井下无线短传系统的研究

周 静 张伟强 付 浩

(西安石油大学井下测控研究所 陕西西安)

井下无线短传系统的研究

周 静 张伟强 付 浩

(西安石油大学井下测控研究所 陕西西安)

文章主要介绍了通过使用两块C8051F060单片机构成的电路板和无线收发电路组成的井下无线短传系统的设计思路。系统对传感器输出的数据进行采集,并将采集结果显示在用户交互界面上,进行井下采集的实时显示。

井下无线短传;实时采集;单片机

0 引 言

XTCS井眼轨迹自动控制系统的关键部分中包括钻井地质及工程参数检测器、双向通道。在井眼轨迹遥控系统中,造斜时主轴带动钻头旋转破岩,不旋转套是通过上下两端轴承安装在主轴上,其上的翼肋在液压系统的控制下以一定压力推靠到井壁上,使得不旋转套相对井壁不旋转,而传递井底测量及操作信息的MWD的电器接口在钻艇内,需要有无线双向通道完成液压控制系统与MWD之间的信息交换。

在闭环钻井系统中,要求实时地把井下的信息传递到地面,以实施人工监控。通常情况下该任务由MWD中泥浆压力脉冲发生器来完成。当使用井下动力钻具组合时,近钻头传感器和MWD被动力钻具隔开。传感器无法用线缆与MWD连接,因此要把传感器的信息传送给MWD只能通过无线通信的方法。由此可见,井下无线短传不仅可用于XTCS系统,而且对于闭环钻井也有着十分重要的意义[1]。本文选用电磁波传输方式来实现近钻头数据的传输[2]。

1 可控偏心器短传系统

该无线短传系统的传输环境是较为复杂的 ,在理论上很难建模仿真研究。解决信号传输问题只能通过试验来实现。本文中的试验都是在可控偏心器中完成的,可控偏心器机械结构图如图1所示。

图1 可控偏心器机械结构图

主轴通过轴承的耦合穿过不旋转套,在不旋转套上有电子腔、控制偏心位移矢量的定位总成和翼肋。主轴的一端接钻头,另外一端接稳定器。在稳定器中还有与MWD连接的电源短节。近钻头的传感器和下位机电路板以及发射电路板安装在不旋转套内的电子腔中,中控电路板和接收电路板安装在稳定器的电源短节中。

2 井下无线短传系统原理

井下无线短传系统的工作原理是将近钻头传感器送来的数据送入下位机主控板,由主控板的单片机进行采集后将采集后的数据送入无线发射板。无线发射板采用FSK调制方式,将单片机送入的数据进行调制,编码,放大后由天线发射出。此时位于传输信道另一端的接收电路板将传输过来的信号进行解码,解调后送入MWD中控。再经MWD将信号传送至地面。无线短传系统的原理框图如图2所示。

3 无线短传系统设计要求

3.1 无线发射接收电路

本无线收发电路主要由C8051F060单片机和无线射频芯片nRF905组成。系统组成框图如图3所示。

nRF905芯片是挪威Nordic公司推出的单片射频收发器。芯片工作电压DC1.9V～3.6V,32引脚QFN封装,内置硬件CRC检错和点对多点通信地址控制,工作在433/868/915MHz3个SM频段,频段之间收发模式切换时间<650μs。

图2 无线短传系统原理框图

图3 无线收发电路系统组成框图

C8051F060是Silabs公司的一款精确混合信号单片机,片内有8通道16bit的 S-D型ADC,128倍PGA,电流型DAC,VREF等模拟外设,可以方便地和温度压力等传感器直接连接。使用电流型DAC对传感器进行激励,传感器的输出信号经片内128倍PGA放大后进行A/D转换,无需额外的信号调理电路。片内8KFLASH,可在线编程和改写,传感器的标定参数可以在FLASH中存储,节省片外存储器。

3.2 无线发射电路天线的选择

本系统的无线发射接收电路主要利用nRF905与外围器件构成的电路组成,其主要部分是天线,简而言之,就是一个特定形状的导体,它可以将电流转化为射频能量并以电波形式发射出去,或将无线电波接收进来。任何一个无线系统都有天线,天线设计的好坏直接影响无线系统。

考虑到发射和接收装置安装在电子腔和电源短节中,因而如果选择市面上购买nRF905时所带的PCB天线,在四周由金属封闭的环境下,将会极大的影响通讯的质量甚至会对电磁波信号产生屏蔽的效果。因而我们在nRF905的信号输出端引出馈线,该馈线选择的同轴电缆传输线。同轴电缆的两根导线分别为芯线和屏蔽铜网,因铜网接地,两根导体对地不对称,因此叫做不对称式或不平衡式传输线[3]。同轴电缆工作频率范围宽,损耗小,对静电耦合有一定的屏蔽作用。馈线的另一头分别接发射和接收线圈。发射线圈装在电子腔不旋转套的上部,接收线圈则安装在钻铤上部。

