井下無線短傳系統(tǒng)的研究

周 靜 張偉強 付 浩

(西安石油大學(xué)井下測控研究所 陜西西安)

井下無線短傳系統(tǒng)的研究

周 靜 張偉強 付 浩

(西安石油大學(xué)井下測控研究所 陜西西安)

文章主要介紹了通過使用兩塊C8051F060單片機構(gòu)成的電路板和無線收發(fā)電路組成的井下無線短傳系統(tǒng)的設(shè)計思路。系統(tǒng)對傳感器輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,并將采集結(jié)果顯示在用戶交互界面上,進(jìn)行井下采集的實時顯示。

井下無線短傳;實時采集;單片機

0 引 言

XTCS井眼軌跡自動控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部分中包括鉆井地質(zhì)及工程參數(shù)檢測器、雙向通道。在井眼軌跡遙控系統(tǒng)中,造斜時主軸帶動鉆頭旋轉(zhuǎn)破巖,不旋轉(zhuǎn)套是通過上下兩端軸承安裝在主軸上,其上的翼肋在液壓系統(tǒng)的控制下以一定壓力推靠到井壁上,使得不旋轉(zhuǎn)套相對井壁不旋轉(zhuǎn),而傳遞井底測量及操作信息的MWD的電器接口在鉆艇內(nèi),需要有無線雙向通道完成液壓控制系統(tǒng)與MWD之間的信息交換。

在閉環(huán)鉆井系統(tǒng)中,要求實時地把井下的信息傳遞到地面,以實施人工監(jiān)控。通常情況下該任務(wù)由MWD中泥漿壓力脈沖發(fā)生器來完成。當(dāng)使用井下動力鉆具組合時,近鉆頭傳感器和MWD被動力鉆具隔開。傳感器無法用線纜與MWD連接,因此要把傳感器的信息傳送給MWD只能通過無線通信的方法。由此可見,井下無線短傳不僅可用于XTCS系統(tǒng),而且對于閉環(huán)鉆井也有著十分重要的意義[1]。本文選用電磁波傳輸方式來實現(xiàn)近鉆頭數(shù)據(jù)的傳輸[2]。

1 可控偏心器短傳系統(tǒng)

該無線短傳系統(tǒng)的傳輸環(huán)境是較為復(fù)雜的 ,在理論上很難建模仿真研究。解決信號傳輸問題只能通過試驗來實現(xiàn)。本文中的試驗都是在可控偏心器中完成的,可控偏心器機械結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 可控偏心器機械結(jié)構(gòu)圖

主軸通過軸承的耦合穿過不旋轉(zhuǎn)套,在不旋轉(zhuǎn)套上有電子腔、控制偏心位移矢量的定位總成和翼肋。主軸的一端接鉆頭,另外一端接穩(wěn)定器。在穩(wěn)定器中還有與MWD連接的電源短節(jié)。近鉆頭的傳感器和下位機電路板以及發(fā)射電路板安裝在不旋轉(zhuǎn)套內(nèi)的電子腔中,中控電路板和接收電路板安裝在穩(wěn)定器的電源短節(jié)中。

2 井下無線短傳系統(tǒng)原理

井下無線短傳系統(tǒng)的工作原理是將近鉆頭傳感器送來的數(shù)據(jù)送入下位機主控板,由主控板的單片機進(jìn)行采集后將采集后的數(shù)據(jù)送入無線發(fā)射板。無線發(fā)射板采用FSK調(diào)制方式,將單片機送入的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制,編碼,放大后由天線發(fā)射出。此時位于傳輸信道另一端的接收電路板將傳輸過來的信號進(jìn)行解碼,解調(diào)后送入MWD中控。再經(jīng)MWD將信號傳送至地面。無線短傳系統(tǒng)的原理框圖如圖2所示。

3 無線短傳系統(tǒng)設(shè)計要求

3.1 無線發(fā)射接收電路

本無線收發(fā)電路主要由C8051F060單片機和無線射頻芯片nRF905組成。系統(tǒng)組成框圖如圖3所示。

nRF905芯片是挪威Nordic公司推出的單片射頻收發(fā)器。芯片工作電壓DC1.9V～3.6V,32引腳QFN封裝,內(nèi)置硬件CRC檢錯和點對多點通信地址控制,工作在433/868/915MHz3個SM頻段,頻段之間收發(fā)模式切換時間<650μs。

