（测试计量技术及仪器专业论文）电缆遥测通讯系统研究.pdf

中文摘要 专业：测试计量技术及仪器 硕士生：张玉珍( 签名) 监垂：鹭 指导教师：党瑞荣( 签名! 字；兰争 摘要 随着石油工业的发展，遥传系统作为石油勘探开发一个重要的环节，显得日趋重要， 因此研制高性能的遥传系统是测井行业发展的要求。 本文结合高分辨数字感应测井仪器的研制，设计了数字电缆遥测通讯系统，并对系 统进行了调试。数字电缆遥测通讯系统的研究内容包括电路软件、硬件以及地面数据处 理三方面。其中硬件包括：地面遥传单元、井下遥传单元、井下遥传单元与地面遥传单 元的连接电路、地面遥传单元与地面采集板的连接电路。地面遥传单元包括曼彻斯特码 的编码、译码校验等电路，以及地面遥传单元与主机之间的接口电路；井下遥传单元除 了传输数据译码、编码、滤波等电路，还且还包括井下遥传单元与井下仪器连接电路。 并且为各个电路编制了相应程序，完成了系统软硬件调试。最后制定数据传输协议，以 及围岩校正的设计。 数字电缆遥测通讯系统硬件采用d s p 、f p g a 技术，不仅提高了测量的精度、系统 的可靠性、稳定性，并且实现了数据的实时、高速处理。数字电缆遥测系统与地面仪前 端机的接口设计应用了c p c i 总线、u s b 、r s 2 3 2 技术，其中c p c i 总线技术首次在国内 测井行业中应用。 本文研制了适用于我国自行研制的高分辨数字测井仪器的数字电缆遥测通讯系统。本 文设计的数字电缆遥测通讯系统将在今后的测井行业中得到长足的发展，也为今后的遥 传系统的研究提供了一定的参考价值。 关键词：电缆遥测通讯系统c p c i 总线曼彻斯特码围岩校正d s pf p g a 论文类型：应用研究 英文摘要 s u b j e c t ： s p e c i a l i t y ： n a r l l e ： i n s t r u c t o r ： as t u d yo fc a b l et e l e m e t r ys y s t e m t e c h n o l o g y & l n s t r u m e n t z h a n gy u z h e n ( s i g n a t u r e d a n gr u i r o n g ( s i g n a t u r e o ft e s ta n dm e a s u r e 恕。杉7 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n to fp e t r o l e u mi n d u s t r y ，t e l e m e t r ys y s t e m a s p e t r o l e u ma n i m p o r t a n tl i n k o fp e t r o l e u mw e l ll o g g i n g ，s e e mb e c o m i n gm o r ei m p o r t a n t s od e v e l o pa h i 曲- p e r f o r m a n c ec a b l et e l e m e t r ys y s t e mi sr e q u e s to f d e v e l o p m e n t o f o f p e t r o l e u mi n d u s t r y ； t oc o m b i n e d i g i t a lh i g h r e s o l u t i o ni n d u c t i o nt o l l d e s i g nd i g i t a l c a b l e t e l e m e t r y s y s t e m t h er e s e a r c hc o n t e n t si n c l u d et h r e er e s p e c t so fo n _ s i tp r o c e s s i n g s o f t w a r ea n d h a r d w a r e t h eh a r d w a r ei n c l u d e s ：s u r f a c eu n i to fc a b l et e l e m e t r ys y s t e m ，d o w m h o l eu n i to f t e l e m e t r ys y s t e m ，s u r f a c eu n i ta n dd o w n h o l eu n i tc o n n e c t i o nc i r c u i t ，s u r f a c eu n i ta n ds u r f a c e g a t h e rb o a r d c o n n e c t i o nc i r c u i t h a v en o tm e r e l yd e s i g n e ds u c hc i r c u i ta st h ee n c o d ea n d d e c o d eo fm a n c h e s t e rc o d e ，f i l t