4 软件设计

4.1 通信协议

本无线短传系统采取以其中一个单片机作为主机,另外一个单片机作为从机,通过串行通信模拟实际MWD中的数据传输。主机首先发送地址帧命令为88H,然后再以数据帧发送本帧长度字节04H、扩展命令01H/0AH以及该帧的累加和校验码8DH/96H这3个数,如图4所示。

图4 主机向从机发送的命令图

当从机收到这4个字节命令后,马上向主机返回相应的数据,如图5、图6所示。

图5 从机向主机返回数据1

图6 从机向主机返回全套数据2

当从机收到主机发送的数据后,对扩展命令进行判断,若第3个数据为01H则返回图5所示的数据,若第3个数据为0AH则返回图6所示的数据。累加和为前面所有字节累加起来的结果。应当注意的是88H这个帧头字节为地址帧,而后面3个字节均为数据帧。

4.2 上下位机的通信

上下位机两个单片机之间的通信属于多机通信,本次通信使用的是UART0中的方式3可变波特率通信方式。方式3操作使用11位:一个起始位、8个数据位(LSB在先)、一个可编程的第九位和一个停止位。通过使用第九数据位和内置UART0地址识别硬件支持一个主处理器与一个或多个从处理器之间的多机通信。当主机想要向一个或从机发送数据时,它先发送一个用于选择目标从机的地址字节[4、5]。地址字节与数据字节的区别是:地址字节的第九位为逻辑1;数据字节的第九位总是设置为逻辑0。图7为上位机程序流程图。

当主机向从机发送数据时,发送的88H为地址帧,所以需要对第九位置1,即 TB80=1;而当发送数据帧04H、01H、8DH时,对第九位置0,即 TB80=0。

当从机接到地址帧为88H时,产生串行中断,进入串行中断子程序,关闭多机通信使能位(SM20=0)和第九位发送位(TB80=0)并且关闭串行中断的使能位(ES0=0),然后接收主机继续发送过来的3个字节的数据帧,再根据判断返回图2或者图3中所对于的数据。从机发送了数据,主机也应该同时接收到这些数据,由于从机返回的第一位数据为地址帧,而后为数据帧,所以主机在接收时也应该先以地址接收一个数据,再接收剩余的13/23个数据。

图7 上位机程序流程图

4.3 用户界面的设计

用户交互界面主要作用是模拟井上地面软件,用来实时显示近钻头传感器输出,将相应的量化台阶数或者模拟电压值较为直观的表现出。本软件采用VB6.0进行界面设计。通过串口0问主机要数,主机对用户界面发送的数据进行判别后,再将相关命令通过串口1发送至从机,同时从机将采集后的结果返回给主机,并通过主机的串口0将对应数据在用户界面上显示出。如图8所示。

图8 钻井参数无线数据检测软件界面

图8 中参数1至参数15分别是图5和图6中对应的实际测井参数的模拟电压值,其中包括压力,温度,湿度,Gx,Gy,Gz以及翼肋位移等等,这些值将会传输给MWD中的定向测量短节。

5 结 论

通过使用两块C8051F060单片机构成的电路板和无线收发电路模拟井下无线短传系统的设计思路,为随钻测量钻井参数的短距离数据传输提供了一种设计思想,该井下无线短传系统已在旋转导向智能钻井XTCS系统中得以应用。

[1] 李 林.随钻测量数据的井下短距离无线传输技术研究[J].石油钻探技术,2007,35(1)

[2] 刘修善.电磁随钻测量技术现状及发展趋势[J].石油钻探技术,2006,34(5)

[3] 周 静,王慧梅,南 洋.井下声波短传系统中的解码方法[J].石油仪器,2008,22(6)

[4] 荚 庆,王代华,张志杰.基于nRF905的无线数据传输系统[J].国外电子元器件,2008,(1)

[5] 何 成.无线通信与网络[M].北京:清华大学出版社,2005

P631.8+13

B

1004-9134(2010)02-0003-03

2009-09-26 编辑:高红霞)

周 静,女,1964年生,教授,1988年毕业于西安电子科技大学信号与处理专业。现为中国石油天然气集团公司(CNPC)重点实验室井下测控研究室副主任,“井下控制工程环境模拟实验室”主任。邮编:710065