井下無(wú)線(xiàn)短傳中脈寬調(diào)制信號(hào)的應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)＊

陳 靜 羅春暉 李 蓓

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二二研究所 武漢 430079）

1 引言

在隨鉆測(cè)量和隨鉆測(cè)井技術(shù)中，靠近鉆頭的位置安裝了很多傳感器，以及時(shí)獲取準(zhǔn)確的地層信息。傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)的傳輸需要采用無(wú)線(xiàn)電磁波傳輸技術(shù)，傳輸距離一般在數(shù)十米的范圍內(nèi)。這種井下短距離的無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)采用在靠近鉆頭的位置安裝發(fā)射線(xiàn)圈且在鉆鋌上部安裝接收線(xiàn)圈的方法，從而構(gòu)成電流場(chǎng)型的無(wú)線(xiàn)短傳通道，以傳輸測(cè)量數(shù)據(jù)。

由于隨鉆測(cè)量系統(tǒng)普遍采用電池供電，隨著鉆井工程向大深度發(fā)展，對(duì)電路的功耗提出了更高的要求，因此盡可能地減小功耗是井下短距離傳輸設(shè)計(jì)時(shí)必須重點(diǎn)考慮的一個(gè)環(huán)節(jié)。在設(shè)計(jì)井下無(wú)線(xiàn)短傳的發(fā)射電路時(shí)，需要在保障發(fā)射功率的同時(shí)，確保較低的電源功耗。采用脈寬時(shí)間調(diào)制信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)，可以有效地降低發(fā)射功耗。

2 發(fā)射模塊設(shè)計(jì)

2.1 發(fā)射模塊原理

對(duì)于典型系統(tǒng)而言，其功耗大致滿(mǎn)足：P＝C×V2×f。其中C是電容負(fù)載，V是電源電壓，f是開(kāi)關(guān)頻率?？梢钥闯龉ぷ麟妷簩?duì)系統(tǒng)功耗的影響最大，其次是工作頻率，而電容負(fù)載對(duì)設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)是不可控的。因此，發(fā)射電路的低功耗設(shè)計(jì)需要選擇適當(dāng)?shù)墓ぷ麟妷汉皖l率。這里電源電壓采用5V，而對(duì)于工作頻率，文獻(xiàn)［7］指出，井下短距離無(wú)線(xiàn)傳輸信號(hào)的最佳中心頻率在11kHz附近，本文采用10kHz。

無(wú)線(xiàn)短傳的發(fā)射電路由單片機(jī)、激勵(lì)電路、H橋型功放電路、電子開(kāi)關(guān)及發(fā)射線(xiàn)圈等組成。測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)串口輸入到單片機(jī)（MCU）中，單片機(jī)首先對(duì)原始二進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC編碼并打包成幀，再進(jìn)行脈寬調(diào)制后輸出。同時(shí)輸出兩路正反相的10kHz方波信號(hào)，這兩路信號(hào)與脈寬調(diào)制信號(hào)相與之后用于驅(qū)動(dòng)激勵(lì)電路，最后由H橋型功放電路將信號(hào)通過(guò)發(fā)射線(xiàn)圈發(fā)射出去。H橋型功放電路采用差動(dòng)平衡式輸出，可以濾除共模噪聲，并實(shí)現(xiàn)較大的輸出功率。

圖1 發(fā)射電路原理框圖

激勵(lì)信號(hào)經(jīng)Q1、Q2放大、隔離后分別控制4只晶體管。當(dāng)同相放大器輸出高電平信號(hào)時(shí)，晶體管Q4、Q5導(dǎo)通，電流由T1到T2流過(guò)發(fā)射線(xiàn)圈；當(dāng)反相放大器輸出高電平信號(hào)時(shí)，晶體管Q3、Q6導(dǎo)通，電流由T2到T1流過(guò)發(fā)射線(xiàn)圈。發(fā)射線(xiàn)圈輸出的峰值電壓可以達(dá)到功放電源電壓的兩倍。

圖2 H橋型功放電路

這里需要注意死區(qū)時(shí)間，即兩路方波信號(hào)跳變沿之間應(yīng)該存在一定的延時(shí)（如圖3所示）。否則H橋功放電路可能會(huì)同時(shí)導(dǎo)通，導(dǎo)致直通大電流的產(chǎn)生，從而產(chǎn)生不必要的功耗或燒毀器件。

假設(shè)功放電路的供電電壓5V，發(fā)射天線(xiàn)阻抗為50Ω，則功放電路的輸出功率為0.5W。而如果將脈沖寬度調(diào)制信號(hào)的占空比降低一半，即相對(duì)縮短功放電路的導(dǎo)通時(shí)間，則功放電路的發(fā)射功耗將減少一倍。

圖3 激勵(lì)信號(hào)跳變沿延時(shí)

2.2 發(fā)射模塊驅(qū)動(dòng)信號(hào)

