直讀式井下壓力計(jì)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)研究

葉雪軍 ，張 洪

（1.湖北經(jīng)濟(jì)學(xué)院 信息管理學(xué)院，湖北 武漢430205；2.華中科技大學(xué) 控制科學(xué)與工程系，湖北 武漢430074）

為了合理開采地下油氣田資源，需要采用井下壓力計(jì)測試地層壓力變化，描述油氣田特性，這對于礦藏經(jīng)濟(jì)評價和增產(chǎn)措施選用至關(guān)重要。按傳輸方式不同，井下壓力計(jì)分為兩類：存儲式和直讀式。直讀式井下壓力計(jì)通過電纜將測試數(shù)據(jù)直接傳輸至地面；存儲式壓力計(jì)將測試數(shù)據(jù)存于內(nèi)部存儲器內(nèi)，作業(yè)時取出壓力計(jì)并回放數(shù)據(jù)。直讀式壓力計(jì)可獲得實(shí)時壓力參數(shù)且操作方便。

相比多芯電纜，單芯鎧裝測井電纜具有成本低和作業(yè)方便等優(yōu)點(diǎn)，大量應(yīng)用于井下測井儀表的數(shù)據(jù)傳輸[1]。通常，測井儀表通過單芯電纜給儀表供電，并將通信載波信號耦合到電壓信號中實(shí)現(xiàn)通信，調(diào)制解調(diào)過程常采用曼切斯特編碼[2]。更復(fù)雜的通信技術(shù)(如正交頻分復(fù)用OFDM等)研究則是為了滿足高速多通道通信的需要[3]。

在直讀式井下壓力計(jì)應(yīng)用中，數(shù)據(jù)更新速度較低（最快1 S/s），原則上只需低速單工通信，但由于壓力計(jì)安裝作業(yè)成本高，對可靠性要求較高，此外，受環(huán)境條件限制，對壓力計(jì)體積和部件溫度有限制，要求硬件設(shè)計(jì)盡量簡化。本文介紹了一種用簡單硬件實(shí)現(xiàn)的單芯電纜長距離單工數(shù)字傳輸技術(shù)。

1 兩線制儀表數(shù)字通信的簡化

工業(yè)DDZIII型儀表采用4 mA～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號進(jìn)行互聯(lián)，進(jìn)而產(chǎn)生了兩線制變送器。兩線制變送器采用兩根導(dǎo)線對儀表供電同時傳輸標(biāo)準(zhǔn)電流信號，如圖1所示。

變送器穩(wěn)壓電路為其內(nèi)部測量單元供電，只要電路自身電流消耗小于 3.5 mA，則電壓/電流（V/I）轉(zhuǎn)換電路就可以調(diào)節(jié)回路電流Io，跟隨測量值Vout變化輸出4 mA～20 mA信號?？刹捎肏ART協(xié)議實(shí)現(xiàn)兩線制電流環(huán)路數(shù)字信號傳輸[4]，但標(biāo)準(zhǔn)HART協(xié)議最大通信距離為1 500 m，經(jīng)特殊設(shè)計(jì)才可達(dá)3 000 m，無法滿足測井儀表需要。

單芯測井電纜中心為一根銅質(zhì)芯線，外層為鋼絲鎧裝，芯線與鎧裝之間是一層絕緣介質(zhì)，所以它是一種典型的雙線傳輸線，可以采用兩線制儀表構(gòu)成通信鏈路。

本應(yīng)用中，無需傳輸模擬信號，因而直接調(diào)節(jié)4 mA～20 mA信號進(jìn)行信號耦合，構(gòu)成單工數(shù)字通信電路。發(fā)生端結(jié)構(gòu)如圖2所示。

壓力測量單元為包括單片機(jī)的壓力數(shù)據(jù)采集單元，與已產(chǎn)品化的存儲式井下壓力計(jì)采集電路類似。與原電路相比，增加了兩線制芯片XTR115及信號耦合電路。XTR115具有高達(dá)125℃的工作溫度，能為壓力計(jì)提供工作電壓，并根據(jù)Iin輸入端電壓調(diào)節(jié)電流回路電路[5]。經(jīng)開關(guān)三極管T1及R1和R2的分壓電路，將壓力測量單元單片機(jī)串行端口TXD輸出的數(shù)字信號調(diào)節(jié)為Vout信號，進(jìn)而直接耦合數(shù)字信號到電流環(huán)路。