e r ，e t c s u r f a c eu n i to fc a b l et e l e m e t r ys y s t e ma n di n t e r f a c e c i r c u i to fh o s tc o m p u t e ra l s oi nt h es u r f a c eu n i to fc a b l et e l e m e t r ys y s t e m i nt h ed o w n h o l e u n i to fc a b l et e l e m e t r ys y s t e m n o tm e r e l yi n c l u d ef i l t e rc i r c u i t ，e n c o d e ra n dd e c o d e ro f m a n c h e s t ec o d ec i r c u i t ，b u t a l s od o w n h o l eu n i to fc a b l et e l e m e t r yc o n n e c tw i t hl o g g i n g w e l li n s t r u m e n ti nt h ep i ta l s o w o r k e do u tt h ec o r r e s p o n d i n gp r o c e d u r ef o re a c hc i r c u i ta tt h e s a m et i m e ，f i n i s h e dt h es y s t e m a t i cs o f t w a r ea n dh a r d w a r et o d e b u g i ti s m a k ed a t a t r a n s m i s s i o na g r e e m e u ta n dd e s i g n tc o r r e c t i o ns h o u d e rd e d sf i n a l l y a d o p td s p , f p g at e c h n o l o g yi nt h es y s t e m ，n o tm e r e l yi m p r o v et h ep r e c i s i o nm e a s u r e d ， i m p r o v e ss y s t e m a t i cd e p e n d a b i l i t y ，s t a b i l i t y , a n dt h eo n et h a th a sr e a l i z e dt h ed a t ai sr e a l - t i m e a n dd e a l i n gw i t ha tal f i g hs p e e d g u r f a c eu n i ta n dh o s tc o m p u t e ri n t e r f a c ed e s i g no ff r o n tw i t h w h e nu s eb yc p c it h eb u s e s ，u s b ，r s 2 3 2a tt h es a m et i m e c p c ib u sf o rt h ef i r s tt i m ei nl o g w e l lt h ea p p l i e a t i o no f t h et h et r a d ea th o m et e c h n o l o g ya m o n gt h e m t h i st e x ti si ta c c o r dw i t hd i g i t a lh i g hr e s o l u t i o ni n d u c t i o nt o l lt h a to u r c o u n t l d rd e v e l o pb y o n e s e l fl o gw e l li n s t r u r n e n tt ot e l e m e t r ys y s t e mt od e s i g n t e l e m e t r ys y s t e mg e tc o n s i d e r a b l e d e v e l o p m e n to ft h et r a d ei nl o g g i n gi nt h ef u t u r ew h i l eb e i n gd i s t a n tw h i l eb e i n gs u c h ，f o r d i s t a n tt os p r e a ds y s t e m a t i cr e s e a r c ho f f e rs l l r er e f e r e n c ev a l u et o o k e y w o r d s ：c a b l et e l e m e t r ys y s t e mm a n e h e s t ec o d ec p c i b u s c o r r e c t i o ns h