其中所述现场可编程门阵列(4)提供具有恒定延迟的透明比特率。

14.  一种用于海底控制单元的海底电子模块(7)，海底电子模块(7)包括如前述权利要求中任何一项所述的路由设施(1)。

用于海底电子模块的路由设施
技术领域
本发明涉及用于海底电子模块(SEM)的路由设施。
背景技术
海底电子模块优选地用在例如井口(wellhead)控制单元(WCU)的海底控制单元(SCU)中，以勘探和开采位于海底的气田和油田。利用与井口或者其它海底控制单元的电子通信来勘探或者开采的气田和油田有时称为“电子田”(e田)。
通常，若干海底控制单元和若干传感器位于各个气田或者油田附近，并且连接到顶部控制点(topside control site)。为此，使用海底通信。例如，过程数据在顶部控制点和海底控制单元之间传输。为了不需要用于每个海底控制单元的单独的通信线和电力线，海底控制单元在网络拓扑中布置在海底。一个网络元件(member)配备有用于与顶部控制点进行海底通信的调制解调器。过程数据在网络内路由以到达各个接收部，例如，顶部控制点或者特定的海底电子模块。通常，微分串行总线(differential serial bus)用于该网络。
在现有技术中，描述了用于海底通信的不同技术。一方面，存在有线电连接或者光连接，另一方面，存在无线连接。有线连接可以再划分为提供用于电子连接或者光连接的与电力线分开的通信线的第一组，和利用电力线进行电子通信的第二组。在后一种情况中，优点是不需要单独的通信线。
已知的海底控制单元需要待直接连接到它们的用于每个网络/总线元件的一个路由卡。因此，如果若干海底从控单元要连接到包括调制解调器的一个海底主控单元，则必须在海底主控单元中安装相同数量的路由卡。这些多个路由卡耗费空间和耗能。此外，在现有技术中，通过经由海水电缆将海底从控单元进行连接而构成的网络要求固定的通信比特率。另外，现有技术网络的可靠性有限，这是因为如果两个海底从控单元之间的通信线发生故障，则它们之间不能再进行通信。
发明内容
本发明的目的是规定用于海底电子模块的路由设施，通过其可以节省海底电子模块的空间和功率，并且其允许执行以改进的可靠性连接两个从海底电子模块的方法。
该问题分别通过包括权利要求1给出的特征的路由设施以及通过包括权利要求14给出的特征的海底电子单元而得到解决。
本发明的有利的实施例在从属权利要求中给出。
根据本发明，用于海底电子模块的路由设施包括在单个电路板上的微控制器、现场可编程门阵列和至少两个路由器资源，每个路由器资源包括用于微分串行总线的各个本地收发器和用于微分串行总线的各个远程收发器，其中每个本地收发器与对应的远程收发器连接，并且与能将数据包在该路由器资源之间路由的该现场可编程门阵列连接。如果这样的路由设施用在海底电子模块中，与多个现有技术的路由器卡相比，功耗以及所需空间极大减少。
尤其是，该收发器可以是用于实现PROFIBUS DP微分串行总线的半双工收发器。可选地，微分串行总线可以是CAN总线。
路由设施实施例的原型已经建立，包括优选的总共正好四个该路由器资源。通过该实施例，仅仅需要一个路由器卡而不是四个常规卡。因此，海底电子模块可以构造得非常紧凑。
海底网络的高容错可以通过每个该远程收发器与对应的本地收发器电隔离(galvanically isolate)的实施例来达到。由海水电缆中电压峰值或者短路引起的故障和缺陷可以通过该实施例避免。
容错甚至可以通过该远程收发器是浮动的(floating)而该本地收发器与本地电气接地相联系的实施例而得以增加。这样可以避免由于电势差引起的错误。
在另一个实施例中，每个该远程收发器包括有源总线端接装置和偏置(bias)装置。这也增加了容错，因为即使一条海水电缆中断(例如，如果它被意外切断)，其余总线/网络可以保持工作。
优选地，每个该远程收发器由各个直流/直流转换器供电。这样，操作连接的从装置(Slave)所需的电压可以针对每个海水连接而分别保持。这增加了容错。
在先进的实施例中，每个该直流/直流转换器可被分别断开(disengageable)。这允许通过切断用于不链接到任何总线元件的路由器资源(即它们没有在使用)的转换器来减少功耗。
