井下電磁傳輸發(fā)射裝置設(shè)計(jì)研究

田家興，尹洪東，閆景富（中國石油大學(xué)（北京）北京102249）

井下電磁傳輸發(fā)射裝置設(shè)計(jì)研究

田家興，尹洪東，閆景富
（中國石油大學(xué)（北京）北京102249）

為了合理的開采地下油氣資源，往往需要準(zhǔn)確完整的獲得井下待測地層壓力和溫度的數(shù)據(jù)，從而去評價其經(jīng)濟(jì)價值和確定增產(chǎn)措施。本文通過建立電磁傳輸?shù)孛婺M測試平臺，分析了井下電磁傳輸系統(tǒng)的可行性及其信號幅頻特性，采用電磁感應(yīng)傳輸原理，設(shè)計(jì)出基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和基于DDS的信號發(fā)射裝置，將數(shù)字信號調(diào)制為450 kHz和600 kHz的正弦波2FSK信號，其碼元傳輸速率可達(dá)9 600 Bd。通過對地面模擬測試平臺信號幅頻特性的測試，分析了井下電磁傳輸系統(tǒng)的規(guī)律特性，介紹了針對井下電磁無線傳輸設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集和信號發(fā)射裝置。

數(shù)據(jù)采集；電磁傳輸；DDS；調(diào)頻

在油氣開采過程中，通常需要將井下的溫度、壓力等測試數(shù)據(jù)實(shí)時、準(zhǔn)確地傳輸?shù)降孛嫔蟻磉M(jìn)行處理分析[1]。目前國內(nèi)外生產(chǎn)的電纜地面直讀電子壓力計(jì)，由于關(guān)井閥等井下工具的存在，必須對井下測試工具做出特殊的改造，設(shè)置特殊的壓力通道或者電氣連接通道，將測試閥下方的壓力溫度數(shù)據(jù)傳到測試閥上方，再經(jīng)過電纜將井底壓力數(shù)據(jù)傳送到地面[2]，由于需要對測試工具進(jìn)行改造，這在很大程度上限制了它們在實(shí)際現(xiàn)場中的應(yīng)用和推廣。

在這種背景下，研發(fā)出一種基于電磁感應(yīng)原理的無線通信系統(tǒng)，將傳感器采集到的測試閥下部壓力溫度信息，以無線方式傳輸?shù)綔y試閥上部的接收器中，再通過電纜傳輸?shù)降孛嫔线M(jìn)行處理，具有傳輸穩(wěn)定性高、速率快、精度高等特點(diǎn)，從而選擇恰當(dāng)?shù)氖┕ご胧?，提高測試作業(yè)實(shí)效，為現(xiàn)場施工提供準(zhǔn)確可靠的科學(xué)決策依據(jù)[3]。

1 模擬系統(tǒng)地面測試平臺

模擬傳輸系統(tǒng)地面測試平臺的建立，為探求電磁感應(yīng)無線傳輸?shù)目尚行缘於嘶A(chǔ)。無線信道在傳輸?shù)倪^程中通常會呈現(xiàn)帶通濾波器的特性，只有通頻帶范圍內(nèi)的信號才能在無線信道上傳輸且衰減相對較低[4]，因此確定系統(tǒng)通頻帶變得尤為重要。

模擬傳輸系統(tǒng)測試平臺設(shè)計(jì)以套管為基體，油管作為中介，將油管懸空放入套管之內(nèi)并保證套管與油管之間沒有直接接觸，以模擬井下真實(shí)環(huán)境；以信號發(fā)生器作為信號源，模擬經(jīng)過調(diào)制的井下溫度、壓力數(shù)據(jù)，再將信號進(jìn)行功率放大以后送入發(fā)射線圈，有用信號在電磁感應(yīng)信道中傳輸，最后以示波器作為接收器接到接收線圈上，觀察并記錄所得信息。