接收端電路如圖3所示。比較器CM1將通信信號電平和偏置電壓Vb比較并輸出數(shù)字電平。偏置電壓Vb可由R1和R2調(diào)節(jié)，選擇合適的偏置電壓即可恢復(fù)出數(shù)字信號，將其輸入串行通信端口RXD。

系統(tǒng)通過簡單電路即可實(shí)現(xiàn)較長距離的數(shù)據(jù)傳輸，且兩儀表間的異步串行通信透明，即通信軟件設(shè)計(jì)無需調(diào)整。井下儀表電路保證在125℃下正常工作。

電路傳輸速率和可靠性受兩線制V/I變換電路速度和電纜頻率特性限制。

在電路方面，負(fù)載阻抗250 Ω和30 kHz頻率下，XTR115電流增益幾乎不受影響，通信電路適合較低速率的數(shù)據(jù)傳輸。

在電纜特性方面，由于分布電容的影響，長距離(3 000 m以上)通信時，RS232信號格式受到挑戰(zhàn)。RS232本是為短距離通信所設(shè)計(jì)，其編碼為非歸零數(shù)字編碼（NRZ：Non Return to Zero），傳輸時具有直流偏移，難以適應(yīng)長距離數(shù)據(jù)傳輸中的信號衰減和干擾，因而系統(tǒng)尚需考慮更可靠的歸零數(shù)字編解碼方法。

2 曼切斯特碼及實(shí)現(xiàn)

2.1 曼切斯特碼

曼切斯特碼對所需傳輸?shù)腘RZ碼進(jìn)行編碼，數(shù)據(jù)“1”編碼為“10”，“0”編碼為“01”，用相位信息來表示NRZ數(shù)據(jù)。在數(shù)字電平上，對全幀數(shù)據(jù)來說直流分量是確定的，即曼切斯特碼屬于歸零碼。此外，曼切斯特碼信號中包含時鐘信息并具有一定的檢錯能力，因此廣泛應(yīng)用于無線數(shù)據(jù)通信和長距離有線傳輸系統(tǒng)中。特別是在測井系統(tǒng)中，傳輸井下壓力、溫度和流量等信號時常用到曼切斯特編碼[6]。

曼切斯特編解碼方法可分為硬件和軟件兩類。早期測井?dāng)?shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)采用專用編碼芯片HD-15530，成本較高且靈活性較差[7]。另外也有通過可編程器件實(shí)現(xiàn)的編解碼器。另一類實(shí)現(xiàn)方法利用單片機(jī)數(shù)字端口用軟件控制方式串行輸出曼切斯特編碼數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)較低速率工作的通信接口[8]，需要軟件精確控制串行傳輸而顯得復(fù)雜。上述方法均不適合本系統(tǒng)硬件平臺，ADRIAN M在參考文獻(xiàn)[9]中介紹了一種在標(biāo)準(zhǔn)RS232串行端口上實(shí)現(xiàn)的曼切斯特編解碼方法，本文對其進(jìn)行適當(dāng)修改以適用于井上和井下系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)透明傳輸。

2.2 曼切斯特碼在通用串行鏈路上的實(shí)現(xiàn)

以RS232為例，一個典型的通用異步串行數(shù)據(jù)格式為：1個起始位，8個數(shù)據(jù)位，1個停止位，無奇偶校驗(yàn)位。其串行波形如圖4所示。

其中，起始位為低電平，停止位為高電平，如果將所傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)轉(zhuǎn)換，使其滿足曼切斯特碼歸零特性，則包括起始位和停止位在內(nèi)的整個數(shù)據(jù)幀也是歸零的。按曼切斯特編碼方式用RS232數(shù)據(jù)中的2 bit表示1 bit NRZ有效數(shù)據(jù)，則1 B RS232數(shù)據(jù)可傳輸4 bit NRZ有效數(shù)據(jù)，1 B NRZ碼可由2 B RS232數(shù)據(jù)按曼切斯特編碼傳輸。以二進(jìn)制NRZ數(shù)據(jù)“01000011”傳輸為例，2 B RS232串行波形如圖5所示。注意數(shù)據(jù)位順序是最低位（LSB）在前。

基于此方案，曼切斯特編碼和解碼都較簡單。編碼時，對需傳輸?shù)腘RZ碼逐位進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換以后直接輸出到RS232串行端口。由于傳輸時LSB在前，因此在轉(zhuǎn)換時，應(yīng)將“1”轉(zhuǎn)換為“01”，而將“0”轉(zhuǎn)換為“10”，與波形順序（如圖5所示）有區(qū)別。在接收端進(jìn)行曼切斯特解碼與編碼過程相反，由RS232串行口收到的2 B數(shù)據(jù)中獲得 1 B NRZ數(shù)據(jù)。當(dāng)兩位數(shù)據(jù)為“00”或“11”時，發(fā)生傳輸錯誤，可由此進(jìn)行數(shù)據(jù)檢錯。

