井下无线短传中脉宽调制信号的应用与实现＊

陈 静 罗春晖 李 蓓

（中国船舶重工集团公司第七二二研究所 武汉 430079）

1 引言

在随钻测量和随钻测井技术中，靠近钻头的位置安装了很多传感器，以及时获取准确的地层信息。传感器测量数据的传输需要采用无线电磁波传输技术，传输距离一般在数十米的范围内。这种井下短距离的无线传输技术采用在靠近钻头的位置安装发射线圈且在钻铤上部安装接收线圈的方法，从而构成电流场型的无线短传通道，以传输测量数据。

由于随钻测量系统普遍采用电池供电，随着钻井工程向大深度发展，对电路的功耗提出了更高的要求，因此尽可能地减小功耗是井下短距离传输设计时必须重点考虑的一个环节。在设计井下无线短传的发射电路时，需要在保障发射功率的同时，确保较低的电源功耗。采用脉宽时间调制信号传输数据，可以有效地降低发射功耗。

2 发射模块设计

2.1 发射模块原理

对于典型系统而言，其功耗大致满足：P＝C×V2×f。其中C是电容负载，V是电源电压，f是开关频率。可以看出工作电压对系统功耗的影响最大，其次是工作频率，而电容负载对设计人员来说是不可控的。因此，发射电路的低功耗设计需要选择适当的工作电压和频率。这里电源电压采用5V，而对于工作频率，文献［7］指出，井下短距离无线传输信号的最佳中心频率在11kHz附近，本文采用10kHz。

无线短传的发射电路由单片机、激励电路、H桥型功放电路、电子开关及发射线圈等组成。测量数据通过串口输入到单片机（MCU）中，单片机首先对原始二进制数据进行CRC编码并打包成帧，再进行脉宽调制后输出。同时输出两路正反相的10kHz方波信号，这两路信号与脉宽调制信号相与之后用于驱动激励电路，最后由H桥型功放电路将信号通过发射线圈发射出去。H桥型功放电路采用差动平衡式输出，可以滤除共模噪声，并实现较大的输出功率。

图1 发射电路原理框图

激励信号经Q1、Q2放大、隔离后分别控制4只晶体管。当同相放大器输出高电平信号时，晶体管Q4、Q5导通，电流由T1到T2流过发射线圈；当反相放大器输出高电平信号时，晶体管Q3、Q6导通，电流由T2到T1流过发射线圈。发射线圈输出的峰值电压可以达到功放电源电压的两倍。

图2 H桥型功放电路

这里需要注意死区时间，即两路方波信号跳变沿之间应该存在一定的延时（如图3所示）。否则H桥功放电路可能会同时导通，导致直通大电流的产生，从而产生不必要的功耗或烧毁器件。

假设功放电路的供电电压5V，发射天线阻抗为50Ω，则功放电路的输出功率为0.5W。而如果将脉冲宽度调制信号的占空比降低一半，即相对缩短功放电路的导通时间，则功放电路的发射功耗将减少一倍。

图3 激励信号跳变沿延时

2.2 发射模块驱动信号

发射模块的驱动采用脉宽时间调制信号。脉宽调制信号（PWM）是幅度恒定、占空比变化的一系列电压脉冲开关信号。这种开关信号只在开关开启时才进行能量交换，关闭时几乎不向直流电源索取电流，故其输出要么接近电源电压，要么接近于零，从而大大降低了功耗，提高了效率。这里采用的脉宽时间调制信号，用不同的脉宽时间周期来表示传输的数据，在一个脉宽时间周期中，高电平的时间长度小于低电平的时间长度，相对于采用高电平脉冲宽度（周期固定）来表示数据的脉宽调制方式，这种调制信号能够在很大程度上降低功放电路的发射功耗。

原始数据在经过编码并打包成帧之后，单片机将该帧数据以4bit为一个周期转换为脉宽时间调制信号（如图4所示）。该信号分别与正相和反相载波相与之后传输给H桥型功率放大电路，然后经H桥型功率放大电路放大后由发射线圈发射出去。每个时间宽度ti中包含4bit数据信息，约定t＝100ms，则100ms≤ti－t≤1600ms，数据传输最小速率为2.5bit／s。只要接收模块能够识别且符合数据传输速率要求，可随意调整脉宽时间调制信号高低电平的脉宽时间。