有利地是，该本地收发器并联接线。以此形式，路由器资源只是作为总线数据的集线器而工作。
优选地，该微控制器和该现场可编程门阵列通过控制总线可连接到海底电子模块的主要控制单元。这使得能在主要控制单元和路由设施之间进行快速数据交换，尤其用于将数据包传送到由主要控制单元驱动的调制解调器。
在另一个实施例中，该控制总线通过插头和插座连接可连接到主要控制单元。因此，在缺陷或者硬件更新情况下，可以只是更换电路板。尤其是，可以设计为例如由PC104标准提出的可堆叠卡，从而进一步减少空间耗费。
通过该单个电路板包括用于数字和/或模拟过程值的至少一个输入/输出(I/O)接口的实施例，空间耗费甚至可以进一步减少。通过使用该实施例，可以省去额外的输入/输出卡，因此进一步减少海底电子模块的空间耗费和功耗。在本发明的用语中，术语“输入/输出接口”包括单向接口和双向接口二者，即纯输入接口、纯输出接口、和组合的输入/输出接口。
优选地，该路由器资源提供可变传输比特率。例如，微分总线上的通信速度因此可以调整为至顶部控制侧的链接的通信速度。该链接可以是，例如电力线。尤其是，微分总线的比特率可以设定为完全采用顶部链接的实际最大通信速度。尤其是，在微控制器和现场可编程门阵列通过控制总线可连接到海底电子模块的主要控制单元的实施例中，至任何连接的远程从装置的比特率可以通过路由设施调整。每个路由信道就通过它的数据的比特率而言是透明的。
有利地是，对于用电力线与顶部通信的特殊实施例，该现场可编程门阵列提供具有恒定延迟的透明比特率。这使得顶部控制点能利用最大可能传输比特率并且能自由调整顶部控制单元的微分总线比特率。
当然，本发明还涉及用于海底控制单元的海底电子模块，该海底电子模块包括根据本发明的路由设施。
在这样的海底电子模块的优选实施例中，从电子单元通过两个并联的微分总线连接而并联连接到该路由器资源中的两个。根据该发明的对应的方法提出将第一微分串行总线线路连接到第一海底电子模块的第一远程收发器和第二海底电子模块的第一远程收发器，以及将第二微分串行总线线路连接到第一海底电子模块的第二远程收发器和第二海底电子模块的第二远程收发器。该实施例和方法提供了海底电子模块和从电子单元之间的连接的冗余。例如，如果连接它们的一个海水电缆被例如坠落物切断，则另一个仍将提供连接。
附图说明
下面，通过若干附图进一步详细描述本发明。
图1示出路由设施电路板的第一侧的方框图。
图2示出可选路由设施电路板的第一侧的方框图。
图3示出一个路由器资源的方框图。
图4示出通过在每个路由器资源处对触点垫(contact pad)进行接线来灵活布置不同的端接。
图5示出图1的路由设施电路板的示意性侧视图。
图6示出图1的路由设施电路板的背侧的方框图。
图7示出两个冗余连接的海底控制单元的方框图。
图8示意性示出海底控制单元的冗余网络拓扑。
在所有图中，相应的部分由相同的附图标记表示。
具体实施方式
在图1的正视图中示出的路由设施1是单个印刷电路板2，包括在双D-Sub插头和插座连接器6旁边的微控制器3、现场可编程门阵列4以及四个路由器资源5。插头和插座连接器6布置为穿过电路板2，在电路板2的一侧具有示范性104管脚插头而在另一侧具有对应的插座。例如，它是根据PC104标准的可堆叠总线连接器。这使得能将路由设施1卡与其它具有相同连接器类型的卡一起堆叠。这样的卡堆叠在海底控制单元(未示出)的海底电子模块7中需要空间最小。
例如，电路板2具有根据PC104标准的形式(format)。通过插头和插座连接器6，电路板2可以连接到海底电子模块(未示出)的控制总线8，尤其是连接到这样的模块的主要控制单元(未示出)。在图示的示例中，控制总线8是8位工业标准结构(ISA)总线。可选地，例如它可以是较宽ISA总线、PCI总线或者IEEE 1394总线。然而，路由设施1也可以单独使用而非堆叠。为此，它可选地可以通过根据I²C标准的总线连接到海底电子模块7。路由设施1，尤其是微控制器3，也可以通过用于保持访问的RS-232串行接口(未示出)连接到海底电子模块。路由设施1卡，即电路板2，也可以用于独立操作而非PC104堆叠。然而，如果PC104连接存在，则路由设施1的电源可从其获得。也可以使用其它电源，尤其是在独立操作时。