o u d e rb e d sd s p f p g a t h e s i s ：a p p l i c a t i o n s t u d y 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谓j 意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：麴l 雌 日期：三鲤受j 醴 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学 位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、公 开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相 关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大学。 论文作者签名：型单 导师签每：座殓咚 日期：勘匹：匹! 西 日期：幽二箩、f 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 绪论 第一章绪论 1 1 引言 随着国民经济的发展和世界形势的变化，石油作为一种不可再生的资源，在国民经 济发展中的战略地位显得越来越重要，石油工业的发展也越来越快。经过人们的开采后 石油的储量会逐渐减少，为了充分利用这些能源，尽可能减少开采中的损失，在石油勘 探开发方面，世界发达国家均注重新技术的研究与应用。八十年代末到九十年代，世界 主要的石油测井公司一斯仑贝谢公司、贝克一阿特拉斯公司、哈里伯顿公司等均先后推 出了成像测井系统。成像测井系统是为了适应复杂油气藏勘探开发的需要而发展起来的 专门技术，在信息采集的规模、精度、信息传输、数据处理以及地层解释应用等方面都 将测井技术的发展推到一个新的阶段。 我国在石油天然气的勘探开发方而通过引进吸收国外新技术与自行科研攻关相结合 的方法，其技术水平与国外先进水平的差距越来越小。我国从九十年代中期逐步开始了 成像测井系统中井下仪器的研制，九十年代后期开始了高速电缆电缆遥测通讯系统的研 制。高速电缆电缆遥测通讯系统是成像测井系统的一个重要组成部分，主要完成成像测 井地面仪与成像测井井下仪器之间大量数据的高速实时传输。准确的传输，是测井数据 采集、传输与控制的“咽喉”。本文讨论电缆电缆遥测通讯系统的设计，将电子领域的新 技术c p c i ( c o m p a c tp c i ) 、u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 、d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 以及f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 等用到了测井仪器中，使得电缆遥测通讯 系统的稳定性及精度等性能大幅度的提高，发生了质的变换【”。 1 2 测并数据传输系统的发展 1 2 1 测井装备的发展 测井是一个较特殊的行业，一般的测井系统包括地面设备( 也称地面仪) 和井下仪 器1 2 j 。井下仪器采集与地质信息相关的各种参数，地面仪负责处理、存储这些数据， 同时控制井下仪器的工作。井下仪器工作在几千米的深井之中，温度高，压力大，仪器 直径受限制等等。所以，对井下仪器的设计、制造要求都是非常严格，研制新仪器的难 度很大。 井下各种地质信息以及与工程问题相关的信息极其丰富，这些信息要靠测井装备( 测 井数据采集系统) 采集、提取和分析。因此，从某种意义上来讲，测井装备的发展是测 井行业发展的关键。 测井数据采集系统，将各种对不同地层信息敏感的传感器送入井下，在地面采集系 统的控制下，测量反映该地质和工程特性的有关信息，并转换成物理量；井下仪器的电 子线路采集这些信号，经量化，放大处理后，送给电缆电缆遥测通讯系统的井下部分( 称 为遥传短节) ，由遥传短节通过电缆送到地面。电缆电缆遥测通讯系统的地面部分接收到 信号后，由地面仪器对这些信号进行处理、显示并绘制出测井图，并将原始数据记录， 交计算中心进行后处理。计算中心接到这些测井数据，综合本地区资料，提供完整的油 曲安石油大学硕士学1 ：7 = 论文 层资料。 = 十至三十年代世界上首次进行测井作业，迄今为止，测井装备已经进入第五代， 第一代测井装备是极其简单的基于欧姆定理的手动测量设备，第二代测井装备为模拟测 井系统，信号的传输和输出均是模拟量。第三代测井装备为数字测井系统，测井装备已 经发展为数字输出，数字传送和数字记录。第四代测井装备为计算机控制测井系统，它 以车载计算机为中心，控制、记录和处理井下仪器所采集的数据。为适应较大量的数据 传输，发展了电缆数据遥传技术，出现了一批高性能的测井仪器。九十年代初，测井又 进入了成像测井阶段，出现了第五代测井装备( 成像测井系统) ，在井下仪器传感器阵列 化的基础上采集更为丰富的井下信息，从而进行精细测井。 1 2 2 测井传输系统的发展1 1 l | 2 】 我国目前的测井装备市场主要有三个层次的测井产品，分别是成像测井系统，数控 测井系统和小数控测井系统。