發(fā)射模塊的驅(qū)動(dòng)采用脈寬時(shí)間調(diào)制信號(hào)。脈寬調(diào)制信號(hào)（PWM）是幅度恒定、占空比變化的一系列電壓脈沖開(kāi)關(guān)信號(hào)。這種開(kāi)關(guān)信號(hào)只在開(kāi)關(guān)開(kāi)啟時(shí)才進(jìn)行能量交換，關(guān)閉時(shí)幾乎不向直流電源索取電流，故其輸出要么接近電源電壓，要么接近于零，從而大大降低了功耗，提高了效率。這里采用的脈寬時(shí)間調(diào)制信號(hào)，用不同的脈寬時(shí)間周期來(lái)表示傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，在一個(gè)脈寬時(shí)間周期中，高電平的時(shí)間長(zhǎng)度小于低電平的時(shí)間長(zhǎng)度，相對(duì)于采用高電平脈沖寬度（周期固定）來(lái)表示數(shù)據(jù)的脈寬調(diào)制方式，這種調(diào)制信號(hào)能夠在很大程度上降低功放電路的發(fā)射功耗。

原始數(shù)據(jù)在經(jīng)過(guò)編碼并打包成幀之后，單片機(jī)將該幀數(shù)據(jù)以4bit為一個(gè)周期轉(zhuǎn)換為脈寬時(shí)間調(diào)制信號(hào)（如圖4所示）。該信號(hào)分別與正相和反相載波相與之后傳輸給H橋型功率放大電路，然后經(jīng)H橋型功率放大電路放大后由發(fā)射線(xiàn)圈發(fā)射出去。每個(gè)時(shí)間寬度ti中包含4bit數(shù)據(jù)信息，約定t＝100ms，則100ms≤ti－t≤1600ms，數(shù)據(jù)傳輸最小速率為2.5bit／s。只要接收模塊能夠識(shí)別且符合數(shù)據(jù)傳輸速率要求，可隨意調(diào)整脈寬時(shí)間調(diào)制信號(hào)高低電平的脈寬時(shí)間。

圖4 每幀轉(zhuǎn)換后的脈寬時(shí)間調(diào)制信號(hào)

脈寬時(shí)間調(diào)制信號(hào)采用單片機(jī)的定時(shí)器模塊產(chǎn)生，對(duì)時(shí)鐘的準(zhǔn)確度有一定要求，因此采用準(zhǔn)確度較高的外部時(shí)鐘源。根據(jù)上面的系統(tǒng)功耗公式，時(shí)鐘頻率對(duì)功耗也有影響。為確保單片機(jī)的低功耗，采用的時(shí)鐘頻率不應(yīng)過(guò)高，同時(shí)還要考慮不對(duì)發(fā)射模塊工作頻率造成干擾，這里采用4MHz時(shí)鐘頻率。另外單片機(jī)供電電壓采用3.3V，將5V供電電壓降低為3.3V時(shí)單片機(jī)功耗將減少約60%。

3 脈寬時(shí)間調(diào)制信號(hào)的產(chǎn)生與應(yīng)用

3.1 脈寬時(shí)間調(diào)制技術(shù)

盡管脈寬調(diào)制控制技術(shù)中，PWM的波形根據(jù)應(yīng)用背景的不同，一般可以分為兩類(lèi)：一類(lèi)是占空比不同的等脈沖PWM波形，另一類(lèi)是模擬某種特別波形的信號(hào)，例如模擬正弦波的SPWM波形。而等脈沖PWM又分為單極性和雙極性?xún)煞N波形［5］。

本文采用等幅脈沖單極性PWM，單極性PWM具有高頻噪聲低，電磁干擾小，4Ω以上阻抗幅頻特性平直，10～20kHz輸出電壓抬升小等特點(diǎn)，所反映出的負(fù)載變化敏感性小，特別適合負(fù)載變化較大的應(yīng)用場(chǎng)合。而在較低的負(fù)載阻抗時(shí)，采用雙極性PWM可以得到更大范圍的頻率響應(yīng)［6］。由于井下發(fā)射電路的負(fù)載隨著地層電阻的不同而發(fā)生變化，因此適合采用單極性的PWM信號(hào)。

采用固定高電平時(shí)間長(zhǎng)度而改變占空比的PWM信號(hào)，也就是相對(duì)縮短高電平時(shí)間長(zhǎng)度的PWM波形，能夠極大地降低H橋型功放電路的發(fā)射功耗。為詳細(xì)說(shuō)明，假設(shè)功放電路供電電壓為5V，功放負(fù)載為50Ω，在一個(gè)400ms的時(shí)間周期中，分別采用兩種PWM波形：一種PWM波形高電平為100ms，而低電平為300ms；另一種PWM波形的高電平為300ms、低電平為100ms。則在這個(gè)時(shí)間周期中，采用前一種PWM波形的功放電路所消耗的能量是采用后一種PWM波形所消耗能量的3倍。

