（控制理论与控制工程专业论文）新型遥传短节与测量仪器接口电路研制.pdf

蕊恕置羲大学颤i 掌迸谂交 摘要 在测井行渡中，遥传仪器对精确豹蕊测期羧到石油井驰运 睾蠢显著 乍爝，它 懿功麓楚穆劳下澄发、压力等参鼗熬测量数据传递爨囊羹鬻仪器。本文熟工终嚣熬 楚静对传绞瓣遥传仪器敬簿搴蠢，搜器憨线动耧大，无法实璇罨石焚暴俗豢力诗 连接等疑点，开发一耱精墼鲍可靠憋裔、功耗低静遥传仪器。 新登遥传仪器镄暴麓时分笺雳技术健输数箍，毽英铰嚣怨线的格式每传统邋 传仪器截然不弼。本文蓬新设计了新型遥传短节和参数测量仪器的接口电路，部 分参数静援鄹魄鼹突全采雳硬搏电鼹实现；镑聪湿壤参数懿数摄频率离予颞懋遥 俦方式弼馋簸频率藏固豹矛艚，提出了按“使”黉输的撅方式；基于滚婕参数孛毒 骞熬轰疯瞧，怼浚鬓数据慕灞了嚣逡健骧黪方式。零文迩羧讨了采臻帮静鼗转羧 器a d 7 7 1 3 鲣臻瀣藏鼹篷力精号靛方法，著送行了羧谣，疆窕了遴邋石英晶体撬 宓诗裔额输密馕号计算嚣力缀率鹤方法，著箍密了颞黧遥转靛器连接石簇器体压 力计的方案。 经理论论诫茅h 试验验证表明，本文掰设计的薪型迢健役器题实际可行的，可 噬罄代传统逶馋仪嚣，广泛接广往鼷。 关键谰：溺井逶嵇褥繁撩西电路仪器糠线搿荚蘸体添力浮 两北d 吐大学颁i 学位论史 a b s 【口c e a b s t r a c t f o rf l c o m p l e xw e l ll o g g i n g ，t e l e m e t r yt o o l sw h i c ha r eu s e dt ou p l i n kd i g i t a l d a t ao ft h em e m o r yt o o l st os u r f a c ei n s t r u c t i o n sm a yb e n e f i ts i g n i f i c a n t l yd e t a i l e d m o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gt h ew o r ko ft h ew e l l b a s e do nt h et r a d i t i o n a lt e l e m e t r y t o o l s m a n yb a r r i e r s ，g r e a tp o w e rw a s t eo nt o o l b u sa n di n a b i l i t yt oc o n n e c tt ot h e q u a r tp r e s s u r et r a n s d u c e r ，an e w k i n do f t e l e m e t r yt o o l sh a v eb e e nd e v e l o p e di nt h i s p a p e l t h en e wk i n do ft e l e m e t r yt o o l su p l i n kt h ed a t au s i n gt d m t e c h n o l o g y , b u tt h e d a t af o r m a to ft h et o o lb u si sv e r yd i f f e r e n tf r o mt r a d i t i o n a lt e l e m e t r yt o o l s a l lt o o l s a r er a t e m e t e rt o o l sw h i c ht r a n s m i td a t aa sn e g a t i v ep u l s eo nt h et o o lb u sf o l l o w i n ga 1 2 5 u sp o s i t i v et e l e m e t r ys y n c h r o n i z a t i o np u l s e 1 1 1 et e l e m e t r yd e l a y sf o re a c ht o o l h a v eb e e ns t a n d a r d i z a t i o na sc h a n n e la l p h a b e t i c a ll e t t e r s s ot h et e l e m e t r yg a u g ea n d i n t e r f a c ec i r c u i to ft o o l sa r ed e s i g n e di nt h i sp a p e r t h et e m p e r a t u r ed a t ao ft h en e w k i n do ft e l e m e t r yt o o l sh a ss p e c i a lf o r m a tc o n s i s t i n go fa n8b i td i g i t a lt e m p e r a t u r e w o r eo v e ra n8f l a m et i m ep e r i o df o ri t sh i 曲f r e q u e n c