其中成像测井系统全部从国外进口，目前国内己进l 1 三十 多套各种成像测井系统，但外方对他们出e l 的产品有严格的使用控制条件，同时价格也 比较昂贵；数控测井系统是目前主要使用的设备，其中大部分是从国外直接进口，其中 有些是国外淘汰掉的产品，目前国内研制的数控测井系统丌始逐步更新国外的产品；小 数控测井系统是由国内的各生产厂家在吸收国外数控测井技术的基础上，针对油田的具 体需要简化设计的产品，它具有一定的局限性。 国# t - n 井仪器领域中关于井下仪器信息传输的研究已有几十年的历史。六十年代以 前所采用的传输方式基本上是属于信息量少的模拟量传输方式。尽管有调频、调幅和调 相等多种调制信息的传输，但均属模拟量传输的范畴，满足不了测井技术r 益发展的要 求。六十年代开始随着地层倾角测井和双侧向测井仪器的诞生，新的传输体制随之问世。 斯仑贝谢公司和阿特拉斯等几家国外公司，成功的研制了按一定格式编排的二进制数字 量传输信息的井下仪器。阿特拉斯公司在八十年代中期以前研制的p c m 脉冲编码调制 器，传输速率甚低，为7 5 k b s ；八十年代中期至今有很大发展，采用了曼彻斯特编码 方式。斯伦贝谢公司一直采用相位键控调制方式传输数据。八十年代中期以前，研制成 功数字传输短节，有c c s 和c t s 两种型号，两种均采用b p s k ( 双相位相移键控) 调制 解调技术。九十年代初研制出m a x 5 0 0 成像测井系统，它的电缆遥测通讯系统称为d t s 数字电缆遥测通讯系统，采用q a m ( 正交幅度调制) 串行调制解调技术，使用电缆t 5 和t 7 组合方式。哈里伯顿公司推出的成像测井系统e x c e l l 。2 0 0 0 中，其电缆遥测通讯 系统采用调制二进制码( 三层双二进制码) 传输。贝克一阿特拉斯推出的成像测井系统 e c l i p s 2 0 0 0 中，其电缆遥测通讯系统采用曼彻斯特码传输。 国内最早研制电缆遥传短节的单位是西安石油勘探仪器总厂。该厂于1 9 7 9 年成功研 制了数字量脉码短节，其性能相当于国外3 5 0 2 水平，1 9 9 0 年成功的研制了1 0 0 k b s 遥 传短节，其性能与国外的c t s 相当，还研制出用于3 7 0 0 的曼彻斯特码短节。此后，于 九十年代后期又开始了高速电缆电缆遥测通讯系统的研制。 绪论 1 3 课题背景 本论文选题来源于作者参加的科研项目高分辨数字测井仪器设计。该项目是石油 大学井下信息探测重点实验室的一个重大课题。主要研究内容包括线圈的设计，井下电 路设计，与其配套的电缆遥测通讯系统等。本人参加了整个系统的设计过程，其中电缆 遥测通讯系统的设计是本人的主要工作。 通过仔细查阅和分析遥传技术的国内外进展情况，发现成像测井系统全都是由国外 进口，目前全国已进口三十多套各种成像测井系统，但外方对他们出口的产品有严格的 使用控制条件，同时价格也比较昂贵；数控测井系统是目前使用的主要设备，但遗憾的 是这些测井系统大多数是从国外直接进口的；小数控测井系统是由国内的各生产厂家在 吸收数控系统技术的基础上，针对油田的具体需要简化设计的产品，但在性能方面有一 定的局限性，所采用的电缆遥测通讯系统是以单片机为控制器件的，单片机的字长有限， 速度较漫，在井下高温高压的工作环境中故障率较高，直接影响了仪器整体的可靠性和 稳定性，同时也不能满足高分辨数字测井仪器的特殊要求。研究一种新型的电缆遥测通 讯系统己追在眉睫。在这种情况下，西安石油大学井下信息探测重点实验室与兄弟单位 合作，结合高分辨数字测井仪器的研制，对电缆遥测通讯系统开展了深入的研究，并顺 利完成了其硬件及软件设计、加工、调试和地面模拟试验，取得了良好的结果，这也正 是本文的主要工作。 本文设计的电缆遥测通讯系统采用了高科技的技术，包括现场可编程逻辑门电路、 数字信号处理器、c p c i 技术，并且采用了先进的数据处理软件。与传统的电缆遥测通讯 系统相比，具有更加优越的性能，其主要表现在下面几个方面： ( 1 ) 先进性。设计的数字电缆遥测通讯系统中，采用先进的现场可编程逻辑门阵 列( f p g a ) 、数字信号处理( d s p ) 、c p c i 总线及u s b 接口技术等。 ( 2 ) 可靠性牡j 。现场可编程逻辑门阵列作为控制核心，用来控制所有模拟开关的切 换和所有的时序控制电路。并且可以使用其内部丰富的资源来代替原来电缆遥测通讯系 统中的s r a m 及缓冲器等器件，大大简化了电路，减少了仪器的体积，提高了系统的可 靠性。 ( 3 ) 准确性。本系统中采用数字信号处理器作为信号处理的核心器件，代替了原 遥测系统中的单片机作为信号处理的核心器件。现采用的数字信号处理器浮点处理动态 范围大，运算精度高。 ( 4 ) 方便性。在系统中采用了三种接口方式与计算机相连，每一种接口方式有其自 身的特点，使用者可以根据环境条件选择一种接口方式，并且每一种接口方式即插即用， 这大大的方便了使用者。所述的三种接口方式包括：r s 2 3 2 接口方式、u s b 接口方式、 c p c i 接口方式。 ( 5 ) 兼容性。