基于MSP430的低功耗無線磁記號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

謝 剛 李江博 孫庚寅

(中國石油集團(tuán)測井有限公司長慶事業(yè)部 陜西 西安 710201)

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·開發(fā)設(shè)計(jì)·

基于MSP430的低功耗無線磁記號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

謝 剛 李江博 孫庚寅

(中國石油集團(tuán)測井有限公司長慶事業(yè)部 陜西 西安 710201)

傳統(tǒng)磁記號(hào)深度系統(tǒng)存在精度低、故障高等問題。設(shè)計(jì)了一種基于MSP430的低功耗無線磁記號(hào)系統(tǒng)，通過軟硬件的信號(hào)處理，實(shí)現(xiàn)測井深度的高精度無線測量。實(shí)際應(yīng)用及對(duì)比分析表明，該系統(tǒng)可以有效減少現(xiàn)場故障，極大提高精度、測井時(shí)效和深度測量設(shè)備的可靠性。

磁記號(hào)；低功耗； 深度測量；無線測量

0 引 言

磁記號(hào)是油氣井測井中非常重要的信號(hào)之一[1]，它是標(biāo)定在測井電纜鋼絲鎧裝層上的、用于標(biāo)注測井深度的磁性記號(hào)，是測井解釋中把測井深度轉(zhuǎn)化為實(shí)際深度的重要依據(jù)。通常使用馬丁代克或者井口馬達(dá)作為深度的測井設(shè)備，都會(huì)存在測量誤差，無法達(dá)到規(guī)定允許的深度誤差指標(biāo)，磁記號(hào)作為深度標(biāo)準(zhǔn)可以很好地滿足測井要求[2]。以往的井口信號(hào)測量采用有線測量方式，然而由于井口到絞車面板或者測井儀器的距離遠(yuǎn)而導(dǎo)致干擾大、測量精度低且聯(lián)線繁瑣，并且由于井場過往的機(jī)械較多，會(huì)經(jīng)常發(fā)生測量線纜發(fā)生斷線故障，對(duì)實(shí)現(xiàn)安全可靠的深度測量造成了一定的影響[3]。本文設(shè)計(jì)了一種基于MSP430的低功耗無線磁記號(hào)系統(tǒng)，將采集系統(tǒng)安裝在井口直接對(duì)信號(hào)進(jìn)行測量，采集結(jié)果通過無線數(shù)傳模塊發(fā)射至接收模塊，信號(hào)處理后送至絞車面板或者其它測井儀器，可以有效減少斷線故障，簡化測量設(shè)備的安裝，極大提高了深度測量的安全可靠性。

1 原理簡述

無線磁記號(hào)是用于油氣井測井時(shí)檢測電纜上固有的磁信號(hào)，并以無線的方式傳輸回連接接收模塊的絞車面板或者測井儀器的一種設(shè)備。無線磁記號(hào)由發(fā)射和接收兩部分組成，采集發(fā)射部分安裝在井口，將檢測到的電纜上的深度磁記號(hào)信號(hào)以無線調(diào)頻數(shù)字方式發(fā)射。接收部分接收到井口發(fā)來的信號(hào)，經(jīng)過解調(diào)處理接收到的磁記號(hào)信號(hào)，最后輸出至與其連接的絞車面板或者測井儀器。

圖1為發(fā)射和接收兩部分之間通信的數(shù)據(jù)格式，其中每幀數(shù)據(jù)包含以上 5 道數(shù)據(jù)，每道數(shù)據(jù)有11位，其中1位起始位、1位結(jié)束位、8位數(shù)據(jù)位及1位校驗(yàn)位，因此每幀數(shù)據(jù)總共55位。為了保證傳輸?shù)目煽啃裕繋瑪?shù)據(jù)發(fā)送兩次，則每幀數(shù)據(jù)需要發(fā)送110位。本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用9 600 bps的傳輸速率。

圖1 數(shù)據(jù)格式

本系統(tǒng)采用MSP430F147處理器通過3線式SPI兼容接口數(shù)據(jù)傳輸模式和高速A/D芯片進(jìn)行通信。CN是芯片的選片引腳，低電平有效。當(dāng)為低電平時(shí)，可以和SPI接口進(jìn)行通信，鎖定數(shù)據(jù)；當(dāng)為高電平時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換輸出。CLK是同步時(shí)鐘信號(hào)，在同步時(shí)鐘時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的寫入。此外，由于野外測井一般需要十幾個(gè)小時(shí)，因此在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)應(yīng)該充分保證測量系統(tǒng)的工作時(shí)間，這個(gè)要求可以通過采用大容量電池和降低系統(tǒng)功耗來實(shí)現(xiàn)[4]。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

