短距電磁脈沖無線數(shù)字傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐彥凱，雙 凱，曲曉霞

（1中國石油大學(xué)（北京）信息學(xué)院電子系，北京102249；2山西省興縣教師進(jìn)修校山西呂梁033600）

欠平衡鉆井能提高鉆井的機(jī)械鉆速，提高鉆頭使用壽命，可防止壓差卡鉆和減少井眼循環(huán)漏失，提高產(chǎn)量，減少地層損害。但是欠平衡鉆井成本高，存在不安全隱患，且地層壓力是決定是否欠平衡，欠多少的重要因素之一。為避免負(fù)壓條件喪失后油氣層受到傷害及安全作業(yè)，及時(shí)獲取和監(jiān)測地層壓力等作業(yè)參數(shù)就顯得尤其重要[1-2]。

但由于測量點(diǎn)離鉆頭較遠(yuǎn)而無法獲取近鉆頭處的信息。因此，人們一直在尋求解決測量點(diǎn)滯后鉆頭的方法，其中的一種方法是采用近鉆頭測量系統(tǒng)測量近鉆頭參數(shù)，然后由近鉆頭信號傳輸系統(tǒng)傳輸給遠(yuǎn)鉆頭端的有線隨鉆測量（MWD）系統(tǒng)，再由MWD將接收的數(shù)據(jù)傳輸至地面。近鉆頭信號傳輸系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)是這種方法的關(guān)鍵[3]。目前近鉆頭信息短距離傳輸?shù)姆椒ㄓ须娎|、聲學(xué)和電磁波。電纜傳輸需要在鉆具上打孔或開槽埋設(shè)電纜或設(shè)計(jì)專門的鉆具，前者安全性較低，后者成本高。聲傳輸時(shí)油氣井會產(chǎn)生強(qiáng)大的氣噪聲，對聲波傳輸?shù)母蓴_很大，且傳輸?shù)男畔⒘亢苄?。電磁波信號傳輸性能受周圍地層介質(zhì)的電阻率影響大，且信號衰減快，功耗高。本文采用電磁脈沖[4]為數(shù)據(jù)載體，設(shè)計(jì)了欠平衡鉆井的短距無線通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有傳輸速率高，且接收信號不受井下介質(zhì)影響，整體系統(tǒng)功耗低的優(yōu)點(diǎn)。文中主要介紹了無線通信系統(tǒng)及發(fā)送和接收的各組成部分。

1 電磁脈沖無線傳輸系統(tǒng)框架

該欠平衡鉆井中短距電磁脈沖無線數(shù)字傳輸系統(tǒng)由電磁脈沖發(fā)送部分與電磁脈沖接收部分組成，其中電磁脈沖發(fā)送部分包括信源編碼電路和電磁脈沖發(fā)送電路；電磁脈沖接收部分包括接收線圈、前端調(diào)理電路、AD轉(zhuǎn)換電路、接收濾波器、整流抽樣判決器、數(shù)據(jù)校驗(yàn)器以及存儲器。井下數(shù)字通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 井下數(shù)字通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

井下數(shù)字通信系統(tǒng)的工作過程為井下壓力傳感器采集的信號經(jīng)過編碼器編碼；以幀結(jié)構(gòu)的異步通信方式將編碼信號送入電磁脈沖發(fā)送器，轉(zhuǎn)換為高頻電磁脈沖信號；電磁脈沖信號通過油氣井下鉆具傳輸?shù)浇邮站€圈；接收線圈接收該電磁脈沖信號并將其轉(zhuǎn)化為電壓信號；經(jīng)過前端調(diào)理電路盡量抑制噪聲并放大；對處理后的信號進(jìn)行高速高精度AD轉(zhuǎn)換；由FIR匹配濾波器對該信號作相關(guān)，整流，抽樣判決；恢復(fù)井下溫度壓力信號并進(jìn)行CRC數(shù)據(jù)校驗(yàn)，若校驗(yàn)無誤則解碼并存儲該數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)

在確定系統(tǒng)框架的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)中的各部分，并進(jìn)行了相關(guān)的驗(yàn)證。

2.1 電磁脈沖發(fā)送電路

電磁脈沖發(fā)送電路是將數(shù)字序列轉(zhuǎn)換成高壓電脈沖，考慮到井下只能采用電池，用可控硅電子開關(guān)的通斷在電感上產(chǎn)生瞬間高壓脈沖，如圖2所示。

圖2 可控硅電子開關(guān)產(chǎn)生電磁脈沖原理圖

2.2 前端調(diào)理電路

由于接收端有用信號的幅度較小，完全淹沒在噪聲中，為了降低噪聲，信號的前端調(diào)理電路擬采用差分放大結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)電路可以有效抑制輸入噪聲，并可放大輸入的小信號[5]。

2.3 AD采樣電路

由于接收的信號是寬帶的窄脈沖信號，需要采樣頻率高，AD采樣單元選用模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7476[6]。AD7476是高速（采樣速率為1 MHz）、低功耗（36 mW Typ）的12位串行AD轉(zhuǎn)換器。該芯片體積和功耗都很小，與FPGA的硬件接口電路很簡單，芯片采用2.35 V to 4.25 V的VDD單電源供電。AD7476的模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)序如圖3（a）所示。由時(shí)序圖為依據(jù)，采用Verilog HDL語言編程實(shí)現(xiàn)，在QuartusII8.1開發(fā)平臺上編譯、綜合、仿真波形如圖3（b）所示，設(shè)計(jì)了FPGA和AD7476的接口功能[7-9]。

