专利名称：用于海底电子模块的路由设施的制作方法
技术领域：
本发明一般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 络拓朴中布置在海底。 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，将微分串行总 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
利;电;线进;亍电子通信的第二组。、i后二种情况中，优点:不需要单
独的通信线。
已知的海底控制单元需要用于采集和/或输出数字和模拟过程数据
的至少两个输入/输出(I/O)接口卡。另外，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。如果要采集过程数据或者 如果要控制过程，则所需卡的数量增加。这些多个卡耗费空间且耗能
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。
该问题通过包括权利要求1给出的特征的路由设施而得到解决。 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在单个电路板上包括用 于将数据包在微分串行总线的段之间路由的装置以及用于数字和/或模 拟过程值的至少一个输入/输出接口 ，其中该过程值通过该微分串行总线 可访问。如果这样的路由设施用在海底电子模块中，与和多个现有技术 的输入/输出接口卡结合的现有技术路由器卡相比，功耗以及所需空间极 大减少，原因在于可以省去额外的输入/输出卡。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 ，即纯输入接口、纯输出接 口和组合的输入/输出接口 。
路由设施实施例的原型已经建立，包括优选的总共三个一输入/输出 接口，即数字输入接口、数字输出接口和模拟输入接口。通过该实施例， 尽管可以省去两个常规的输入/输出接口卡，但仍然提供了用于数字和模 拟的两秤类型数据的通用可连接性。因此，海底电子模块可以构造得非 常紧凑。
在非常优选的实施例中，路由设施包括微控制器、现场可编程门阵
列(FPGA)和至少两个路由器资源作为用于路由的所述装置，其中每 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，并且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所述路由器资源之间路由的所述现场可编 程门阵列连接。
尤其是，该收发器可以是用于实现过程现场总线DP微分串行总线 的半双工收发器。可替代地，微分串行总线可以是CAN总线。
海底网络的高容错可以通过每个所述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，其中所述远程收发 器是浮动的，而所述本地收发器与本地电气接地相联系，且其中每个所 述远程收发器包括有源总线端接装置和偏置装置。
由海水电缆中电压峰值、电势差或者短路引起的故障和缺陷可以通 过该实施例避免。
在另一个实施例中，每个所述远程收发器包括有源总线端接装置和偏置装置。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)，则其余总线/网络可以保持工作。
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。这使得能在主控制单元和路由设备之间 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。
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到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，微分总线上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。
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，该电路板可以设计为例如PC104标准提出的可堆叠卡，因此进一 步减少空间耗费。
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。
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側的方框图。 图2示出路由设施电路板的示意性侧视图。 图3示出路由设施电路板的背侧的方框图。 图4示出一个路由设备的方框图。 在所有图中，相同的附图标记表示相应的部分。
具体实施例方式
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，在其第 一侧上在双D-Sub插头和插座连接器(plug-and-socket connector) 6旁 边包括微控制器3、现场可编程门阵列4以及四个路由器资源(router
5resource) 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 一側具有示范性的04管脚插头而在另一側具有对应的插孔。例如，其 是根据PC104标准的可堆叠总线连接器。这允许将路由设施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的海 底电子模块7中需要最小的空间。
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。可替代地， 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，它可替代地可以通过根据I2C 标准的总线连接到海底电子模块7。路由设施l,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)而连接到海底电子 模块。路由设施l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过程现场总线DP (RS-485 PROFIBUS DP)。 可替代地，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(Slave)，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，该微分串行总线主装置具有连接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的其余部分电隔离，尤其是与本地收 发器9电隔离。它们配备有有源总线端接装置(此图未示出)和偏置 (bias)装置(此图未示出)。每个远程收发器IO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的不同管脚来连接。尤其在对路由设施1 的独立操作中，插头U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逐个断开的各个直流/直流转 换器(此图未示出)供电(supply)。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。
可以连接到插头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)。这样的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，例如可 通过控制总线8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另外又用于读写所有现场可编程门阵 列4寄存器以及存储预定状态条件。这使得在通电时能进入预定状态。