测井系统在不断地发展和更新换代，这就要求新设计的测井系统应 尽可能的做到向下兼容，既有发展的阶段性，也有发展的延续性，使其易于接受和推广。 1 萌安石油大学硕十学位论文 在系统中选用c p c i 总线，它能与现阶段使用的p c i 总线完全的兼容。同时在系统中采 用的u s b 技术，可以兼容u s b l 1 。 1 4 论文的内容 论文主要工作如下： ( 1 ) 通过查阅大量的遥传技术资料，设计出符合高分辨感应测井仪器的电缆遥测通 讯系统的总体方案。 ( 2 ) 研制电缆遥测通讯系统的地面单元电路。这一部分的设计包括地面单元与地面 前端机的接口电路；电缆传输数据的编码、译码、校验电路：地面与井下单元连接的通 讯接口板的设计；地面遥传与地面采集板的挂接设计。在这罩要将先进的d s p 、f p g a 、 h d l 5 5 3 0 技术应用到地面单元电路中，这些先进技术的应用不仅提高了精度，而且提高 系统的可靠性。 ( 3 ) 研制电缆遥测通讯系统的井下单元电路。井下遥传单元电路以d s p 、f p g a 、 h d l 5 5 3 0 为核心。井下遥传单元电路包括：井下与地面连接的通讯接1 3 板( 该接口板与 地面单元中的通讯接v i 板的设计完全相同) ：电缆传输数据的编码、译码校验电路；遥传 单元与井下仪器的连接电路。 ( 4 ) 制定符合高分辨数字感应测井仪器的数据传输协议。 ( 5 ) 编制地面与井下电缆遥测通讯系统单元中的d s p 及f p g a 软件。软件设计包 括地面数据的c r c 编码校验，曼彻斯特码编码、译码，滤波等。 ( 6 ) 数据处理。在对数据的现场处理中，完成双感应测井的围岩校正的分析与计算。 ( 7 ) 对系统的调试。调试的内容除了对各个模块的调试，还完成各个模块间的联调。 课题来源：横向课题 4 电缆遥测通讯系统总体设计 第二章电缆遥测通讯系统总体设计 川电缆测井的目的是为了得到井下碳氢化合物( 石油、天然气等) 储量及位置，并 通过计算分析得到其岩石特性以及岩石中所包含的流体的类型和数量。通常一套完整的 测井装备包括：地面系统，测井电缆，各种测井仪器以及提升和下放仪器的设施。测井 装备如图2 - 1 所示。 地两数据采集系统 测井电缆 测井下井彼器 图2 - 1 测井装备 各种测井仪器先放入井底，然后慢慢提升，通过使用各种非破坏性技术进行连续探 测。这种测井过程是在地面系统的控制下进行的，井下仪器测量反映地质特征的有关信 息并转换成f 包压、电流等物理量，通过电子线路对这些物理量进行放大、采集、经量化 等处理后，送给电缆遥测通讯系统的井下部分( 称为遥传短节) 。遥传短节对数据进行编 码、调制等处理后，通过电缆送到地面。电缆遥测通讯系统的地面部分接收到信号后， 进行解调、解码等处理，由地面仪器对这些信号进行分析、处理、显示并绘制出测井图， 并将原始数据记录，交计算中心处理。计算中心接到这些测井数据，综合本地区资料， 提供完整的油层资料 。 设计此电缆遥测通讯系统的目的是满足高分辨数字感应测井仪器的需要，数据传输 速率达到2 0 8 3 k b s ，这样一方面可将井下仪器实时采集到的大量数据高速、准确地传送 到高分辨测井地面采集板；另一方面又将主机命令实时地传给高分辨测井仪器，使其能 进行f 确地操作。 2 1 电缆遥测通讯系统设计要求 两安f 汹大学硕士学传论文 2 1 1 系统设计要求i 邶i i l 测井设备在不同的发展阶段对电缆遥测通讯系统有不同的要求，并且随着科学技术 的发展而发展。高分辨测井仪器对电缆遥测通讯系统提出了更高的要求： ( 1 ) 先进性。由于技术发展的周期越来越短，电子产品的更新越来越快，应采用先 进的硬件，使仪器具有更长的生命力，并支持新一代发展的测井仪器； ( 2 ) 可持续发展性。任何一个测井系统的先进性是相对的，要保持一定的先进性必 须具备可发展性，这就要求能展望电子工业的发展趋势，测井没各今后几年的发展动向， 以及相关行业的发展要求； ( 3 ) 实时性。由于测井作业时问长、单向作业，因此，要求测井作业时必须进行实 时监视、处理，测井仪器的设计应具有强化的实时采集能力，满足若干年内测井发展的 要求； ( 4 ) 兼容性。测井系统在不断地发展和更新换代，这就要求新设计的测井系统应尽 可能的做到向下兼容，既有发展的阶段性，也有发展的延续性，使其易于接受和推广； ( 5 ) 可靠性。由于井下仪器是在井下高温高压和机械振动等恶劣环境下工作的，要 求井下仪器的设计和制造将可靠性放在首位； ( 6 ) 减少环境影响。环境影响诸如井筒的温度、压力、泥浆特性等。在仪器的设计 中应给予充分考虑，以减少环境效应的影响。 2 1 2 系统设计参数 根据高分辨数字测井系统的要求，电缆遥测通讯系统的设计参数为： ( 1 ) 高分辨电缆遥测通讯系统的数据传输速率为2 0 8 3 k b s ； ( 2 ) 电缆数据的传输采用半双工方式，分时传送卜 行数据和下行命令； ( 3 ) 下行命令占用时间为2 m s ，上行数据占用时问为2 6 m s ； ( 4 ) 上行长帧为2 6 2 0 位，下行长帧为2 2 0 位，在每次传输时，上行和下行帧数 及时序不能改变； ( 5 ) 以曼彻斯特码传输： ( 6 ) 采用c r c 一1 6g ( x ) = x 1 6 + x ”+ x 2 + l 进行数据校验； ( 7 ) 只挂接高分辨数字感应测井仪器。 