圖2 無線短傳系統(tǒng)原理框圖

圖3 無線收發(fā)電路系統(tǒng)組成框圖

C8051F060是Silabs公司的一款精確混合信號單片機,片內(nèi)有8通道16bit的 S-D型ADC,128倍PGA,電流型DAC,VREF等模擬外設(shè),可以方便地和溫度壓力等傳感器直接連接。使用電流型DAC對傳感器進(jìn)行激勵,傳感器的輸出信號經(jīng)片內(nèi)128倍PGA放大后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,無需額外的信號調(diào)理電路。片內(nèi)8KFLASH,可在線編程和改寫,傳感器的標(biāo)定參數(shù)可以在FLASH中存儲,節(jié)省片外存儲器。

3.2 無線發(fā)射電路天線的選擇

本系統(tǒng)的無線發(fā)射接收電路主要利用nRF905與外圍器件構(gòu)成的電路組成,其主要部分是天線,簡而言之,就是一個特定形狀的導(dǎo)體,它可以將電流轉(zhuǎn)化為射頻能量并以電波形式發(fā)射出去,或?qū)o線電波接收進(jìn)來。任何一個無線系統(tǒng)都有天線,天線設(shè)計的好壞直接影響無線系統(tǒng)。

考慮到發(fā)射和接收裝置安裝在電子腔和電源短節(jié)中,因而如果選擇市面上購買nRF905時所帶的PCB天線,在四周由金屬封閉的環(huán)境下,將會極大的影響通訊的質(zhì)量甚至?xí)﹄姶挪ㄐ盘柈a(chǎn)生屏蔽的效果。因而我們在nRF905的信號輸出端引出饋線,該饋線選擇的同軸電纜傳輸線。同軸電纜的兩根導(dǎo)線分別為芯線和屏蔽銅網(wǎng),因銅網(wǎng)接地,兩根導(dǎo)體對地不對稱,因此叫做不對稱式或不平衡式傳輸線[3]。同軸電纜工作頻率范圍寬,損耗小,對靜電耦合有一定的屏蔽作用。饋線的另一頭分別接發(fā)射和接收線圈。發(fā)射線圈裝在電子腔不旋轉(zhuǎn)套的上部,接收線圈則安裝在鉆鋌上部。

4 軟件設(shè)計

4.1 通信協(xié)議

本無線短傳系統(tǒng)采取以其中一個單片機作為主機,另外一個單片機作為從機,通過串行通信模擬實際MWD中的數(shù)據(jù)傳輸。主機首先發(fā)送地址幀命令為88H,然后再以數(shù)據(jù)幀發(fā)送本幀長度字節(jié)04H、擴(kuò)展命令01H/0AH以及該幀的累加和校驗碼8DH/96H這3個數(shù),如圖4所示。

圖4 主機向從機發(fā)送的命令圖

當(dāng)從機收到這4個字節(jié)命令后,馬上向主機返回相應(yīng)的數(shù)據(jù),如圖5、圖6所示。

圖5 從機向主機返回數(shù)據(jù)1

圖6 從機向主機返回全套數(shù)據(jù)2

當(dāng)從機收到主機發(fā)送的數(shù)據(jù)后,對擴(kuò)展命令進(jìn)行判斷,若第3個數(shù)據(jù)為01H則返回圖5所示的數(shù)據(jù),若第3個數(shù)據(jù)為0AH則返回圖6所示的數(shù)據(jù)。累加和為前面所有字節(jié)累加起來的結(jié)果。應(yīng)當(dāng)注意的是88H這個幀頭字節(jié)為地址幀,而后面3個字節(jié)均為數(shù)據(jù)幀。