無線磁記號(hào)系統(tǒng)主要包括三部分：發(fā)射模塊、接收模塊和電源模塊。發(fā)射模塊和接收模塊均采用TI公司的MSP430作為微處理器，其具有處理能力強(qiáng)、運(yùn)算速度快及功耗超低等優(yōu)點(diǎn)；此外，發(fā)射模塊和接收模塊之間的通信采用了HAC-UM微功率無線數(shù)傳模塊來實(shí)現(xiàn)。

2.1 發(fā)射模塊

圖2為發(fā)射模塊的原理框圖。發(fā)射模塊需要采集經(jīng)過井口的磁記號(hào)信息，對(duì)其濾波及放大后通過A/D芯片將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，數(shù)據(jù)送入微處理器芯片MSP430后將其整理成圖1格式的數(shù)據(jù)包，最后通過微功率無線數(shù)傳模塊將數(shù)據(jù)包進(jìn)行無線傳輸。

圖2 發(fā)射模塊原理框圖

由于磁記號(hào)信號(hào)是正負(fù)變化的交流信號(hào)，因此該模塊采用了雙電源供電的AD620儀表放大器。該放大器具有高精度、低失調(diào)電壓、低失調(diào)漂移、低噪聲、低輸入偏置電流和低功耗特性等特性，非常滿足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。此外，由于在采集磁記號(hào)的同時(shí)還需要實(shí)時(shí)了解電池電量信息，因此在本模塊中還增添了電池電量的采集部分。該部分是通過電阻分壓方式將14 V～16.8 V的電池電壓降到0.46 V～0.55 V之間，之后通過MSP430自帶的A/D通道進(jìn)行采集。發(fā)射模塊的程序設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示。

圖3 發(fā)射模塊的程序設(shè)計(jì)流程圖

系統(tǒng)上電后，單片機(jī)進(jìn)入初始化狀態(tài)，進(jìn)行各個(gè)端口的配置，配置完成后方可進(jìn)入正常的工作狀態(tài)。本系統(tǒng)用到1路SPI通道，1路UART通道，1路片內(nèi)A/D通道，1路狀態(tài)燈。

2.2 接收模塊

當(dāng)發(fā)射模塊有磁記號(hào)信息發(fā)射時(shí)，接收模塊會(huì)通過無線數(shù)傳模塊接收該信號(hào)并對(duì)其解調(diào)，然后通過串口將其傳送至低功耗微處理器MSP430進(jìn)行處理，圖4為接收模塊的原理框圖。為了方便將該磁記號(hào)信息傳送至絞車面板或者其他測井儀器配套使用，需將該數(shù)據(jù)經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換、電平轉(zhuǎn)換及濾波等處理，并制作成專用的輸出接口。

圖4 接收模塊原理框圖

為了降低接收模塊的系統(tǒng)功耗，D/A轉(zhuǎn)換部分采用了TI公司的DAC7612雙通道串行數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片。該芯片具有兩個(gè)DAC通道，與微處理器之間采用三線串行通信，供電電源為5 V，功耗僅為3.7 mW。為了方便與后續(xù)設(shè)備連接，D/A轉(zhuǎn)換之后需要經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換及濾波，轉(zhuǎn)換后的輸出電壓范圍為±2.5 V，接收模塊的程序設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。

圖5 接收模塊的程序設(shè)計(jì)流程圖

2.3 電源模塊

電源模塊為發(fā)射模塊和接收模塊的正常工作提供了電力保障，本系統(tǒng)采用16.8 V的鋰電池作為供電電源。經(jīng)過不同的電壓轉(zhuǎn)換后，該電池需要為微處理器MSP430提供3.3 V的工作電壓，以及為DAC7612提供5V的工作電壓；此外，用于放大磁記號(hào)信號(hào)的AD620需要雙電源供電，因此還需要特定的電壓轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生±5 V的工作電壓。

為了保證測井?dāng)?shù)據(jù)的可靠性，在發(fā)射模塊中和接收模塊中均設(shè)有電池電壓的檢測功能。 電池電壓的正常范圍為14 V～16.8 V，當(dāng)?shù)陀?4 V時(shí)，電池電量不足，信號(hào)燈進(jìn)行閃爍提示，提醒用戶更換電池或者充電，一般充電時(shí)間在8 h～10 h左右；當(dāng)?shù)陀?3.5 V時(shí)，認(rèn)為此時(shí)接收的數(shù)據(jù)無效。

3 線圈探頭的設(shè)計(jì)

磁記號(hào)的線圈探頭是本設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵之一，也是難點(diǎn)之一。由于測井鎧裝電纜廠家不同，批次不同，使用的新舊程度不同，每次注磁的強(qiáng)度也不同，導(dǎo)致測井電纜上的留磁大小差別懸殊，最小的2 Gs，最強(qiáng)的可達(dá)470 Gs。想兼容這么大的范圍，并且要精確測量，給設(shè)計(jì)帶來了非常大的困難。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理：