地層測試信息通過數(shù)據(jù)采集裝置將完整的數(shù)據(jù)以數(shù)字信號的形式傳入調(diào)制裝置，再經(jīng)過濾波、功率放大等調(diào)理后傳入發(fā)射線圈；當(dāng)接受線圈接收到數(shù)據(jù)之后經(jīng)過信號放大和濾波以后傳入解調(diào)裝置，最終重新得到完整的數(shù)字信號數(shù)據(jù)。電磁傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示。

圖1電磁傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 傳輸信號幅頻特性試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備：

1）對實(shí)驗(yàn)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行組裝，將發(fā)射線圈和功率放大器套裝在油管上，并進(jìn)行固定；將信號發(fā)生器兩接頭與發(fā)射線圈兩端分別相連，示波器與接收線圈相連；相關(guān)設(shè)備采用市電供電，并注意所用設(shè)備和功率放大器等要嚴(yán)格共地，否則檢測到的有用信號會被淹沒在噪聲中[5]；用萬用表檢測設(shè)備是否有短路狀況，并通電。

2）載波波形的選擇。前期實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)發(fā)射信號為方波信號時，接收端收到為脈沖信號，且振蕩衰減的速度會與發(fā)射信號的頻率相關(guān)，這種現(xiàn)象會導(dǎo)致在判決時產(chǎn)生碼間串?dāng)_現(xiàn)象，從而造成誤碼[6]。而我們知道正弦信號，無論積分還是微分，只有相位發(fā)生變化，綜合考慮載波波形確定為正弦波。

3）傳輸方式的選擇。常用的二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制中，是通過載波的幅度、相位和頻率產(chǎn)生對應(yīng)的兩種變化來傳遞信息。相應(yīng)的調(diào)制方式有二進(jìn)制振幅鍵控（2ASK）、二進(jìn)制相移鍵控（2PSK）和二進(jìn)制頻移鍵控（2FSK）。由于發(fā)射和接收線圈在等效電路中以電感和電阻的形式存在，又由于分布電容和雜散電容等存在[7]，使回路形成串聯(lián)諧振現(xiàn)象，無線信道便具有了帶通特性。前期的試驗(yàn)可以確定接收到的信號會產(chǎn)生相位的搬移，因此不能使用2PSK方式。又考慮到隨參信道存在頻率選擇性衰落現(xiàn)象，目前最常用的數(shù)字調(diào)制方式是相干2DPSK和非相干2FSK，2DPSK主要用于高速數(shù)據(jù)傳輸，而2FSK則適用于衰落信道傳輸和中、低速數(shù)據(jù)傳輸中[8]。而且在2FSK解調(diào)過程中，判決器是根據(jù)兩支路解調(diào)輸出的樣值來設(shè)定判決門限的，因此對信道的變化不敏感，更適用于無線傳輸。最終決定傳輸方式為2FSK，即將壓力、溫度等信息轉(zhuǎn)換為兩種頻率不同的正弦波傳輸信號。

在系統(tǒng)試驗(yàn)過程中，采用信號發(fā)生器作為信號源，發(fā)出正弦交流信號，在保證輸出電壓恒定的情況下，從50 kHz開始逐漸增加傳輸信號的頻率，通過觀察并記錄示波器中接收到的感應(yīng)線圈的信號頻率，繪制相關(guān)信道的幅頻特性曲線，分析電磁傳輸過程中信號的衰減情況。本實(shí)驗(yàn)分別對5米和10米長度的電磁感應(yīng)信道進(jìn)行對比分析，耦合器采用單根導(dǎo)線繞成的螺線管，獲得分別在不同傳輸距離、不同電壓、不同頻率下系統(tǒng)的信道特性，如圖2所示。