每个路由器资源5包括用于微分串行总线的一个半双工本地收发器9和用于微分串行总线的一个半双工远程收发器10。在图示的示例中，微分串行总线是RS-485 PROFIBUS DP。可选地，例如其可以是CAN总线。也可以使用全双工收发器9、10。海底电子单元7可以具有连接到顶部主装置(Master)的微分串行总线的从装置，而且它可以提供一个或者多个单独的微分串行总线主装置，其具有附着到它们的路由器资源5的单独的从装置。
远程收发器10与路由设施1的其余部分，尤其是与本地收发器9电隔离。它们配备有有源(active)总线端接装置(此图未示出)和偏置装置(此图未示出)。每个远程收发器10连接到提供所有外部连接的单个44管脚插头11的不同管脚。尤其是，用于微分串行总线的外部总线元件可以通过插头11的不同管脚连接。尤其在路由设施1的独立操作中，插头11还可以用于到外部PC的串行端口的RS-232连接。
本地收发器9连接到现场可编程门阵列4的单独的总线端口。每个远程收发器9由可通过现场可编程门阵列4分别断开的各个直流/直流转换器(此图未示出)供电。通常，仅当远程总线元件连接到对应的路由器资源5时，才启用直流/直流转换器以省电。
能连接到插头11的管脚的可能的总线元件例如是其它海底控制单元(即，它们的电子模块7)或者是能通过微分串行总线提供它们的过程数据的传感器(此图未示出)。这种传感器优选地配置在海底控制单元的外部，例如在井架(well tree)中或者管道上。传感器例如可以是海水传感器、压力传感器或者温度传感器。这些传感器监控油/气/水的生产过程。
微控制器3和现场可编程门阵列4直接连接到控制总线8，通过控制总线8可例如从通过插头和插座连接器6将路由设施1卡插入其中的海底电子模块7的主要控制单元进行访问它们。微控制器3用于设定PC104在现场可编程门阵列4的寄存器中的地址，并且用于使得PC104能访问现场可编程门阵列4。微控制器3另外又用于读和写所有现场可编程门阵列4寄存器以及存储预定义状态条件。这使得在通电后能进入预定义状态。
现场可编程门阵列4具有用于对PC104接口解码的所有逻辑的硬件实现。它包含用于命令和响应的物理寄存器。路由器逻辑全部实现于现场可编程门阵列4中。该逻辑在现场可编程门阵列4中有四个实例，每个对应于路由器资源5中的一个，并且它们由命令寄存器中的位控制。现场可编程门阵列4的路由器控制寄存器中的四位启用/禁用路由器资源5。如果其中一位是零，则对应的路由器资源5不从任何方向传递数据。如果现场可编程门阵列4检测到微分串行总线中的硬件错误，则它自动关闭相关的路由器资源5。
通过控制总线8(即，从海底电子模块的主要控制单元)或者从路由器资源5中的一个(即，从外部源)到达现场可编程门阵列4的数据包由现场可编程门阵列4路由到数据包头(header)中给出的各个总线目的地。对于通过控制总线8的传输，微分串行总线数据包被打包成控制总线8包。现场可编程门阵列负责打包/解开路由到或者路由自控制总线8的各个数据包。由于路由器资源5连接到现场可编程门阵列4的单独的端口，因此路由设施1作为开关而工作，导致总线冲突最小。
所有路由器资源5可以以从9600比特/秒到10兆比特/秒的可变比特率工作。现场可编程门阵列4提供具有少量延迟的透明(transparent)比特率。现场可编程门阵列4收听两端的流量(traffic)。检测流量第一的一侧连接到另一侧。并且因为每个收发器9、10需要两微秒关闭其接收器和打开其发送器，所以现场可编程门阵列4通过移位寄存器(未示出)把数据包比特流延迟量两微秒。
单独的路由器资源5可以服务于具有相同或者不同通信速度(即，比特率)的不同从网络段(Slave network section)。在PROFIBUS DP网络中，DP主装置总是定义所有连接到该DP主装置的DP从装置的通信速度。主要信道带位于顶部的一个DP主装置。该顶部DP主装置控制DP速度和DP协议总线参数，其根据DP主装置启动序列被分发到所有连接的海底DP从装置。