ya n dt h ed a t ao ff l o w m e t e ri s u p l i n k e do nt w o t i m ed o tt od e t e r m i n ed o w n h o l eo ru p h o l er o t a t i o n a ld i r e c t i o n t h e m e t h o do ft r a n s f o r m i n gt e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ed a t ab ya d 7 7 1 3i si n t r o d u c e da n d t h em e a n so f c o n n e c t i n gt ot h eq u a r tp r e s s u r et r a n s d u c e ri s d i s c u s s e di nt h i sp a p e r a l s o i th a sb e e n p r o v e dt h a tt h i sn e w k i n do ft e l e m e t r yt o o li sf e a s i b l ea n dc a nb ep u t i n t ou i s e k e y w o r d s ：w e l l l o g g i n g ，t e l e m e t r yg a u g e ，i n t e r f a c ec i r c u i t ，t o o lb u s ， q u a r tp r e s s u r et r a n s d u c e r 两北t 业大学顺士学位沦艾 第一案绪泛 1 1 课题背景 第一章绪论 石油是现代工业社会最具战略意义的基础原料，石油消费水平实际上已经成 为一个国家综合国力和经济发达程度的重要标志。我国既是一个石油生产大国， 也是一个石油消费大国，石油在我国国民经济发展中起着极其重要的作用。而测 井是世界石油工业中高技术含量最多的产业部门之一。 测井是记录钻入地幔的一口井中岩石或流体混合物不同的物理、化学、电子 或其他性质的过程。测井能够测量的性质为井眼中流体流量与密度、岩石含水量、 中子吸收率等。其测量原理是在声学、电学、核物理等学科的基础上建立的。而 用户把测量仪器的数据同地质学结合起来确定地层的岩石物理参数及流体性质。 如：计算孔隙度、渗透率、含油饱和度和泥质含量等参数，划分油气水层；对于 复杂岩性地层，识别岩性和裂缝；对注水开发区块的水岩层解释，能够指示剩余 油的分布情况；通过多井解释也可以对油藏类型、油水关系、产能和储量等进行 综合研究。 井下仪器通过测井电缆将测得的测井信息传输到地面仪器。测井有单测和 组合测井之分，我国早期采用的是单测技术，每次只能测量一个参数。目前国内 使用的遥传仪器采用的是采用遥控遥测技术的组合测井，每次可以同时测量多 种参数，甚至一次下井能测量所有参数，由此产生了单芯电缆，它是数控生产测 井系统的井下数据传输工具。单芯电缆是生产测井的井下仪器与地面仪器之间的 传输介质，其芯是一根缆芯，外层是钢丝编织成的电缆皮，用以增强电缆的抗拉 力。采用单芯电缆传输方式，缆芯既要供电又要传输数据。而数控测井技术是在 数字测井技术上发展而来的，它除了具有数字测井技术系列化、数字化和标准化 的特点外，还有数据采集、处理解释、质量控制和测井数据远距离传输的功能。 实际上，数控测井技术是在计算机控制下的测井高技术，又称计算机测井系统 2 1 。 该系统是以车载计算机为核心的实时测井系统，是一个数据的采集、传输、处理 和记录系统。其数据采集传输系统是整个数控测井系统的一个重要组成部分，测 井数据采集传输系统由井下和地面两部分组成，地面部分接收井下数据并对其进 西北工业大学硕：卜学位论史 第一章绔论 行解释，井下部分即指遥传仪器，用来采集并传输井下数据，它由遥传短节及测 量仪器组成。测量仪器又包括传感器及相关电路和接口电路，本论文的工作重点 为遥传短节及测量仪器接口电路的研制。 1 2 遥传仪器简介 图1 - 1数控测井系统组成 理想的测井可以探测到井中油、水、汽的比重及储油层参数如压力、温度等。 目前，国内外多采用流量仪、含水率仪、压力仪、温度仪等七支测量仪器对井况 进行测量。遥传仪器在测井仪器中起着采集并传输数据的作用。它向连接在其下 的各测量仪器寻址，采集对应仪器的数据，再将采集数据调制成曼彻斯特码传输 到地面系统，地面系统对接收到的归零曼彻斯特码进行信号整形恢复、解码、串 并转换、奇偶位有效检查和数据锁存，等待计算机查询处理，计算机通过对这些 数据进行分析得到井下的参数信息。 事实上，遥传仪器是测井仪器中井下测量仪器与地面解释系统之间采集、整 理、发送数据的中转站，它与地面系统的连接图如下图。测井仪器按照功能分为 不同的节，每一节是一支仪器，遥传短节主要用来接收各测量仪器的数据，并将 数据整理成一定的格式通过单芯电缆传送到地面。遥传短节与各测量仪器之间通 西北j _ 业大学领十学位论文 第一章绪论 过仪器总线进行数据传递，它通过仪器总线向各测量仪器寻址并由仪器总线向各 测量仪器供电，而各测量仪器的接口电路将其传感器测量的数据以一定的格式传 送到仪器总线上，遥传短节从仪器总线上接收各支测量仪器的数据。