圖2接收線圈幅頻特性曲線

由圖可知，在不同信號源電壓其它條件相同下，接收信號端的幅頻特性曲線變化情況基本一致，衰減倍數(shù)和通帶頻率基本相同：信號在400～1 600 kHz頻率內(nèi)傳輸衰減幅度比較小，即信道的通頻帶在400～1 600 kHz之間，中心頻率1.1 MHz左右；基帶載波頻率和幅度相同時，傳輸信道長度越長，接收到的信號衰減越嚴(yán)重。但由于1M以上高頻信號傳輸受制于電路設(shè)計(jì)、單片機(jī)的處理速度和芯片的選型等，根據(jù)信道幅頻特性，綜合考慮取信號在450 kHz 到700 kHz的頻帶范圍內(nèi)傳輸影響較小。

3 無線傳輸裝置發(fā)射電路設(shè)計(jì)

3.1 基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集裝置

數(shù)據(jù)采集裝置采用美國微芯科技公司的PIC18F4520單片機(jī)作為主控制器，該芯片具有較寬的溫度范圍和豐富的外設(shè)接口，最多可支持13路通道的10位模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，具有功耗管理模式，處于空閑模式時僅打開外設(shè)，電流可降至5.8 μA，處于休眠模式時電流最低可降至0.1 μA，大大降低了井下電路的功耗，提高了裝置的一次性工作時長。采集裝置由數(shù)據(jù)采集單元、存儲單元、通訊單元組成。井下數(shù)據(jù)采集裝置結(jié)構(gòu)框圖，如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集裝置結(jié)構(gòu)框圖

1）溫度采集裝置

溫度采集裝置采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器，它具有功耗低、接線方便、測溫準(zhǔn)確等特點(diǎn)，測溫范圍為-55～125℃，測試結(jié)果以9～12位數(shù)字量串行傳輸，最低分辨率可達(dá)0.062 5℃。它以獨(dú)特的“一線式”接入CPU，僅需要一根I/O口無需其他額外電源即可方便的進(jìn)行溫度測量。硬件電路設(shè)計(jì)時，只需在單片機(jī)通信的數(shù)據(jù)位DQ上，上拉一個10 kΩ的電阻即可[9]。其硬件開銷較小的代價即是其實(shí)現(xiàn)程序的編寫相對較為繁瑣，串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)決定了它進(jìn)行讀寫操作時，必須嚴(yán)格按照要求保證程序讀寫時序，否則無法讀出測量結(jié)果。由于發(fā)出溫度轉(zhuǎn)化命令后，程序需要等待芯片的返回命令，如果傳感器連接不好或者中斷，在程序讀取時，將等不到反饋命令，程序進(jìn)入死循環(huán)，因此在對該傳感器進(jìn)行相關(guān)軟件編程時要注意反饋的判斷[9]。

2）壓力采集裝置

壓力采集裝置使用KELLER8系壓阻式壓力傳感器。該傳感器采用浮動O型圈密封安裝方式，避免了因封裝而導(dǎo)入的外殼應(yīng)力[10]。整個傳感器由壓阻式硅片、玻璃腳支架、不銹鋼隔離膜片和不銹鋼外殼構(gòu)成，并向其中注入硅油作為壓力傳遞介質(zhì)。外界壓力源與不銹鋼隔離膜片接觸，通過元件內(nèi)部的硅油將信號傳導(dǎo)到壓阻硅片上完成信號轉(zhuǎn)換。

KELLER8系中高溫壓力傳感器，壓力最大可達(dá)600 bar，耐溫最高可達(dá)150℃，每一個傳感器都附帶了一個校驗(yàn)證書，在所有的標(biāo)準(zhǔn)壓力范圍內(nèi)，典型的在1 mA電源激勵下，輸出為0.322 mV/bar，最高為193.1 mV電壓模擬型號，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后再與單片機(jī)通信。