最大微分串行总线比特率由在每个微分串行总线网络中的各种电缆特性和各种电缆长度确定。所选择的比特率由专业工程师在主装置总线配置设置中手动设定。激活连续的主装置重启，而包括路由器信道的连接的从装置将根据DP主装置的新的通信速度而响应。如果专业工程师难以计划通信速度，则主装置可以配置有增大的总线比特率，继之以新的链接重置。以此方式可能找到用于每个微分串行总线网络的最高可能比特率。此过程用于在完成系统启动之前有计划的调试运行工作(commissioning activity)。
在通过电力线调制解调器提供电力线通信的特殊实施例中，在调制解调器初始化完成后，电力线调制解调器可以经由诊断接口给出最大可能比特率的读数。专业工程师可以根据主装置总线配置设置使用该信息来设定最高可能微分串行总线比特率。
路由设施1可以替代四个常规路由器卡。因此，与现有技术相比，功耗以及空间耗费减少到约四分之一。通信比特率可变，使得针对根据环境状况的每个单独的海底安装可获得最大总线数据传输速度。此外，由于总线端接、偏置和电隔离，路由设施1不受例如海水电缆故障或者外部短路的外部干扰的影响。
除了路由器资源5连接到现场可编程门阵列4的方式以外，图2所示的路由设施1相似于图1。所有的本地收发器9并联连接到现场可编程门阵列4。因此，对路由器资源5来说，路由设施1作为集线器工作。这意味着所有到达的数据包被分发到所有路由器资源5。然而，不是所有从路由器资源5到达的数据包都被路由到控制总线8。仅仅目的地为控制总线8或者它之后(例如在顶部控制点)的数据包被路由到控制总线8。
图3以方框图形式示出路由器资源5中的一个。本地收发器9位于右侧并且连接到现场可编程门阵列4。远程收发器10位于左侧。三个光耦合器12提供对远程收发器10的电隔离。用于远程收发器10的浮动(floating)电力由直流/直流转换器13提供。本地收发器9与海底电子模块7的地相联系。收发器9、10设计为最大比特率10兆比特/秒。光耦合器12设计为最大比特率25兆比特/秒。
每个路由器资源5具有错误检测器(未示出)，其监控本地侧和远程侧二者的输入电压水平。如果处在最低比特率9600比特/秒时在大于10比特内，一侧的两条线路的电压相差大约大于预定差，则禁用路由器资源5。现场可编程门阵列的路由器状态寄存器中的八位状态位中的一位设定为指示哪个路由器资源5以及问题出在哪侧(本地/远程)。通过将“1”写入指示错误的状态位，清除了错误并且对应的错误检测器被重新准备好。
现场可编程门阵列4的路由器状态寄存器中的各个控制位对应于每个直流/直流转换器13。如果位是0，则对应的直流/直流转换器13断开，否则其启用。因此，通过仅仅启用实际上附着了另一个总线元件的直流/直流转换器13就可以省电。
在路由设施1通电(power on)或者重置后，微分串行总线主装置启动其初始化并且通过相关路由器信道把总线速度和总线参数传送到该网络上的所有总线从装置。微控制器3可以检测微分串行总线上的最大通信比特率。
路由设施1的通电配置对每个路由器信道即路由器资源5而言是独立控制的。默认启动条件是直流/直流电力转换器13接通并且路由器资源5启用。系统通电时使微分串行总线主装置能对微分串行总线从装置起作用(reach)是重要的。路由器资源5将只是适应于微分串行总线主装置定义的通信速度，并且路由器资源5将确保适应于该速度。每个微分串行总线从装置将接收微分串行总线主装置定义的微分串行总线比特率作为链接启动序列的第一部分。微分串行总线主装置预配置有该微分串行总线上的所有微分串行总线从装置的微分串行总线从装置地址。
图4示出在远程收发器10前面的微分总线的两条线路S1、S2二者之上的触点垫Pxi(x＝1，2；i＝1，2，3)。所有本地和远程收发器9、10在其前面具有相似的垫，遵循相同图案。它们使得能通过对触点垫进行适当接线来配置各个收发器9、10的电气性能(electrical behaviour)。如果触点垫适当地提供有管脚，则可以使用跳接(jumpering)来代替接线。在垫之间没有任何接线的情况下，就完全没有端接和偏置。将垫P11和P12接线，以及将P21和P22接线，产生220欧姆有源端接。将垫P11、P12和P13接线在一起，以及将P21、P22和P23接线在一起，产生220欧姆有源端接和偏置。然而，原则上海底PROFIBUS DP电缆应该总是在两端被端接。虽然这将导致功耗高于短电缆所需的功耗，但是保护收发器9、10的输入免受由于过压而造成的击穿。