2 2 电缆遥测通讯系统设计 根据电缆遥测通讯系统的设计要求，电缆遥测通讯系统的设计分为两大部分：一是 数据传输协议的设计，二是遥测通讯系统的软硬件设计。 传输协议的设计不但要考虑系统本身的数据传输协议，而且要考虑电缆遥测通讯系 统与地面仪器，电缆遥测通讯系统与井下仪器之间的数据协议，详细的数据协议内容见 第_ 五章。 电缆遥测通讯系统的硬件设计包括地面遥传单元、井下遥传单元、地面遥传单元与 地面仪前端机的接1 2 1 、井下遥传单元与井下仪器的接v i 、遥传与电缆的接口等。电缆遥 6 电缆遥测通讯系统总体设计 测通讯系统的软件设计包括曼彻斯特码的编码、译码，下行命令和上行数据的c r c 编码、 校验等。整个系统电路设计中采用了先进的数字信号处理器，可编程逻辑器件和c p c i 总线技术。详细内容请参见第三章和第四章。 电缆遥测通讯系统总体框图如图2 - 1 所示。 i 地询骁前端际剖 地面遥传单元 、 电铡l 井r 遥传单兀 一矿一 高分辨数字测井1 仪器 图2 - 1电缆遥传通讯系统总体框图 设计思想如下： 本系统的主要功能是将地面计算机命令发送到井下，同时将井下的数据送到计算机。 要能很好完成这个功能应解决以下几个问题：一是地面遥传单元与井下遥传单元的通讯； 二是地面遥传单元与地面仪前端机的连接；三是井下遥传单元与井下仪器的连接等。 电缆遥测通讯系统分为地面遥传单元和井下遥传单元两部分，地面遥传单元与井下 遥传单元通过电缆连接起来。地面遥传单元部分包括c p c i 总线或u s b 或r s 2 3 2 与地面 仪接口，传输数据编码、译码及c r c 校验部分，通讯接口板( 包括下行命令送到电缆中 的电路、接收电缆中上行数据的电路及电缆驱动电路) ；井下遥传单元包括井下电缆数据 编码、译码及c r c 校验部分，通讯接口板( 包括上行数据送到电缆的电路、接收电缆中 下行命令的电路及电缆驱动电路) ，井下遥传单元与井下仪器的连接电路等。 地面遥传单元与井下遥传单元的连接是通过专门设计的通讯接口板连接的。通讯接 口板在地面与井下遥传单元中各有一块，并且两个通讯板的设计完全相同。 地面遥传单元与地面仪的前端机连接采用三种接口方式，即u s b 接口、r s 2 3 2 接口、 c p c i 总线接口。u s b 传输方式传输速率较高、误码率低、使用方便等优点使其在许多 轻便地面系统中得到了广泛采用；c p c i 总线具有更加优越的性能，使其成为当前应用最 广泛的系统总线，其最大特点是数据传输速率高、可靠性高、适用恶劣环境、抗干扰、 前插式、易维修、防震、低功耗等。 井下仪器总线控制器是电缆遥测通讯系统与井下仪器之间数据传输的关键，地面仪 器对井下仪器的数据采集工作通过井下仪器总线控制组织完成。每次测井工作的实施， 都有一只或几只井下仪器组合工作。这些仪器通过插头及螺套连接在一起。 在测井电缆通讯系统中，编码是最主要的核心内容之一，它用来产生适合于在测井 电缆中传输的码型。根据测井电缆的频率特性，要求传输码型必须符合以下两个条件： 西安石油大学硕士学位论文 频谱中不含直流分量，频带尽可能窄。实践可选的码型很多，如曼彻斯特码、信号交替 反转码等不同的码型。根据电缆传输数据格式的要求，本系统特选用曼彻斯特码。曼彻 斯特码是一种平衡归零、双极性的信号编码方式，可以达到较高的数据传输速率，该方 式具有对称性，在每个比特期间均有跳变，具有内在的时钟信息，可以简化同步的处理， 且具有较高的抗干扰性能。 根据系统设计的要求，在井下及地面的遥传电路中采用先进的d s p 及f p g a 技术。 d s p 主要进行井下数据的c r c 编码及校验，数据存储等功能；f p g a 不仅利用其内部的 双口r a m 与d s p 之间进行数据交换，还可以利用移位寄存器进行数据的串，并转换及并 串转换，并且可以进行一些时序的控制。这些数字电路应用不仅可以大大地简化电路， 而且可以提高系统的可靠性。 地面遥传单元的实现 第三章地面遥传单元的实现 3 1 电缆遥测通讯系统工作原理 图3 - 1电缆电缆遥测通讯系统工作原理 图3 1 所示是电缆遥测通讯系统工作原理图4 5 1 。电缆遥测通讯系统由地面遥传单 元、井下遥传单元和测井电缆传输线组成。测井电缆传输线将地面遥传单元和井下遥传 单元连接起来。井下遥传单元接收计算机发送的指令，同时将井下数据回送到地面遥传 单元；地面遥传单元发送计算机命令，并接收井下数据。本章详细地研究地面遥传单元 的工作体制、硬件结构和软件设计等内容。 3 2 地面遥传单元工作原理 ，r s 2 3 2 指像f 一一一 yt 出 曼码 电缆 编码 电路 3 e 动 u s bh 主机 d s p y 瞿塑 滤波 烈极 及曼 性曼 5 总辏 出并码变 码译 码l u 单极 性曼 蹄 码l 乜 1 6 b ，| _ +剩卜0 个字节 y e sn o 工l 发送1 6 个数据发送剩f 的数据 设置为发送状态设置为发送状态 淼 j 一一t 子程序结束 图3 7 控制输入流程图 建立阶段结束之后，主机会执行数据阶段。