即遥传短节 和各测量仪器之间也是“单芯”连接的。 n 嘛研 i 一卫 仪器总线 挫里旦圬雨r 司i 。蕊1 再f 丽陬一面陬_ 酐i r 一 接ff 接 h ji 1 5 1 ii 嚣 自 然 伽 码 仪 雏1 | | | 1 3 遥传仪器的发展情况 州 遥传仪器多采用时分复用9 】方式，即在数据传输过程中，各仪器先后轮流使 用传输信道，这样信道利用率得到大大提高。在遥传仪器中，指各测量仪器数掘 轮流占用仪器总线和单芯电缆，从而实现“单芯”的传输方式。 国内原始遥传短节采用的是d d l i i i 技术【4 】，这是国外八十年代的技术，仪 器在遥传短节中采用了8 位微处理器c d p l 8 0 2 作为控制单元，但c d p l 8 0 2 没有 片内r o m 和串行通讯端口，需要可编程只读存储器w t 8 0 1 4 和通用异步接收 发射器u a r t 6 4 0 2 的配合才能完成数据的采集控制和数据调制。仪器控制过程 如下：微处理器寻址片外r o m ，并执行其内容：将仪器地址向u a r t 发送，通 过u a r t 将地址发送给井下测量仪器，与地址匹配的仪器将数掘送回给u a r t ， 再由c d p l 8 0 2 及w t 8 0 1 4 读出u a r t 接收到的仪器数据，并将数据调制成曼彻 斯特码输出到单芯电缆。该仪器的c d p l 8 0 2 和( u a r t ) 6 4 0 2 等器件不仅价格 昂贵，而且难以购买，给仪器的正常生产和维修带来极大的不便。 f1e卜巴酣凄引一跳lfi波 ji jlllj仲 压力仪一 与l青1短旧慷兰j 懿 i 0 流体密度仪一 图 两北t 业人学硕l 学位论文 第一章绪论 目前国内广泛使用的遥传技术都是在d d l i i i 上发展来的，它采用单片机对 原始遥传仪器进行了改进。该仪器在每一支测量仪器的接口电路中都包含一个靼 片机电路，他们各自都分配有地址。遥传短节中的单片机直接发送地址，地址匹 配的测量仪器单片机将数据通过仪器总线传送到遥传短节中，由遥传短节中的单 片机直接接收，并将数据调制成曼彻斯特码输出到单芯电缆。该遥传仪器多采用 8 9 c 2 0 5 1 单片机作为遥传短节的控制器件，它不再需要外扩程序存储器和u a r t ， 而且易于购买，这对原始遥传短节的不足有了很大的改进。但这种遥传仪器仍存 在一些不足：采用双向通信，总线上功耗比较大；单片机在井下高温高压的工作 环境中故障率也较高，直接影响了仪器整体的可靠性和稳定性：无法与石英晶体 压力计进行连接，实现高精度的压力测量。 国外的测井遥传技术也在不断发展，例如：井下电视测试系统可以拍摄并传 输高清晰度、低亮度的井下图像：采用质量计量的方式提高流量计量的准确性： 斯伦贝谢公司的仪器p l a t f o r me x p r e s s 将密度、中子、电阻率测量和遥传集成在 一起，重量和抗震性都有很大提高及仪器方位电阻率成像测井仪a r i 可以对井 周岩性、裂缝特性等进行详细描述。 2 0 世纪末，英国s o n d e x 公司推出一种新型遥传仪器。这种新型遥传仪器 采用仪器总线上的正脉冲同步，以正脉冲后的负脉冲代表数据，其测量仪器的接 口电路完全采用硬件电路实现，可靠性高和总线功耗低，对传统遥传仪器有很大 改进。这种仪器国内并没有引进，本文新型遥传仪器设计的正是参考了这种仪器 的传输方式。 1 4 本文主要工作 目前国内使用的遥传仪器具有上述的不足，测井行业要求可以对其进行改 进，新型遥传仪器就是顺应这种要求产生的。 英国s o n d e x 公司推出的遥传仪器为本文的新型遥传仪器设计提供了参 考，其仪器总线格式及结构框图为本设计提供了设计思路。由于本文设计的新型 遥传仪器对国内传统的遥传仪器进行了改进，而且其仪器总线格式与s o n d e x 公司的遥传仪器的仪器总线格式相同，可以与s o n d e x 公司的遥传仪器进行配 镁，所以它可以作为独立的遥传仪器或在国内引进s o n d e x 公- j 遥传仪器后作 嚣翡工堑天掌矮士学位论文 藏鼗绪瓷 为葵配件进行推广。 由于测璧仪器豹传懑嚣电鼹在多年熬测并实黢中已经蹴较成熟、完善，率史 主要是对邋传艇节和测量仪器的接口电路霾新进行了设计。采用赫型遥传仪器的 数据传簸方式，浏爨仪器接口魄鼹完全建磺俘毫鼹实褒，丽且电爨簿攀、西靠。 基予些特殊参数的性质，本文对逛魍参数静数据避行了姆爨处理。对予参 数瀑凄，鞋j = | 予蓑羧攥频攀大予豢型遥传方浚可以传羧熬撅察蕊戮，本文提密了按 “位”蒋赣豹糕方法，鬟蠛了滋浚数撼蕊馋猿。对予参数浚量，它靛鼗舞不餐要 反淤大，l 、述要反映方赢，本文采绡了正转数据和爱转数穗占霜两遵传输的方法对 蒸迸幸亍楚鬻。 本论文还采带模，数转撩器a d 7 7 1 3 作为溢俊、压力测最信号的处理嚣件怼 滠壤、趱力测量议器重辑遵行了设毒 。a d 7 7 1 3 静恍点缀多，采麓蕻掺为瀑度、 压力信号的处理器传可以大大憋简化测麓仪器魄路。 另努，论文还讨论了邋过石茭照髂压力计瓣麓鞭羧臻整号渗癸压力羰率靛方 法，劳掇蹬了石英螽俸鼹力诗与鼗燮遥砖仪器茨接口设计方寨。