图5示出了在其上侧上包括路由设施1的电路板2的示意性侧视图。在第二侧布置三个专用输入/输出接口14、15、16，即数字输入接口14、数字输出接口15和模拟输入接口16。每个接口14、15和16具有分别用于采集和输出过程数据的多个端口。
输入/输出接口14、15、16在示出电路板2背侧的示意性视图的图6中可以看得更清楚。将路由设施1和输入/输出接口14、15、16布置在单个电路板2的两侧的结果是进一步减少功耗和空间耗费，而现有技术中为此需要三个单独的卡。通过根据该示例的路由设施1，所需卡的数量可以从四个(两个标准输入/输出接口卡，一个路由器卡，一个定制输入/输出卡)减少到一个。
输入/输出接口为数字和/或模拟过程数据源提供通用可连接性。数字/模拟信号源可以在端口11处进行连接。海底电子模块(此图未示出)的主要控制单元(此图未示出)经由控制总线8和微控制器3访问输入/输出接口14、15、16，其中接口14、15、16连接到微控制器3。与路由器资源5相比，它们不直接连接到控制总线8。
数字输入接口14例如可以用于采集继电器(尤其是开关继电器和功率继电器)的状态或者功率检测电路的状态。数字输出接口15可以用于例如设定/清除这样的继电器的状态，尤其是用于将远程传感器接口通电重置(power-reset)。模拟输入接口16可以用于例如由绝缘监控海水电缆或者海底控制单元或管道内部的压力测量或温度测量产生的值。例如，对电力和微分串行总线海水电缆绝缘监控可能产生与在100千欧姆和18兆欧姆之间的电阻值对应的模拟电压。如果绝缘被破坏，电阻值将显著下降。这可以由微控制器3以数字化电压值的形式进行检测，因而可以禁用各个路由器资源(此图未示出)。模拟输入接口16包括示范性16位模数转换器。所有输入值被缓冲以便微控制器3进一步读取和处理它们。例如，微控制器3要么可以对顶部控制点的基于时间的查询答复数字的/数字化的值，要么它可以自行监控该值并且仅仅报告与预定义的容许值区间(tolerable value interval)的偏差。
数字的/数字化的值可以由微控制器3以不同环形圈(ring loop)的形式存储在现场可编程门阵列(此图未示出)的寄存器中。从那里，该值可以由其它总线元件读取，尤其是由顶部控制点(此图未示出)读取。
在图7中，示出了连接两个海底电子模块17、18的冗余方式。两个海底电子模块17、18均包括根据本发明的各个路由设施1。它们每个均包括四个路由器资源5。第一海底电子单元17包括在其主要控制单元20中的海底电力线调制解调器19。海底电力线调制解调器19连接到通向顶部控制点(此图未示出)的电力线21。
冗余通过用两条微分串行总线线路22、23连接海底控制单元17、18来获得。第一微分串行总线线路22连接到海底电子模块17、18的远程收发器10A。第二微分串行总线线路23连接到海底电子模块17、18的第二远程收发器10B。出自或者到达海底电子模块17、18中的一个的任何数据包则通过两条微分串行总线线路22、23并行路由。
图8示出获得海底网络冗余的不同方式。每个包括具有路由设施1的海底电子模块7的若干海底控制单元(未示出)形成海底封环拓扑。一个海底电子模块7M包括海底电力线调制解调器19。海底电子模块7通过从各个第一远程收发器10A延伸到各个第二远程收发器10B的多条微分串行总线线路22来串联连接。如果在一个地方环形拓扑中断，可能是海底电子模块7损坏或者是微分串行总线线路22海水电缆故障或者短路，则路由的数据包仍到达所有运行的(functional)海底电子模块7。
用于测量管道(未示出)温度的海水传感器24连接到海底电子模块7X的远程收发器10。这样，由于它是PROFIBUS DP的元件，因此顶部控制点25接收由海水传感器24测量的过程值。所有的数据包通过电力线21传输到海底电子模块7M，并且随后通过路由设施1自动围绕PROFIBUS DP环形拓扑而路由到海底电子模块7X。例如，路由器资源5还可以对诸如海水传感器24的海底传感器包括单独的CAN总线接口。