(1)

當(dāng)線圈為n匝時(shí)，

(2)

ΦδRΔ+∑Hili=NI

(3)

式(3)中，∑Hili為磁場源與鐵芯之間的磁壓降之和，但一般工程中取1.25。

又根據(jù)螺線管外部氣隙磁導(dǎo)有：

(4)

代入并簡化得：

(5)

(6)

根據(jù)實(shí)際需要，選0.06 mm漆包線，鐵芯直徑為25 mm，磁場強(qiáng)度為2 Gs時(shí)：

EN=62

當(dāng)有效電壓為0.001 V時(shí)，匝數(shù)不得小于62 000圈，這時(shí)軸截面面積為311 mm2

根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)，線圈最大占有空間為：

剛好滿足我們的設(shè)計(jì)要求。根據(jù)實(shí)際測試，線圈匝數(shù)調(diào)整為68 000圈為宜。

根據(jù)(4)式，為了減少磁損，我們采用高導(dǎo)磁率的波莫合金作為鐵芯材料，已達(dá)到最佳設(shè)計(jì)值。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文研制的無線磁記號(hào)系統(tǒng)的實(shí)物如圖6所示，經(jīng)過全天候現(xiàn)場測試后得到該系統(tǒng)的具體技術(shù)指標(biāo)如下：

調(diào)制方式：FSK；

有效傳輸范圍≤ 300 m；

頻率范圍：429.00 MHz～433.30 MHz；

頻率穩(wěn)定度≤ 1.5PPM；

通信速率：9 600 bps；

發(fā)射功率：10 mW。

圖6 研制的無線磁記號(hào)系統(tǒng)實(shí)物圖

當(dāng)通訊速率為9 600 bps時(shí)，每秒發(fā)送次數(shù)=9 600/110≈87，當(dāng)采樣率為5點(diǎn)/s時(shí)，最大測速為：87/5×3 600= 62 640 ( m/ h)，足以滿足所有測井項(xiàng)目對(duì)磁記號(hào)的采樣率要求。此外，由于本系統(tǒng)使用了電壓為16.8 V的大容量鋰電池(2 200 mAh)作為供電電源，經(jīng)過測試后整個(gè)系統(tǒng)可以連續(xù)工作約72 h，足以滿足正常的測試應(yīng)用。

經(jīng)過現(xiàn)場以不同的速度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)比結(jié)果如6圖所示。測量出的磁記號(hào)尖峰明顯，抗干擾能力強(qiáng)，記號(hào)無遲滯，尤其在速度較慢情況下優(yōu)于常規(guī)信號(hào)測量。

圖6 有線和無線磁記號(hào)測量結(jié)果對(duì)比圖

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種基于MSP430的低功耗無線磁記號(hào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了無線方式，極大地方便了測井野外作業(yè)，并消除了有線連接方式各環(huán)節(jié)造成的故障，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了測試的可靠性，適用于石油測井施工現(xiàn)場使用。

[1] 周德明.3700測井系統(tǒng)加測磁記號(hào)[J].石油儀器，2002，16(4): 47-48.

[2] 徐 琪，朱廣東.井口信號(hào)無線數(shù)傳系統(tǒng)[J].華北工學(xué)院測試技術(shù)學(xué)報(bào),2002,16(1): 67-69.

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[4] 靳 娟，葉獻(xiàn)方，肖海霞，等.測井電纜注磁標(biāo)定測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].測井技術(shù)，2010，34(1): 88-90.

《石油管材與儀器》征稿要求

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Design and Application of Low Power Wireless Magnetic Mark System Based on MSP430

XIE Gang LI Jiangbo SUN Gengyin

(ChangqingDivision，ChinaPetroleumLoggingCO.LTD.，Xi’an，Shaanxi710201，China)

The traditional magnetic mark depth system has the problems of low precision and high failure rate. This paper designs a low power wireless magnetic mark system based on MSP430. Through the signal processing by the software and hardware, it can provide higher precision wireless measurement of logging depth. According to the actual application and the analysis of contrast, It can effectively reduce the failure rate, greatly improves the logging efficiency and the reliability of depth measuring equipment.

magnetic mark,low power,depth measurement,wireless measurement

謝 剛，男，1980年生，碩士，工程師，2005年畢業(yè)于中國石油大學(xué)(華東)控制理論與控制工程專業(yè)，現(xiàn)從事測井信息采集管理工作。E-mail：xie_gg@163.com

P631.8+1

A

2096-0077(2015)02-0014-04

2014-10-21 編輯：姜 婷)