2.4 接收濾波器

為了獲得最小誤碼率，接收濾波器采用了匹配濾波器[10-11]，其單位沖擊響應(yīng)h（t），與接收端輸入信號s（t）的關(guān)系為：

對（2）式并離散化，得到數(shù)字匹配濾波器為：

式（3）表明，設(shè)計(jì)的匹配濾波器為n階FIR數(shù)字濾波器。

輸入輸出信號的差分方程為：

式中hi為濾波系數(shù)，x（n）為輸入信號，

經(jīng)推導(dǎo)得：

圖3 AD7476時(shí)序圖和波形仿真圖

由于AD轉(zhuǎn)換采用串行輸入，首先將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)，再由（4）得到分布式算法的n階FIR濾波器的FPGA結(jié)構(gòu)示意如圖4所示。

圖4 分布式算法的N階FIR濾波器的FPGA結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)有符號數(shù)DA算法對h（n）合理分段，對每段設(shè)計(jì)查找表，并在FPGA[12-15]上實(shí)現(xiàn)了50階FIR濾波器，匹配濾波器的電路頂層設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5中主要由3個fir16模塊、1個fir2模塊、3個數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換模塊和2個加法器模塊組成。其中fir16為16階濾波器，fir2為2階濾波器濾波器，根據(jù)接受到的信號已經(jīng)設(shè)計(jì)的濾波器系數(shù)存放到對應(yīng)的查找表中。

為了驗(yàn)證濾波器設(shè)計(jì)的正確與否我們將如圖6（CH1）所示井下實(shí)際接收的位元信號通過設(shè)計(jì)的FPGA匹配濾波器濾波，輸出結(jié)果如圖6（CH2）所示。顯然，經(jīng)過處理的信號較直接接收信號的信噪比提高了5 dB。

2.5 CRC校驗(yàn)

為了保證通信的可靠性，該傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)了循環(huán)校驗(yàn)碼（Cyclic Redundancy Check碼）的校驗(yàn)電路，本設(shè)計(jì)選用CRC16-CCITT型碼字，根據(jù)CRC的設(shè)計(jì)規(guī)則，基于FPGA設(shè)計(jì)了發(fā)送CRC校驗(yàn)?zāi)K和接收CRC校驗(yàn)?zāi)K。

2.6 高溫?cái)?shù)據(jù)存儲

井下測量數(shù)據(jù)需要存儲在井下存儲器中，儀器提升到地面后，通過通訊模塊將存儲器中的數(shù)據(jù)讀出，因此需要大存儲量的芯片，另外考慮井下為高溫環(huán)境，數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)擬選用ALTER公司的工作最高溫度為135℃的16 Mbits高容量存儲芯片EPCS16。EPCS16的讀寫實(shí)現(xiàn)原理相同，下面以讀實(shí)現(xiàn)為例，EPCS16讀時(shí)序如圖7（a）所示。

由EPCS16的讀時(shí)序?yàn)橐罁?jù)，設(shè)計(jì)了EPCS讀操作。存儲在EPCS的數(shù)據(jù)為“10110001”，圖7（b）為讀數(shù)據(jù)仿真，波形表明，基于FPGA的存儲器的讀功能正確。

2.7 主控單元

圖5 FPGA實(shí)現(xiàn)匹配濾波器的頂層設(shè)計(jì)

圖6 接收線圈接收的信號（CH1）和匹配濾波器輸出（CH2）

主控單元采用SOPC技術(shù)[16-19]，SOPC主控框架如圖8所示，控制發(fā)送、接收、校驗(yàn)、存儲、與上位機(jī)通信。主處理器采用ALTERA公司的32位NIOS處理器軟核，系統(tǒng)總線采用AVALON總線，外圍擴(kuò)展：AD接口、自定義匹配濾波模塊，抽樣判決模塊、CRC校驗(yàn)?zāi)K，EPCS數(shù)據(jù)存儲，控制發(fā)送接收PIO、與上位機(jī)的UART串行通訊。

由于井下無線數(shù)據(jù)傳輸是點(diǎn)對點(diǎn)的通信，采用的通信流程為：1）發(fā)送端發(fā)送測試數(shù)據(jù)，接收端處于接收狀態(tài)測試數(shù)據(jù)正確后通知發(fā)送方數(shù)據(jù)鏈路建立。2）發(fā)送方發(fā)送一幀數(shù)據(jù)，接收方接收數(shù)據(jù)并校驗(yàn)。3）發(fā)送方接收，接收方發(fā)送反饋信號。4）由發(fā)送方接收到的反饋信號決定數(shù)據(jù)重發(fā)或下一幀數(shù)據(jù)。5）發(fā)送方或接收方需通信中斷，則通信結(jié)束。

圖7 EPCS16的讀時(shí)序和仿真波形

圖8 SOPC主控框架圖

3 結(jié)束語

短距電磁脈沖無線數(shù)字傳輸是以油氣井下的鉆井鉆具為媒介來傳輸電磁脈沖信號的方法，設(shè)計(jì)的電磁脈沖無線數(shù)字傳輸系統(tǒng)以SOPC為核心，實(shí)現(xiàn)了欠平衡鉆井中短距無線數(shù)據(jù)采集、傳輸、接收、存儲功能，現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)表明：該系統(tǒng)具有傳輸速率高達(dá)200 bit/s，且整體系統(tǒng)功耗低的優(yōu)點(diǎn)。