凝鬃遥传 史器熟 莱胃戳实瑗与石英黼俸嚣力诗豹连搂，w 戳大大提凝压力数器懿精确度，遂将为 鬻鍪遥绥铰器鹳攫广起爨耋要 窜鹬。 两北t 业人学颂【+ 学位论文 第二章新型遥传仪器的砹计思想 第二章新型遥传仪器的设计思想 2 1 遥传仪器的通信 测井贯穿于油井开发的全过程。我国广泛使用的测井系统采用的是数控测井 技术该数控测井系统的数据采集传输系统主要包括地面和井下两个部分，地面 系统对接收到的归零曼彻斯特码进行信号整形恢复、解码、串并转换、奇偶位有 效检查和数据锁存，等待计算机查询处理，而井下部分则指遥传仪器，遥传仪器 包括遥传短节和测量仪器。由于测井行业的特殊环境，测井仪器要求越细越好， 按照功能的不同，测井仪器分为不同的节。节与节之间纵向相连。遥传短节是独 立的一节，各测量参数的测量电路根据情况自成一节或两个参数集成一节。每一 节测量仪器都有接口电路，遥传短节将同步脉冲发送到仪器总线，各测量仪器的 接1 3 电路从仪器总线上接收同步信号，并在不同的时间点将数据传送到仪器总 线，遥传短节接收仪器总线上的数据，并将其整理成曼彻斯特码传送到单芯电缆。 2 1 1 遥传仪器的信号传输方式 测井一般都在地面3 0 0 0 米以下进行，如对测量参数采用多条电缆传输会对 油井的正常工作会造成很大的影响，而我国早期采用的单测技术是指每支测量仪 器分别将测井信息通过电缆传输到地面仪器，每次只能测量一个参数。但单测工 作效率低，测量时间长，给井场工作带来较大困难。而且在测一种参数时的井况 与测另一种参数时的井况可能发生较大变化，会造成很大的误差。目前国内使用 的都是组合测井，每次可以同时测量多种参数，甚至一次下井能测量所有参数。 单芯电缆是与其相适应的井下数据传输工具。它是井下仪器与地面仪器之间的传 输介质。采用单芯电缆传输方式，缆芯既要供电又要传输数掘。而遥传仪器中仪 器总线也是既传输数据又向连接其下的测量仪器供电，即遥传短节与各测量仪器 之间也采用“单芯”传输系统。 在“单芯”传输系统中，各测量仪器先后轮流使用传输信道，在现代通信中， 信道往往允许多路信号同时传输，这就是信道复用问题5 7 】。理论上，只要使备 6 西北r 业夫学倒l1 学位蹬史 第二章新型遥传仪器的设计思也 组信号分量相互正交，就能实现信道复用。常用的复用方式有频分、时分和码分 复用等。 频分复用( f d m ) ，就是指用不同频率传送各路消息，以实现多路通信。无 线电广播和】电视广播是典型的频分复用的例子。频分复用适合两大城市间的固定 通信。它的优点是复剧路数多和节省功率，缺点是设备过于庞大、复杂，而且， 因为系统中存在非线性，不可避免的出现路问干扰。 码分复用( c d m a ) ，每个用户被分配了各自特定的地址码，利用公共信道 来传输信息。c d m a 系统的地址码相互具有准正交性，以区分地址，而在频率、 空间和时间上都可能重叠。也就是说，每一个用户都有自己的地址码，这个地址 码用于区别每一个用户，地址码彼此之间是相互独立的。在这种技术中，系统的 接收端必须有完全一致的本地地址码，用于对接收的信号进行相关检测。其它使 用不同码型的信号因为和接收及本地产生的码型不同而不能被解调。但这些信号 的存在信道中引入了噪声或干扰，称为多址干扰。现在这种技术广泛应用在我国 的移动通信事业上。 时分复用( t d m ) ，就是指将多路信号在时判轴上互不重叠的穿插排列在尉 一条公共信道上进行传输，按照一定时间次序一次循环的传输各路消息以实现多 路通信。首先各路信号通过相应的变化变为带限信号，然后送抽样开关。抽样丌 关每隔一定时间t 将各路信号一次抽样一次，这样n 各抽样值按先后顺序错开 纳入抽样间隔t 之内。在t d m 中，发送端的转换开关和接收端的分路开关必须 同步。所以在发送端和接收端都设有时钟脉冲序列来稳定丌关时间。同步就是保 持两时钟序列合拍。实现的方法与脉冲凋制方法有关。一种方法是在每帧中分配 一个( 或多个) 时隙，发出一个预定的同步脉冲。同步脉冲的参数( 幅度、宽度 等) 与其它脉冲有明显区别，以便在接受机易于与识别。时间标志的另一种方法 是在时分复用传输带宽之外发射导频。还有一种方法是在每j 喷中传递一个预先规 定好的同步码。这种码有接收机鉴别，并使定时系统同步。 由上文可以看出，频分复用是把各路信号的频谱安排在互不重叠的频率区 间，因此，虽然各路信号在时间上是重叠的，但在频域占据不同的频带。而时分 复用则相反，它的复用信号在时削上互不重叠，而在频域里占用公共的频带，因 此在频谱上是重叠的。码分多址是给每路信号分配了特定的地址码，它在频率、 第一二章新型遥传仪器的改汁总息 时间、空刈上都可以重叠。 表面上来看，目前国内使用的遥传仪器，每一支测量仪器都被分配了各自的 地址码，地址又备不相同，好像采用的是码分多址技术，但事实上，码分多址系 统在时间上是可以重叠的，而目前国内使用的遥传仪器的单芯系统，在一个时i 刚 只能传输一路信号，它采用的是时分复用的技术。 在遥传仪器中，采用时分复用技术是指进行数据传输时，各测量仪器的地址 指令、数据传递轮流占用仪器总线和单芯电缆。在“单j 卷”传输系统中设计有 l o 个测量仪器数据道。