p d i u s b d l 2 等待接收控制输入包，其过程 如图3 7 所示。t m s 3 2 0 v c 3 3 首先需要通过读p d i u s e d l 2 的最后处理状态寄存器清零 控制输入中断标志位，接着t m s 3 2 0 v c 3 3 在确认p d i u s b d l 2 处于传输模式后进行数据 包的发送。由于p d i u s b d l 2 的控制端点只有1 6 字节f i f o ，如果传输的长度大于1 6 字 节，t m s 3 2 0 v c 3 3 在传输阶段就必须控制数据的数量，如3 7 流程图所示，t m s 3 2 0 v c 3 3 必须检查要发送到主机的当前和剩余的数据大小。如果剩下的字节数大于1 6 字节， t m s 3 2 0 v c 3 3 将先发送1 6 字节并减去参考长度( 要求的长度1 6 ) 。当下一个控制输入 标志到来时，t m s 3 2 0 v c 3 3 将确定剩余的字节是否为零，如果已经没有数据要发送， t m s 3 2 0 v c 3 3 需要发送一个空的包以指示主机数据已经发送完毕。 驱动程序采用了网上下载的成熟程序。 t 地面遥传单元的实现 i 翮丽出列 口 t i r ， 这时，式( 3 3 ) - - ( 3 - 5 ) 变为 u ( t ) eu 常数 稚) = 警+ 暑吲f ) + 一 上 一i ( 3 - 5 ) ( 3 6 ) ( 3 7 ) ( 3 8 ) ( 3 9 ) 式中e 为电源的电动势；“( ，) 和地) 分别为绕组电压和电流的瞬间值；i 。和i 。分别为磁化 电流的无功分量和有功分量；f 。为电路的时间常数。 这时的铁芯线圈可以认为是理想的电压发生器。 如果满足条件 f d r ，r p 则铁芯线圈可以认为是理想的电流发生器，这时，方程( 3 3 ) 一( 3 5 ) 变为 一 u ( t ) = r ，p “ o ) = 7 2 瓦5 = 常数 电路的时间常数r 。近似等于铁芯的时间常数： “i l2 等 ( 3 ) 在理想的电压脉冲作用下铁氧体铁芯的磁化 铁氧体铁芯的主要脉冲参数是：磁感应增量a b ，脉冲强度h ，有效脉冲磁导率以。 所有这些参数都和脉冲宽度有关，首先分析理想电压脉冲作用下铁芯的磁化过程。 式( 3 7 ) 可以写成如下的形式： “( r ) = n s d 出b = u ( 3 1 0 ) 曲安石油大学硕士学位论文 变换z 后求得 = 去眵= 急 衄( f ) ：竺f ( 3 - 1 1 ) j 将式( 3 一l o ) 代入式( 3 - 8 ) ，变换之后得到 船塑：啪) - i q d( f ) t -j 由此可得 百d b = 凰眠( f ) 一只( f ) 式中h 。为窄脉冲时铁芯的磁场强度：h 。为宽脉冲下铁芯的磁场强度。 如果己知i ( t ) ，并将式( 3 2 ) t 1 4 i ( 3 - 1 0 ) 代入式( 3 7 ) ，可得磁场强度和时间的关系： h 胁瓦4 删a 3t t k l + 盟t 乒o 6 u ) 或者 趔( f ) 半m ( f ) 毒删一 ( 3 - 1 2 ) 当，= 时，磁场强度的幅度为 h 。：旦( 1 + 兰) ：h + h 。( 3 1 3 ) 抒。为等值磁场强度，由下式确定： 日。：竺 r o t t 磁场卡强度日。和损耗电阻成反比，因此，在没计脉冲变压器时，为了减少日。常 采用r 。很大的材料做铁芯。 脉冲磁场强度h 。不仅和铁芯的静态参数有关，而且和损耗电阻有关，考虑铁芯分 散性时，脉冲磁场强度按下式计算： 。= 赣( h 一+ h a ) ( 1 + 半) 巩矿瓦a b 忑0 - a nr a i n ( h h + h o ) ( 1 + 等) 根据式( 3 1 2 ) ，有效脉冲磁导率为 以= ( 3 1 4 ) 1 - 卫 “ ( 4 ) 在理想的电流脉冲作用下铁氧体铁芯的磁化 根据( 3 3 ) - - ( 3 5 ) 可以得到电流脉冲作用下铁芯的主要参数。式( 3 3 ) 改写为 地面遥传单元的实现 这时 ( ) ：n s d b ，：1 r ，8 i d t d b ：一1 r e e i d tn s 先求磁感应增量与时间的关系 e d b ( 3 - t 5 ) b ( f ) = a b 1 一e1 | 理想电流脉冲时，有效脉冲磁导率为 删2 等2 鬲a b ”e 一母砾1 - e r ) ( 3 - 1 6 ) ( 5 ) 实际的电压脉冲作用下铁芯的磁化过程 前面分析了在理想的电压脉冲和电流脉冲作用下铁氧体铁芯的磁化过程，现估计实 际的电压脉冲对磁化电流的影响，及实际的电流脉冲电压的影响。 假定儿= 常数，r 。= 常数，即等值线路中电感和电阻都是线性的。电压脉冲的波 形如图3 1 4 所示，其增长规律如下： 吖( r ) = u 二 t 当t ， t 时， u ( t ) = u = 常数 在脉冲前沿期间，铁芯中的磁感应强度按下列变化： “( f 1 = n s d 础b 船u d t ，n s 蝴也) = _ iu 丽t d t = 互u 丽t 2 = 衄击 当f = t 。