4.2 上下位機的通信

上下位機兩個單片機之間的通信屬于多機通信,本次通信使用的是UART0中的方式3可變波特率通信方式。方式3操作使用11位:一個起始位、8個數(shù)據(jù)位(LSB在先)、一個可編程的第九位和一個停止位。通過使用第九數(shù)據(jù)位和內(nèi)置UART0地址識別硬件支持一個主處理器與一個或多個從處理器之間的多機通信。當(dāng)主機想要向一個或從機發(fā)送數(shù)據(jù)時,它先發(fā)送一個用于選擇目標(biāo)從機的地址字節(jié)[4、5]。地址字節(jié)與數(shù)據(jù)字節(jié)的區(qū)別是:地址字節(jié)的第九位為邏輯1;數(shù)據(jù)字節(jié)的第九位總是設(shè)置為邏輯0。圖7為上位機程序流程圖。

當(dāng)主機向從機發(fā)送數(shù)據(jù)時,發(fā)送的88H為地址幀,所以需要對第九位置1,即 TB80=1;而當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)幀04H、01H、8DH時,對第九位置0,即 TB80=0。

當(dāng)從機接到地址幀為88H時,產(chǎn)生串行中斷,進(jìn)入串行中斷子程序,關(guān)閉多機通信使能位(SM20=0)和第九位發(fā)送位(TB80=0)并且關(guān)閉串行中斷的使能位(ES0=0),然后接收主機繼續(xù)發(fā)送過來的3個字節(jié)的數(shù)據(jù)幀,再根據(jù)判斷返回圖2或者圖3中所對于的數(shù)據(jù)。從機發(fā)送了數(shù)據(jù),主機也應(yīng)該同時接收到這些數(shù)據(jù),由于從機返回的第一位數(shù)據(jù)為地址幀,而后為數(shù)據(jù)幀,所以主機在接收時也應(yīng)該先以地址接收一個數(shù)據(jù),再接收剩余的13/23個數(shù)據(jù)。

圖7 上位機程序流程圖

4.3 用戶界面的設(shè)計

用戶交互界面主要作用是模擬井上地面軟件,用來實時顯示近鉆頭傳感器輸出,將相應(yīng)的量化臺階數(shù)或者模擬電壓值較為直觀的表現(xiàn)出。本軟件采用VB6.0進(jìn)行界面設(shè)計。通過串口0問主機要數(shù),主機對用戶界面發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行判別后,再將相關(guān)命令通過串口1發(fā)送至從機,同時從機將采集后的結(jié)果返回給主機,并通過主機的串口0將對應(yīng)數(shù)據(jù)在用戶界面上顯示出。如圖8所示。

圖8 鉆井參數(shù)無線數(shù)據(jù)檢測軟件界面

圖8 中參數(shù)1至參數(shù)15分別是圖5和圖6中對應(yīng)的實際測井參數(shù)的模擬電壓值,其中包括壓力,溫度,濕度,Gx,Gy,Gz以及翼肋位移等等,這些值將會傳輸給MWD中的定向測量短節(jié)。

5 結(jié) 論

通過使用兩塊C8051F060單片機構(gòu)成的電路板和無線收發(fā)電路模擬井下無線短傳系統(tǒng)的設(shè)計思路,為隨鉆測量鉆井參數(shù)的短距離數(shù)據(jù)傳輸提供了一種設(shè)計思想,該井下無線短傳系統(tǒng)已在旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向智能鉆井XTCS系統(tǒng)中得以應(yīng)用。

[1] 李 林.隨鉆測量數(shù)據(jù)的井下短距離無線傳輸技術(shù)研究[J].石油鉆探技術(shù),2007,35(1)

[2] 劉修善.電磁隨鉆測量技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].石油鉆探技術(shù),2006,34(5)

[3] 周 靜,王慧梅,南 洋.井下聲波短傳系統(tǒng)中的解碼方法[J].石油儀器,2008,22(6)

[4] 莢 慶,王代華,張志杰.基于nRF905的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)[J].國外電子元器件,2008,(1)

[5] 何 成.無線通信與網(wǎng)絡(luò)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005

P631.8+13

B

1004-9134(2010)02-0003-03

2009-09-26 編輯:高紅霞)

周 靜,女,1964年生,教授,1988年畢業(yè)于西安電子科技大學(xué)信號與處理專業(yè)。現(xiàn)為中國石油天然氣集團(tuán)公司(CNPC)重點實驗室井下測控研究室副主任,“井下控制工程環(huán)境模擬實驗室”主任。郵編:710065