其示意图如下： 源端 l2 1 0121 0 m 1 接收端 - t 图2 - 1 遥传仪器传输系统示意创 新型遥传仪器也采用时分复用的方式，各测量仪器数据轮流占用传输信道， 当该仪器的传输时间到时，即使没有数据要传输，其他测量仪器也不得占用传输 信道。 2 12 单芯电缆的传输协议 在测井仪器系统中，地面仪器与井下仪器传输协议因功能不同和传输可靠性 要求不同而不同，功能要求越强，传输可靠性要求越高，相应的通讯协议越复杂。 传输协议涉及到地面系统与井下遥传单元通讯时码型的选用，通讯方式，传输速 度和数据传输质量检测等。 测井信息传输系统中，为了传输大量测井信息，充分利用频带宽度，提高信 息传输速度，各种测井的数字化信息，先要进行编码和调制，再经电缆传至地面， 常见的编码调制方式有脉冲编码调制方式( p c m ) 、曼彻斯特编码、双相位相移 键摔( b p s k ) 调制、四相位相移键控( q p s k ) 惆制、双二进制数、调制二进制 n - lr 业大学碳卜学位论文 第二章新型遥传仪器的改汁思想 数( m d ) 、不调制变形双二进制( u m d ) 和f 交振幅调制( q a m ) 等。 数据校验有奇偶校验和循环冗余校验，如果数据量很大的情况，多采用循环 冗余校验，这种校验检错效率高，而奇偶校验键错效率相对较低，适用于数据量 少的情况。 在单芯电缆传输体统设计中，遥传短节与地面系统之间只有一根缆芯，根据 这一特点，采用曼彻斯特码8 1 传输，波形如下图所示，曼彻斯特码是用在位元中 央的电平跳变来表示“o ”和“1 ”的，电平由低到高代表“0 ”，由高到底代表“1 ”。 即电平不可能持续的高电平或持续的低电平。同时，曼彻斯特码还是自同步码， 接收端可以利用所接收信号的跳变沿来恢复传输时钟。曼彻斯特码共有2 0 位， 其中前3 位是同步位，紧跟着的是1 6 位数据，最后是奇偶校验位。 p ，一、010000o011110 1010 f| | ii |il li l 厂 f n n 门门门_ n l 广u _ _ 几_ l 一厂1 l 一几 叫k s 8 j7 2 池h s 咖 l r - 牛_ l hl 1 _ t 一一 一 上图为曼彻斯特码波形t - i n 为蛀l 零曼彻斯特码波形 图2 - 2曼彻斯特码波形图 测井仪器的外径都很小，为使电路更加简洁在满足功能要求的前提下，在 制定地面与遥传问的数据传输协议时，要简单实用。因此，地面与遥传仪器之间 的数据传输采用单工方式，即只有遥传短节向地面传输数据。为了便于远距离传 输，减少直流分量及电感影响，曼彻斯特码经电路调制成归零曼彻斯特码后由驱 动电路发送到单芯电缆，再由单芯电缆传输到地面系统。 2 2 目前国内使用的遥传仪器 2 2 1 目前国内使用的遥传仪器简介 遥传仪器在井下部分主要包括遥传短节和各测量仪器。遥传短节单独成一一支 9 西北工业大学硕士学位论文 第二章新型遥传仪器的改计思想 仪器，各测量仪器都包括一个接口电路。目6 u 国内使用的遥传仪器的遥传短节向 仪器总线发送地址，地址匹配的测量仪器将数据传送到遥传短节中，由遥传短节 中的单片机接收，并将数据调制成曼彻斯特码输出到单芯电缆。遥传遥传短节与 各测量仪器通过仪器总线通讯，地址信号和数据信号都在仪器总线上进行传递， 测量仪器从仪器总线上得到地址信号，遥传短节从仪器总线上得到数据信号。在 目前国内使用的遥传仪器【9 】中，遥传短节寻址每支仪器需4 m s ，1 0 支仪器共需 4 0 m s ，故每秒有2 5 帧数据产生，采样率为每秒2 5 次，每个仪器不断循环地被 寻址，其地址和数据不断循环的被发送到地面系统，地面系统将这些信息处理后， 即得到每个仪器的测量参数信息。 遥传短节与测量仪器之间采用仪器总线进行通信，仪器总线既要向连接其下 测量仪器供电，又要传输数据，为了完成这些功能，在遥传短节与测量仪器的接 口电路之间采用归零码传输，半双工，采集数据采用类似命令响应方式。之所以 说是类似命令，因为在这里遥传短节向测量仪器的接口电路发的是地址，而不是 命令。遥传短节以等间隔时间向测量仪器的接口电路发送地址，各测量仪器均设 置有固定的地址，其接口电路将收到的数据与自己的地址比较，如相符，就将仪 器数据发送到遥传短节。遥传短节与测量仪器接口电路之间的信号格式为1 1 位， 第一位为起始位，紧接着是8 位数据，然后是奇偶校验位，最后是停止位。 l 起始位l 判断位。 h i i 面 面直l 函地址位l 蕊1 奇f 肖在停趣 地址信号格式 龇i 乒特随i 刿姚5 蜘融h f 蝴 妇| 刿错位】 数州曲苦州禺位停止位 数据信5 ：； 格式 图2 - 3 仪器总线上的信号格式 地址信号和数据信号都在仪器总线已传递，为了区分仪器总线上的仪器地址 和仪器数据，在遥传短节发送给仪器的地址信号中，数据的最高位固定为“1 ”， 仪器发给遥传短节的数据信号最高位固定为0 。每支测量仪器每隔4 0 m s 被寻 址一次，这4 0 m s 内测量仪器的数据以1 2 位数据表示，即各测量仪器向仪器总 线传输数据时，需分两次传输，每次传输6 位数据。即遥传短节每发送一个仪器 地址信号，对应仪器返回两个数据信号。这三组信号要在4 m s 内传输完毕。 遥传短节与地面系统间通过曼彻斯特码进行数据传输，传输速率没计为 5 7 2 9 2 k b s ，之所以采用该速率是因为传统的地面系统是以该速率接收数据的， 0 两北工业丈学硕士学位沦文 第二章新型遥传仪器的敬汁思想 采用该速率便于与地面系统的接口配接。