时的磁感应增量为 曲m ) = 坝u + 衄( t k - t ，) = 丽u 饥一每) ( 3 - 1 7 ) 因此，在前沿很宽的电压脉冲作用下，磁感应增量要比理想脉冲作用下小。 下面分析前沿宽度对铁芯磁场强度和磁化电流的影响。由于f ( f ) 和h ( t ) 问只差一个 常数，因此磁化电流和磁场强度的变化规律相同。 根据式( 3 1 3 ) ， 稚，= 如 三0 氅印 d 商安石油人学硕十学位论文 邯，= 半= h 等 若己知心) ，不难求得日( f ) ，假设脉冲是梯形的，根据式( 3 1 3 ) ，变换之后得到 f ( f ) = 嚣( 1 去) 当t = t 。时，式( 3 - 1 6 ) 变为 坤卜如丢) 当f ， f 0 ，表示信g ( r ) 开始时是向上的，g ( 0 ) 的符号为负， 即g ( o ) 0 ，表示信号g ( f ) 开始时是向下的，从物理角度或工程应用角度考虑，我们希 望信号g ( r ) 经过反滤波后被压缩乘一个尖脉冲y ( f ) ，而这个尖脉冲既能反映原来信号 g ( f ) 是向上跳起还是向下跳起的，又能保持原来信号g ( f ) 的能量水平。现在我们讨论 y ( r ) 一a ( s ) g ( t j ) 2d ( ，) + g ( f ) 的能量，设( f ) ，( ，) 分别表示y ( f ) 和n ( f ) 自相关函数。 于是有 u ) 2y ( t ) 4 y ( - t ) 2 a ( t ) + g ( t ) 日( f ) 4 9 ( 一t ) 2 k ( t ) + o ) ( 6 - 1 4 ) y ( f ) 的能量为( o ) ，由( 6 - 1 4 ) 可以得知 ( o ) 2r o q ) + ( f ) h2 ( f ) ( f )( 6 1 5 ) 为了勘( f ) 的能且保持原来信号的能旦需要舢乘_ 一爪比侈| | 因子j 焉得 扣躲巾) = 躲叩心 a ( t ) 为经过白噪化一能量处理后的反滤波因子。 ( 2 ) g ( 0 为混合相位时。当g ( f ) 为混合相位时，为了刻划g ( f ) 向上或向下运动的特 酉一 一 围岩校芷 点，我们选择一点t 。，使g ( t 。) 的符号能反映g ( f ) 向上或向下的特点，g ( f 。) 的符号为 s 。2 网g ( t o ) 。那么反滤波因子口( 力就变成了三5 网g ( t o ) a ( o 。 现用日反褶积因子对g ( t ) 进行滤波，就是所谓的保持能量不变。通过白噪化和能量 处理之后，就可以解决( 6 1 2 ) 的奇异性问题，得到满意的反褶积因子。 根据感应测井理论及其特点，设计一个比较尖锐的f l ( t ) 代替6 ( t ) 。p ( t ) 的表达式如 f ： 卜1 碱”姜r in 7 一 6 2 最优化方法1 2 7 l 例 在前一种方法中采用j 函数作为目的函数得到了方程( 6 1 2 ) ，但是实际中除了采用6 函数以外，我们还可以采用其它形式的目的函数，同样可阻获得满意的结果，通常我们 采用高斯函数作为目的函数和软约束函数结合的最优化方法来解决这类问题。 在式( 6 5 ) 中，y ( f ) 为目的函数y ( z ) 离散化形式，n = 1 2 ，! 是目的函数离散 点数；a ( s ) 为滤波器a ( z ，) 的离散化形式，s = 1 , 2 3 ，。，。是滤波器的离散点数； g ( s ) 为纵向几何因子实部g ( z ，吼) 离散化形式，k 2 1 , 2 ，n 。，n 。是纵向几何因子实部 的离散点数。根据信号处理理论，n r = n 。+ n 。一1 ，将( 6 5 ) 式用矩阵表示为 y 2 g a r 6 - 1 6 ) 式中，y 和a 分别是n ，l 维和n 。1 维的矩阵，即 y = b ( 1 ) y ( 2 ) y ( r ) 】7 a = 阻( 1 ) 彳( 2 ) a ( n 。) 】7 g 是，n 。维的矩阵 g g o ) g ( 2 )9 0 ) ； g ( 2 ) g ( n ；) j g ( n g ) 0 0 g o ) g ( 2 ) ； g ( n g ) ( 6 1 7 ) ( 6 - 1 7 ) 式是一超定线性方程组，目的函数的选择对解的稳定性具有重要作用。当给出 目的函数时，( 6 1 6 ) 式可化为代约束的最小二乘最优化问题，即选择滤波器使误差平方和 最小，即 眵一g l | ：= r a i n ( 6 1 8 ) 令最小值为目标函数0 并展开式( 6 18 ) 得 o = 】，一一2 q a + a7 w a( 6 - 1 9 ) 4 7 面两 一一勺 西安石油大学硕+ 学位论文 其中， q y 。g( 6 - 2 0 ) w = g 7 g ( 6 - 2 1 ) 对于给定目的函数，式( 6 1 9 ) 中右边第一项是常数，可放到左边的o 中，任用o 表示， 则式f 6 1 9 ) 变为 o = a 。w a 一2 q a ( 6 - 2 2 ) 由于理想的目的函数与实际的响应函数差别较大，为了得到理想的结果，还必须加 适当的约束条件。 ( 1 ) 用设计滤波器处理后的目的函数旁瓣不应波动