A/D轉(zhuǎn)換電路選用美國ADI公司的AD7712來實(shí)現(xiàn)。該芯片是一款采用技術(shù)的24位無失碼模擬前端，適合低頻測量應(yīng)用，具有兩路模擬輸入通道，能夠接收來自傳感器的高低電平信號，并轉(zhuǎn)換為串行數(shù)字信號輸出。AD7712可以通過軟件控制輸入信道的選通，設(shè)置增益和信號極性，其雙向串行接口也更適合于微控制器系統(tǒng)應(yīng)用中[11]。AD7712提供多種封裝形式，同時還具有低功耗模型，最低功耗可降至100 μW，十分適用于井下數(shù)據(jù)測量應(yīng)用。

3）實(shí)時時鐘

為了達(dá)到準(zhǔn)確記錄井下數(shù)據(jù)采集時間的目的，電路上設(shè)計(jì)采用PCA8565時鐘芯片。該芯片采用32.768 KHz晶振，IIC總線接入單片機(jī)，運(yùn)行穩(wěn)定準(zhǔn)確，最高+125℃的工作溫度滿足井下環(huán)境高溫的要求。

4）井下通信接口

由于在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)耐瑫r，要求系統(tǒng)能夠?qū)⒕聰?shù)據(jù)準(zhǔn)確存儲，方便取出地面以后存入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)對比，所以在井下采集和傳輸系統(tǒng)中必須設(shè)計(jì)通訊接口可以與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。單片機(jī)的接口是TTL電平，而電腦的串口是RS232電平，兩者之間互相通信需要電平轉(zhuǎn)化電路。PIC18F4520單片機(jī)內(nèi)部集成了USART模塊，設(shè)計(jì)采用MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，只需三線連接串口進(jìn)行通信[12]。這樣當(dāng)裝置從井下取出時，只需要一根數(shù)據(jù)線就可以與電腦連接，將數(shù)據(jù)準(zhǔn)確回讀并與無線傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。

5）存儲單元

數(shù)據(jù)存儲采用ISSI公司的IS25LP064大容量FLASH。該芯片是一款SPI串行接口的大容量閃存芯片，最高工作溫度可達(dá)+125℃，供電電壓為2.3 V 至3.6 V，并具有低功耗模式，芯片進(jìn)入休眠模式時，最低功耗僅為 5 μA。設(shè)計(jì)電路時將 WP#位和HOLD#位拉高，禁用寫保護(hù)和重置功能，簡化電路和程序的編寫。

3.2 基于DDS的信號調(diào)制裝置

由于數(shù)字信號無法直接在信道中傳輸，系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用專用的數(shù)字調(diào)制芯片AD9837，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為2FSK信號，調(diào)制后的信號經(jīng)過OPA552進(jìn)行功率放大以后，傳入電磁感應(yīng)信道進(jìn)行無線傳輸。該芯片是一款低功耗、可編程的波形發(fā)生器，參考時鐘為16 MHz時，頻率分辨率可達(dá)0.06 Hz，且具有休眠功能，以將功耗降至最低，最高可達(dá)+125℃的工作溫度也更適用于井下數(shù)據(jù)的傳輸。AD9837采用直接數(shù)字合成技術(shù)（DDS），主要由四部分組成：相位累加器、正弦查找表（ROM）、數(shù)模轉(zhuǎn)換器和參考時鐘[13]，結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4DDS結(jié)構(gòu)框圖

AD9837通過向兩個頻率控制寄存器寫入頻率控制字，達(dá)到控制對應(yīng)頻率輸出的目的，其內(nèi)部頻率控制寄存器為28位；輸出信號相位控制通過內(nèi)置的兩個12位的相位寄存器進(jìn)行。頻率控制寄存器允許用串行輸入的方式裝載頻率控制字，而相位累加器根據(jù)頻率控制字進(jìn)行相位累加，然后輸入到正弦查找表的地址中映射成對應(yīng)正弦波幅度的離散值，再驅(qū)動D/A進(jìn)行轉(zhuǎn)化輸出模擬信號。寄存器每經(jīng)過一次時鐘后恢復(fù)初始狀態(tài)，這樣一個循環(huán)即輸出一個正弦波[14]。正弦波的頻率控制字:

其中fclk為時鐘頻率，fout為所需正弦波頻率。

常用的DDS芯片均是以電流信號輸出，輸出端接取樣電阻轉(zhuǎn)化為電壓信號。AD9837由于內(nèi)部集成了一個200 Ω電阻，因此管腳直接輸出為電壓信號，輸出信號范圍為37 mV到0.645 V，若需要更大的輸出電壓，后級可以接運(yùn)放進(jìn)行放大，但要注意要有足夠的帶寬。

AD9837通過三線制串行接口寫入數(shù)據(jù)，與DSP、SPI等標(biāo)準(zhǔn)接口兼容。只需將FSYNC、SCLK、SDATA三位與單片機(jī)相接，通過單片機(jī)寫入頻率控制字進(jìn)行頻率控制，電路連接如圖5所示。

圖5 基于AD9837的信號調(diào)制裝置

數(shù)據(jù)在串行同步時鐘SCLK的控制下以16bit一個字（D15位到D0位）寫入器件，28位的數(shù)據(jù)需要2次寫入完成，先寫入低14位再寫入高14位，D13位置1時，允許一個完整字節(jié)在兩個連續(xù)的寫入操作寫入寄存器內(nèi)。D15D14=01時，將頻率控制字寫入頻率控制寄存器0；當(dāng)D15D14=10時，表示將頻率控制字寫入頻率控制寄存器1。在信號輸出時，通過D11位控制選通起作用的頻率寄存器進(jìn)行輸出，D11=0選通頻率控制寄存器0在SCLK控制下進(jìn)行輸出，D11=1選通頻率控制寄存器1進(jìn)行輸出。

在設(shè)計(jì)程序時，首先要對單片機(jī)和AD9837進(jìn)行初始化設(shè)置，然后將頻率控制字分別寫入兩個頻率控制寄存器，選擇寄存器控制方式為外部引腳控制。在對AD9837進(jìn)行初始化時，通常會將D8位置1，啟用RESET功能，這樣可以避免在初始化過程中產(chǎn)生的雜散信號輸出，直至芯片設(shè)置好準(zhǔn)備輸出有用信號再將該為置0[15]。

4 結(jié) 論

通過建立模擬傳輸系統(tǒng)地面測試平臺，完成了對信道幅頻特性的分析，同時確定通過2FSK方式將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為450 kHz和600 kHz的正弦波進(jìn)行電磁傳輸?shù)姆桨??；趩纹瑱C(jī)的數(shù)據(jù)采集裝置采用耐高溫的PIC18系單片機(jī)，將井下數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，相關(guān)外設(shè)基本具備低功耗模式，更適用于井下采用電池供電的系統(tǒng)。基于DDS的信號發(fā)射裝置能夠穩(wěn)定輸出2FSK正弦波信號。該裝置具優(yōu)良的頻率準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，而且體積小、功耗小、操作簡便。

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Research on the transmitting device for down-hole wireless electromagnetic transmission

TIAN Jia-xing，YIN Hong-dong，YAN Jing-fu
（China University of Petroleum（Beijing），Beijing 102249，China）

To exploit the down-hole oil and gas resource reasonably，and to evaluate its economic value and determine the stimulation，measurement signals need to be transmitted from the bottom to the ground in real time，such as temperature and pressure.This paper analysis the feasibility of down hole electromagnetictransmission system and signalamplitudefrequencycharacteristicsthrough the electromagnetic transmission ground simulation test platform，and designs a data acquisition system based on MCU and DDS based signal transmitting device using electromagnetic induction transmission principle，digital signal modulation is 450 kHz and 600 kHz sine wave of 2FSK signal，the symbol transmission rate up to 9 600 Bd.

data acquisition；electromagnetic transmission；DDS；frequency modulation

TN99

A

1674－6236（2017）07-0066-04

2016-04-11稿件編號：201604108

田家興（1990—），男，遼寧鞍山人，碩士研究生。研究方向：信號檢測與處理。