3.2 脈寬時(shí)間調(diào)制信號(hào)程序設(shè)計(jì)

脈寬時(shí)間調(diào)制信號(hào)的生成是脈寬調(diào)制技術(shù)的關(guān)鍵，傳統(tǒng)的PWM信號(hào)采用硬件電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是采用軟件方法則更加靈活和實(shí)用。本文采用飛思卡爾單片機(jī) MC9S08AC16的定時(shí)器／PWM模塊來(lái)產(chǎn)生脈沖寬度時(shí)間調(diào)制信號(hào)。MC9S08AC16系列包含三個(gè)獨(dú)立定時(shí)器／PWM模塊，模塊給核心計(jì)數(shù)器提供一個(gè)溢出中斷（TOF），并給每個(gè)通道提供一個(gè)通道事件中斷（CHnF）。

本文采用的PWM信號(hào)高電平脈寬固定為100ms，脈寬時(shí)間周期取決于所表示的數(shù)據(jù)。由于一個(gè)時(shí)間周期表示4bit的數(shù)據(jù)，因此需要16種不同的時(shí)間周期才能完整表示所有的4bit數(shù)據(jù)。采用200ms的時(shí)間周期表示二進(jìn)制數(shù)據(jù)0000，而數(shù)據(jù)1111則由1700ms的時(shí)間周期來(lái)表示。

脈寬調(diào)制信號(hào)的軟件實(shí)現(xiàn)：首先輸出管腳初始化狀態(tài)為低電平，將TPM2和TPM3初始設(shè)置為定時(shí)100ms。當(dāng)TPM2計(jì)數(shù)溢出時(shí)，輸出管腳跳變?yōu)楦唠娖?，關(guān)閉TPM2定時(shí)，同時(shí)啟動(dòng)TPM3定時(shí)。當(dāng)TPM3計(jì)數(shù)溢出時(shí)，對(duì)TPM3的溢出次數(shù)計(jì)數(shù)，輸出管腳跳變?yōu)榈碗娖剑缓笈袛嘁绯龃螖?shù)的計(jì)數(shù)值是否與待發(fā)送的數(shù)據(jù)值相等，如果相等，則關(guān)閉TPM3定時(shí)，同時(shí)啟動(dòng)TPM2定時(shí)。否則，繼續(xù)TPM3定時(shí)。圖5是該程序的流程圖。

圖5 軟件流程圖

4 井下數(shù)據(jù)傳輸實(shí)驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)室中，將發(fā)射模塊與接收模塊距離20m放置，發(fā)射天線(xiàn)和接收天線(xiàn)在同一水平線(xiàn)上水平放置。發(fā)射模塊重復(fù)發(fā)射原始數(shù)據(jù)0123、4567、789a、bcde、ffff、0044共計(jì)100次，接收端都能準(zhǔn)確接收到數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，將兩個(gè)天線(xiàn)保持一定的夾角放置，對(duì)信號(hào)的影響不大。

圖6 實(shí)驗(yàn)框圖

為驗(yàn)證無(wú)線(xiàn)短傳模塊在井下泥漿環(huán)境的數(shù)據(jù)傳輸情況，特別在水中進(jìn)行了數(shù)據(jù)傳輸實(shí)驗(yàn)。特別選擇了雜質(zhì)較多、水質(zhì)較渾濁的一處湖水進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將發(fā)射天線(xiàn)和接收天線(xiàn)置于水面之下20cm放置，發(fā)射天線(xiàn)和接收天線(xiàn)通過(guò)較長(zhǎng)的信號(hào)線(xiàn)分別連接發(fā)射模塊和接收模塊。重復(fù)發(fā)射上述數(shù)據(jù)供100次，僅有一次未接收到數(shù)據(jù)，其余均接收無(wú)誤。

實(shí)驗(yàn)表明，無(wú)線(xiàn)短傳模塊在空氣和水中能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，介質(zhì)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊懛浅Ｐ　Ｓ捎谠O(shè)計(jì)的傳輸距離為20m，因此該無(wú)線(xiàn)短傳模塊符合數(shù)據(jù)傳輸距離的要求，而且具有較低的功耗。

5 結(jié)語(yǔ)

本文從低功耗設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，采用脈寬時(shí)間調(diào)制信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)井下短距離無(wú)線(xiàn)傳輸模塊功放電路，能夠在供電量有限的條件下，功放電路的發(fā)射功耗不超過(guò)1W，從而確保井下持續(xù)200小時(shí)左右正常地發(fā)射信號(hào)。相對(duì)于通過(guò)改變高電平時(shí)間長(zhǎng)度的PWM信號(hào)，這里采用的固定高電平時(shí)間長(zhǎng)度而改變低電平時(shí)間長(zhǎng)度的PWM信號(hào)能夠更好地降低功放電路的發(fā)射功耗。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，無(wú)線(xiàn)短傳模塊能夠?qū)崿F(xiàn)了井下20m無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸。

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