曼彻斯特码前三位为同步位，该同步位 为各占一位半的低电平和高电平，地面系统接收到该同步位确定这是一组新的数 据。中削的1 6 位数据中前四位是仪器地址，后1 2 位仪器数据。遥传短节接收到 数据后，将两次接收到的数据进行整理，并与其地址位组合成1 6 位数据向地面 传送。曼彻斯特码的最后一位是奇偶位，用于遥传仪器向地面进行数据传递时的 奇偶验证。这里的奇偶验证是针对仪器地址和仪器数据的1 6 位数据进行验证。 奇 四位地址位1 2 位数据位 偶 一 、1 ilfliilli ili | ii | | |l 厂 - 几n 厂1r nj u l 厂l r l n n 一几 i，一，l 卜i m s b 57 2 9 2 k b s l s b 图2 - 4 国内目前遥传仪器的不归零曼彻斯特码波形 2 2 2 目前国内使用遥传短节的简介 事实上，国内由不同的单位设计的遥传仪器虽然都采用上述的设计思想，但 其电路并不完全相同。在这里着重介绍一种采用a t 8 9 c 2 0 5 1 作为控制器件的遥 传仪器。 图2 - 5 遥传短节结构框图 遥传短节主要完成的功能是通过各仪器的接口电路控制采集各仪器数据，再 将各仪器数据及该仪器的地址信息，经过电缆驱动后发送到地面系统。上图为目 两北一r ：业大学顺卜学位论义第二章新型逼传仪器的i 5 ； 汁总想 f ；i 国内使用的遥传短节结构框图，从图中可以看出，遥传短节的电路主要包括三 部分，分别是控制电路，调制电路和驱动电路。控制电路是用来控制对仪器数据 的采集，它向仪器总线发送地址，并将接收到的数据转换成曼彻斯特码送往驱动 电路。调制解凋电路的主要作用是将来自控制板的不归零码调制成归零码后送到 驱动电路，再发送到单芯电缆，同时将来自仪器总线上的归零码解调，变成不归 零码送到控制电路。驱动电路的作用是将送往仪器总线和电缆的信号进行驱动。 为了防止电缆波形与仪器总线波形瓦相干扰，遥传短节通过l l 、l 2 及c 组成的 电路将仪器总线和电缆进行隔离。 测井电缆上的曼彻斯特码波形由单片机指令执行时间决定，前面提到，单芯 电缆上数据传输速率为5 7 2 9 2 k b s ，因此，曼彻斯特码位单元周期为1 7 4 5 u s 。为 了留有足够的时问处理单片机内部的工作，设计半个电缆周期包括3 2 个指令周 期。而a t 8 9 c 2 0 5 1 的一个指令周期包含1 2 个时钟周期，则晶振频率设为： 1 2 面云2 4 4 m h z 3 2 + 1 2 在目前国内使用的遥传仪器中，遥传短节中的单片机采用串口与仪器总线进 行通讯，采用串口方式3 9 位u a r t 方式1 ，其波特率可变。 调制解调电路的作用是将信号进行调制和解调，以便其可在仪器总线和电缆 上传输。单片机输出的是不归零码，为了其在仪器总线上的传输，将它调制成占 空比为1 8 的归零码，有脉冲代表代表“0 ”，无脉冲代表“1 ”。调制脉冲经驱动 反相后，在仪器总线上有负脉冲代表“0 ”，无负脉冲代表“l ”。经过调制后的信 号在仪器总线上传输，可减少总线上的电流消耗。解调电路对来自仪器总线信号 进行解调，将归零码解调成不归零码，使单片机能识别接收。 驱动电路除了对仪器总线及电缆进行驱动，还对曼彻斯特码进行调制。单片 机将曼彻斯特码送到双单稳边沿触发器4 5 3 8 ，将该双单稳触发器一个设置成上 升沿触发，一个设置成下降沿触发。这样曼彻斯塔码经过双单稳触发器后，在箕 上升沿和下降沿处分别产生单稳脉冲，这两路单稳脉冲经过减法电路后，即得到 归零曼彻斯特波形信号，浚信号经过电缆驱动后送到电缆，电缆将数据传j 萎$ i j 地 面系统。 西北工业大学硕十学位论文 笫二章新型遥传仪器的世计心思 2 2 3 目前国内使用测量仪器接口电路简介 前文提到每支测量仪器都有各自的接口电路用来与遥传短节进行通讯，接口 电路接收并累加传感器测量信号转化来的频率信号周期，并将其整理成1 2 位数 据每4 0 m s 传输一次。测量仪器的接口电路从仪器总线上摘取地址信号对其进行 解码并进行地址判别，如地址与本仪器地址匹配，则将仪器数据调制分两次发送 到仪器总线，以便遥传短节接收。在目前国内使用的遥传仪器中，测量仪器接口 电路也采用单片机a t 8 9 c 2 0 5 1 作为控制器件。为了简化硬件电路，采用软件实 现数据的调制解调，在此不再详细说明。 2 3 新型遥传仪器的设计 2 3 1 新型遥传仪器的设计要求 遥传仪器包括遥传短节和测量仪器，测量仪器又包含传感器电路和接口电 路，在多年的测井实践中，测量仪器的传感器电路已很成熟，所以本文中提到的 新型遥传仪器的设计主要是指遥传短节和测量仪器接口电路的设计。 目前国内采用的遥传仪器，虽然已经普及使用，但仍存在很多缺陷： 1 每支测量仪器的接口电路中都采用单片机作为控制器件，而在实际的 测井中，故障往往都出在单片机上直接影响了仪器整体的可靠性。 2 目前国内使用的遥传仪器采用的双向通讯方式即遥传短节通过仪器总 线寻址，测量仪器进行响应并将数据传送到仪器总线方式，总线上的 功耗较大。