嚴(yán)格講，上述方法只能稱為類曼切斯特碼，因?yàn)椴]有對起始位和停止位進(jìn)行編碼，解決辦法是定義數(shù)據(jù)位D0=1和D7=0，這樣就把起始位和停止位均編碼為“01”，完全符合編碼要求，但有效數(shù)據(jù)位變?yōu)?位，承載的信息量變少了。

3 接收電路的改進(jìn)

在改為曼切斯特編碼傳輸后，為提高抗干擾能力，對接收端電路進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)，如圖6所示。

曼切斯特碼信號的直流信號是恒定的。阻容濾波電路R1和C1獲得信號直流電平，將其作為比較器 CM1的偏置電壓。通過與偏置電平比較，比較器輸出端得到整形后的串行數(shù)字信號。R2和R3構(gòu)成的反饋電路使得比較器具有滯回特性，用以消除信號中的尖峰干擾。

4 井下單元軟件設(shè)計(jì)

井下壓力計(jì)數(shù)據(jù)傳輸中，每次需傳送1組壓力和溫度數(shù)據(jù)，共4 B信息，曼切斯特編碼后為8 B數(shù)據(jù)，將其構(gòu)成一個數(shù)據(jù)幀。由于是單工通信，需在數(shù)據(jù)幀中提供起始標(biāo)志。以具有歸零特性的二進(jìn)制“11110000”作為起始標(biāo)志，則可與數(shù)據(jù)區(qū)分開。因此實(shí)際一幀數(shù)據(jù)長度為9 B。井下壓力計(jì)程序基本流程如圖7所示。

圖7 井下壓力計(jì)程序流程

為保證數(shù)據(jù)間滿足曼切斯特編碼要求，字節(jié)信號間應(yīng)盡量減少時間間隔，因而發(fā)送數(shù)據(jù)時不應(yīng)有中斷和其他任務(wù)使傳輸中斷。

接收端在收到數(shù)據(jù)時，逐字節(jié)查詢起始標(biāo)志，收到起始標(biāo)志后，再順次接收余下的8 B數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換為4 B NRZ有效數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)在3 000 m深度油井中長時間（約26 h）測試的初步結(jié)果表明，系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信可靠，沒有出現(xiàn)通信中斷或數(shù)據(jù)錯誤，滿足直讀式井下壓力計(jì)數(shù)據(jù)傳輸要求。

本文介紹的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)可應(yīng)用于通信速率較低的單工通信應(yīng)用場合，具有軟硬件設(shè)計(jì)簡單的優(yōu)點(diǎn)。其曼切斯特碼編碼實(shí)現(xiàn)方法同樣適用于其他長距離有線傳輸和無線傳輸。

本系統(tǒng)中，當(dāng)下位機(jī)通信停止時，回路電流維持不變，如果此時將電壓調(diào)制信號耦合到供電電源上，井下壓力亦可將調(diào)制信號解調(diào)出來，因此也可擴(kuò)展為半雙工通信模式，甚至構(gòu)成多機(jī)通信系統(tǒng)，用于采集多油層數(shù)據(jù)。

[1]劉國權(quán)，田洪亮，王易安，等.一種單芯電纜高速數(shù)據(jù)傳輸方案[J].西安石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008，23(5)：94-96.

[2]高志海，胡永鋒，胡年友，等.石英壓力計(jì)在曼碼傳輸中的問題探討[J].內(nèi)江科技，2004，25(3)：72-72.

[3]董惠娟，李瑞敏，張廣玉.基于OFDM的單芯電纜調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真[J].測井技術(shù)，2009，32(6)：589-593.

[4]林德秋.HART協(xié)議物理層設(shè)備的測試(上)[J].電子質(zhì)量，2002(12)：12-15.

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[6]趙延輝，韋克平.碳氧比測井儀單芯傳輸設(shè)計(jì)[J].測井技術(shù)，2007，31(3)：90-92.

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[8]王建國，孫敬華，曹丙霞.基于AVR單片機(jī)的曼徹斯特編解碼及其應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)工程，2006，32(20)：258-260.

[9]ADRIAN M.Manchester encoding using RS-232[EB/OL].(2009-06)[2011-10-10].http：//www.summitelectronics.co.uk/pages/articles/.