现场可编程门阵列4具有用于对PC 104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。路由器逻辑全部以现场可 编程门阵列4来实现。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的数椐 包由现场可编程门阵列4路由到数椐包头(header)中给出的各个总线 目的地。对于通过控制总线8的传输，微分串行总线数椐包被打包成控 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的各个数椐包。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作为开关工作，导致总线沖突最小。
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、 IO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)把数椐包比特流延迟两微秒。
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)的不同的从网络段(Slave network section)。在过程现场总线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。主通信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送到 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 连接的从装置将根椐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通过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将该信息用 于设定最高可能微分串行总线比特率。
图2示出了在其上侧上包括路由设施l的电路板2的示意性側视图。 在第二側布置有三个专用输入/输出接口 12、 13、 14,即数字输入接口 12、数字输出接口 13和模拟输入接口 14。每个接口 12、 13和14具有 分别用于采集和输出过程数椐的多个端口 11。
输入/输出接口 12、 13、 14在示出了电路板2背侧的示意性视图的 图3中可以看得更清楚。将路由设施1和输入/输出接口 12、 13、 14布 置在单个电路板2的两側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输入/输出卡。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。因此，与现有技术相比，功耗
8以及空间耗费减少到约四分之一。通信比特率可变，允许针对根据环境 状况的每个单独的海底安装来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。
输入/输出接口为数字和/或模拟过程数据源提供通用的可连接性。 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)通过控制总线8和微控制器3对输 入/输出接口 12、 13、 14进行访问，其中接口 12、 13、 14连接微控制器 3。与路由器资源5相比，它们不直接连接到控制总钱8。
数字输入接口 12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 13可以 用于例如设定/清除这样的继电器的状态，尤其是用于对远程传感器接口 通电重置(power-reset)。冲莫拟输入接口 14可以用于例如由海水电缆的 绝缘监控或者海底控制单元或管道内部的压力测量或温度测量所产生 的值。例如，对电力和微分串行总线海水电缆的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，电阻值将明显下降。这可以由微控制器3以数字化电压值形式进行 检测，由此可能禁用各个路由器资源(此图未示出)。模拟输入接口 14 包括示范性16位模数转换器。所有输入值被緩冲以便微控制器3进一 步读取和处理它们。例如，微控制器3可以要么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以不同环形圏(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。
图4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IO位于左侧。三个光 耦合器15提供对远程收发器IO的电隔离。用于远程收发器IO的浮动 (floating)电力由直流/直流转换器16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15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9600比特/秒的最低比特率时在大 于10比特内， 一側的两条线路的电压相差大约大于预定义的差，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'T，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16。如果位是零，则对应的直流/直流转换器16被断 开，否则其被启用。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16就可以省电。
权利要求
1. 一种用于海底电子模块(7)的路由设施(1)，在单个电路板(2)上包括-用于将数据包在微分串行总线的段之间路由的装置(5)，以及-用于数字和/或模拟过程值的至少一个输入/输出接口(12、13、14)，其中所述过程值通过所述微分串行总线可访问。
2. 如权利要求1所述的路由设施(1 )，包括总共三个输入/输出接 口 ( 12、 13、 14)，即数字输入接口 ( 12)、数字输出接口 ( 13)和模 拟输入接口 ( 14)。
3. 如权利要求1或2所述的路由设施(1 ),包括以下作为用于路 由的所述装置-微控制器(3) -现场可编程门阵列(4)以及 -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(B)的各个本地收 发器(9)和用于微分串行总线(B)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。
4. 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)与对应的本地收发器(9)电隔离，其中所迷远程 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，并且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。
5. 如前述权利要求中任何一项所述的路由设施(I),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。
6. 如权利要求5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。
7. —种用于海底控制单元的海底电子模块(7)，该海底电子模块 (7)包括如前述权利要求中任何一项所述的路由设施(1)。
全文摘要
本发明涉及用于海底电子模块(7)的路由设施(1)，在单个电路板(2)上包括用于将数据包在微分串行总线的段之间路由的装置(5)以及用于数字和/或模拟过程值的至少一个输入/输出接口(14、15、16)，其中所述过程值通过所述微分串行总线可访问。
文档编号H04L12/40GK101512983SQ200680055934
公开日2009年8月19日 申请日期2006年9月25日 优先权日2006年9月25日
发明者E·布雷克, V·斯泰根, V·霍滕 申请人:西门子公司