另外该仪器的仪器总线电压是3 3 v 电压工作，总线电压较 高会导致各种仪器的电源匹配时消耗较大无用功率。 3 石英压力计是一种高分辨率的压力测量仪器，但由于其传输数据量较 大，在目前国内使用的遥传仪器无法兼容石英压力计而是采用分辨 率较低的应变式压力计。 针对以a z l h - j 题，新型遥传仪器的产生成为测井行业的一种需要，而新型遥传 仪器除应克服以上缺陷以外，还需具有以下特点： 1 可以与原有的地面系统兼容，也就是说，在连接遥传短节和地面系统 西北t 业人学坝i “学位论文第二章新型遥传仪器的设汁思想 的单芯电缆上的数据格式和内容与原有的遥传短节是兼容的，以便仪 器的推广。 2 另外，在测井行业，仪器能不能在高温环境下正常工作也是油田是否 购进测井仪器的重要指标之一，所以，新型遥传短节的整体电路应可 以在1 7 5 的高温下正常工作。 3 在我国，测井仪器多在地下3 0 0 0 米工作，要求新型遥传仪器能通过 单芯电缆将井下数据准确的传送到地面。 4 测量仪器的接口电路采用硬件电路实现，且要求电路简单、可靠以及 易于维修。 5 在电路设计时，应尽可能减少功耗。消耗电流应小于5 0 m a 。 2 3 2 新型遥传仪器的设计思想 前文中提过，目前国内使用的遥传仪器采用的是时分复用的技术，在新型遥 传仪器中也采用这种技术，但这两种仪器的同步方式不同，前者是用规定好的同 步码( 即遥传短节发出的“命令串”) 来实现同步，而新型遥传短节则使用同步 脉冲来实现同步。 新型遥传仪器的仪器总线电压是1 2 v ，该仪器总线也既要为各测量仪器供 电，还要传输同步脉冲和数据。下图为仪器总线示意图，在仪器总线上的难1 2 v 脉冲为同步信号，数据则用仪器总线上的负1 2 v 脉冲表示。同步脉冲和数据脉 冲的宽度都为l u s 。 图2 - 6 仪器总线示意倒 两个同步脉冲之间的时间间隔是1 2 5 u s ，在这两个同步脉冲之间，每一支测 量仪器都被分配了一个时间点传输数据，也就是洗，图中的每一个数据信号都是 来自不同的测量仪器的数据。在两个同步脉冲之时没定特定的时间点，每一个时 西北r 业大学倾卜学位论史 第二章新型遥传仪器的吐计思想 间点代表一个参数，该时间点就相当于各测量仪器的地址。新型遥传仪器中各参 数测量仪器传感器测量得到的信号被转换成频率，即各参数的数据以频率信号体 现，遥传短节以频率为8 k 的i 司步脉冲对各仪器的数据频率进行抽样，当在某参 数的时涮点上仪器总线上有负脉冲说明在这个同步周期内，该参数的频率数据信 号有新的上升沿。而在一个同步周期内，每支测量仪器只对应一个时间点，则采 用这种方式各参数的频率数据信号最大只能是8 k h z 。 遥传短节在发出同步脉冲后，在每个特定的时白j 点接收仪器总线上的数据。 并对各参数的数据即负脉冲的个数进行累加，累加3 2 0 次后，即得到在这4 0 m s 里各参数频率信号的周期数，从而可以算出该参数的数据频率。图2 7 为计算周 期数的示意图( a g 为不同的测量参数的数据信号) 。 _ 同 廿脉冲i25 i l x 运次粜加 ( 1 - 127 ，us a 的频率= 5 0 0 u s 里有4 个数据脉冲= 8 0 0 0 h z b 的频率= 5 0 0 u s 里有3 个数据脉冲= 6 0 0 0 h z = d 的频率 c 的频率= 5 0 0 u s 里有2 个数据脉冲= 4 0 0 0 h z = f 的频率 e 的频率= 5 0 0 u s 里有1 个数据脉冲= 2 0 0 0 h z = g 的频率 图2 7 新型遥传仪器频率测餐原示意图 时面提过，新型遥传仪器连接遥传短节与地丽系统的电缆上的数掘要求与目 前国内正在使用的遥传仪器中电缆的数据格式、数据传输频率相同。所以新型 遥传仪器在同步周期内电设1 0 个时间点，并向地面系统传输1 0 组数据，每组数 据的传输时1 白j 为4 m s ，1 0 组数据的传输时间为4 0 m s 。即每支仪器的传输间隔为 西北工业大学倾士学位论义 第二章新型遥传仪器的设计思想 4 0 m s ，传输的数据为在这4 0 m s 里各参数频率信号的周期数。 2 3 3 新型遥传仪器的设计难点 对于新型遥传短节的设计，存在以下难点： 1 ，怎样产生叠加在1 2 v 仪器总线上的1 2 v 同步脉冲，并分离出叠加在仪器 总线的1 2 v 数据信号。 2 解决发送同步脉冲，接收数据及向单芯电缆传输数据的时序关系。 3 仪器整体电路要求耐1 7 5 。c 高温，这对器件的选择造成了很大难度，而 且高温器件的供货周期都较长，这与缩短设计周期产生了矛盾。 4 降低功耗，消耗电流要小于5 0 m a 。 5 研究通过石英晶体压力计输出的高频信号计算压力的频率的方法，并解 决石英晶体压力计与新型遥传仪器的接口设计。 以上问题对新型遥传仪器的设计都很关键，新型遥传仪器必须解决以e 问题 才能有实际应用的价值。 1 6 躐j l ：- e 业犬学坝1 j 学位论文 第三带新型遥千擘仪器的逶传矩节设计 第三章新型遥传仪器的遥传短节设计 井一f 的遥传仪器主瑟包括邋传短节秘测量仪器，饿嚣3 豹主要功能楚采集蚕 仪器数据将其谶行处理，然后以照彻斯特码的形式将数据经单芯电缆发送到地面 系统。裁型遥传仪器与爨羲国蠹镬雳静邋绩仪器最大豹不嚣是，掰者豹邋信方式 不同，以致仪器总线上的数据格式不同，这在第二章介缨过。虽然新型遥传仪器 袋蔫这静耨静逶信方式，灞量仪器静接翻毫路可以完全袋掰硬件电路设计，不秀 需要单片机，大大减少了遥传仪器中单片机的数量，但新型遥传仪器的邋传短节 的控制器件仍然需要采用单片机采发送间步脉冲、接收仪器总线上的数据以及对 数据进行整理。 新型遥传短节由于其发送“命令”和接收数据的方式与目前国内使用的遥传 仪器不燃，其硬馋电路穗奏攫大瓣不曩，缀多惫潞毖须黧瑟设诗。稷据浚诗豹要 求，在设计过程中采用以一f 的原则：一是选用元器件时，要考虑其是否拥有军品， 戮使在簿漫骂壤一f 霞磊。弱簿尽霹蔻速瘸俸狡较，l 、懿元器释，以躐轻将来东p c b 扳时的难度。二是要尽擞选用典型电路，使用通用器件，这样不仅可降低成本， 又可加遽研涮过程。 遥传短节的控制器 牛仍然采用单片机作为控制器4 牛，出于新型遥佟短节对 时间要求很严格，所以采用汇编语言进行软件设计。设计时，各功能实现模块化、 予程序优，这撂，贬方便调试、链接，也便于稳序嚣织接。 为了使仪器在恶劣的井下环境工作可靠，采用了硬件和软件抗干扰设计措 藏窝疆传靛可靠性设诗。 3 。1 遥传短节硬件设计 遥倦短节馋为发送“禽令”、采集数据、整理并传埝数据熬中转弦，在遥馋 仪器中怒着很重爰的作只 | 。在新型遥传仪器中它的主要功能是发送同步脉冲，在 润步藤冷发窭最瓣每个镣定时闰患上接收不两仪器的数据，将数箔进行豢鸯噩，并 整理成与目前国内使用的遥传仪器相同的数据格式传送到地面，地面将对这些数 稻进行解释。两3 1 是新型遥传髓节结粜框鼙。 西北工业大学硕卜学位论文 第三章新型遥传仪器的遥传觚仃设汁 图3 - 1 进传短节结果框酬 如图遥传短节包括几个部分：电源模块、电缆驱动、单片机模块、信号调制 与解调模块等。电源模块为遥传短节提供所有电源，电缆驱动模块将单片机的输 出的曼彻斯特码变成归零曼彻斯特码信号通过单芯电缆向地面传输。单片机模块 发送同步脉冲到信号调制与解调模块，在同步脉冲发出后的每个特定时间点接收 信号调制与解调模块从总线上得到的数据，然后将数据整理并转化成曼彻斯特码 的形式，传送给电缆驱动模块。信号调制与解调模块将单片机发出的同步脉冲( 0 到5 v 的信号) 调制成1 2 v 仪器总线上的1 2 v f 脉冲同步信号，并将仪器总线 上的数据负脉冲转化成0 到5 v 的数据信号，以便单片机可以接收。 3 1 1 电源模块设计 1 2 v 的电源对新型遥传仪器是非常重要的，在其基础上产生的仪器总线既需 为测量仪器的传感器及其接口电路提供电源，又要传输同步脉冲和数据信号。在 新型遥传仪器中，采用的是串联反馈式稳压电路旧对其进行稳压，图3 2 为新型 遥传短节采用的稳压电路图，图中基准电压是运放的负端输入，由稳压管d l 与 限流电阻r 1 构成的电路获得反馈网络由电阻r 6 和r 7 组成。t r l 为调整管， 它是p 沟道的场效应管。在本电路中t r l 相当于一个可变电阻，通过调节其g 极电位，使v o s 改变，进而改变t r l 的阻值，使得输出电压v o 电位不变。其稳 压原理为：当输入v + 增大时，输出电压v o 增大，运放u 1 b 正端输入增大，其 正端输入与负端输入之间压差增大，运放u 1 b 的输出电位增大，场效应管的v o s 辨l lc 韭太学磺： 掌继论交 麓三章凝鐾遥终披器魏避铸瓣节蹬汁 降低，负载电流减小，输出电压v o 降低。同璎，当输如电压减小时，箕输出电 压穗纂本保持不变。在鏊穗电压定静情况f ，遵过溺节魄疆r 6 和r 7 躺 酾 关系，可以调节输如电压v o 。而剡中运放u 1 a 及电阻r 3 、r 1 0 、r 1 l ，稳压管 d 2 等级畿稷护电路，当负载电流过大时，r 3 电照上压黪交丈，从蕊使纛教_ u l a 钓语潜竣入大予负端输入，场效应铃g 壤电位燧高，其v g s 减小，扶露镬受截鬯 浚躐小，麓列强护瞧路瓣律臻。在这个电路串，u l 静l 辫帮7 瓣之蕊翁电位敦 麓羲甄，决定燕稳压电鼹越晦臻还是爨奄路莛 箬瘸，警u i b 鼹埝密大予u 1 a 静输出时，稔露瞧辩藩作鼹，爱之，保护电鼹趣作舔。本设计中，p 沟遂的场效 应管采用v p 0 6 1 0 ，浚场鬣应管麴编置电匿为2 v ，丽运液t l 0 8 2 的v 。在供电 电压为1 5 v 时为1 2 v ，所以无法关断v p 0 6 1 0 ，即在输琏 端无法褥戮很小鲍负载 电流，氇就是说负鼗窀漉必须大予一定菠潮，稳压电路彳可正豢工作。 i 嘲3 - 2 遥传短宵稳压电路藤瑗图 该电薅数突文特点题低压茇稳匿，当输入电援在1 2 。s v 譬土上翳，浚邀鼹酃 可将输搬电压稳定在t 2 v 。 3 1 。2 电缆驱动模块设计 新型遥倦短节的电缆鞭渤电踌莱用露髓隧内使麟遥传仪器魄成熟电鼹，对萆 冀枫壤崮戆整彻簸褥玛粟爱被单穗融发嚣4 5 3 8 及避教c a 3 1 4 0 蓑动连接撬袋弱 减法瞧路进行谓测。荦冀规摸块壤出的不归零曼期凝特鸸( a 点) 竣送裂毁肇稳 悫魅发嚣4 5 3 8 ，竣啜肇稳态睡发溅令没鬻藏，乏舞溢融麓，个浚遥成f 辩沿 i ! 呵北 业犬学硕卜学位论文 第三帝新型避传仪器的避传短节设计 触发，该爱街新特鹈经遥双擎稳触发器簸，在其