图4 每帧转换后的脉宽时间调制信号

脉宽时间调制信号采用单片机的定时器模块产生，对时钟的准确度有一定要求，因此采用准确度较高的外部时钟源。根据上面的系统功耗公式，时钟频率对功耗也有影响。为确保单片机的低功耗，采用的时钟频率不应过高，同时还要考虑不对发射模块工作频率造成干扰，这里采用4MHz时钟频率。另外单片机供电电压采用3.3V，将5V供电电压降低为3.3V时单片机功耗将减少约60%。

3 脉宽时间调制信号的产生与应用

3.1 脉宽时间调制技术

尽管脉宽调制控制技术中，PWM的波形根据应用背景的不同，一般可以分为两类：一类是占空比不同的等脉冲PWM波形，另一类是模拟某种特别波形的信号，例如模拟正弦波的SPWM波形。而等脉冲PWM又分为单极性和双极性两种波形［5］。

本文采用等幅脉冲单极性PWM，单极性PWM具有高频噪声低，电磁干扰小，4Ω以上阻抗幅频特性平直，10～20kHz输出电压抬升小等特点，所反映出的负载变化敏感性小，特别适合负载变化较大的应用场合。而在较低的负载阻抗时，采用双极性PWM可以得到更大范围的频率响应［6］。由于井下发射电路的负载随着地层电阻的不同而发生变化，因此适合采用单极性的PWM信号。

采用固定高电平时间长度而改变占空比的PWM信号，也就是相对缩短高电平时间长度的PWM波形，能够极大地降低H桥型功放电路的发射功耗。为详细说明，假设功放电路供电电压为5V，功放负载为50Ω，在一个400ms的时间周期中，分别采用两种PWM波形：一种PWM波形高电平为100ms，而低电平为300ms；另一种PWM波形的高电平为300ms、低电平为100ms。则在这个时间周期中，采用前一种PWM波形的功放电路所消耗的能量是采用后一种PWM波形所消耗能量的3倍。

3.2 脉宽时间调制信号程序设计

脉宽时间调制信号的生成是脉宽调制技术的关键，传统的PWM信号采用硬件电路来实现，但是采用软件方法则更加灵活和实用。本文采用飞思卡尔单片机 MC9S08AC16的定时器／PWM模块来产生脉冲宽度时间调制信号。MC9S08AC16系列包含三个独立定时器／PWM模块，模块给核心计数器提供一个溢出中断（TOF），并给每个通道提供一个通道事件中断（CHnF）。

本文采用的PWM信号高电平脉宽固定为100ms，脉宽时间周期取决于所表示的数据。由于一个时间周期表示4bit的数据，因此需要16种不同的时间周期才能完整表示所有的4bit数据。采用200ms的时间周期表示二进制数据0000，而数据1111则由1700ms的时间周期来表示。

脉宽调制信号的软件实现：首先输出管脚初始化状态为低电平，将TPM2和TPM3初始设置为定时100ms。当TPM2计数溢出时，输出管脚跳变为高电平，关闭TPM2定时，同时启动TPM3定时。当TPM3计数溢出时，对TPM3的溢出次数计数，输出管脚跳变为低电平，然后判断溢出次数的计数值是否与待发送的数据值相等，如果相等，则关闭TPM3定时，同时启动TPM2定时。否则，继续TPM3定时。图5是该程序的流程图。

图5 软件流程图

4 井下数据传输实验

在实验室中，将发射模块与接收模块距离20m放置，发射天线和接收天线在同一水平线上水平放置。发射模块重复发射原始数据0123、4567、789a、bcde、ffff、0044共计100次，接收端都能准确接收到数据。实验还发现，将两个天线保持一定的夹角放置，对信号的影响不大。

图6 实验框图

为验证无线短传模块在井下泥浆环境的数据传输情况，特别在水中进行了数据传输实验。特别选择了杂质较多、水质较浑浊的一处湖水进行实验，将发射天线和接收天线置于水面之下20cm放置，发射天线和接收天线通过较长的信号线分别连接发射模块和接收模块。重复发射上述数据供100次，仅有一次未接收到数据，其余均接收无误。

实验表明，无线短传模块在空气和水中能够实现数据传输，介质对数据传输的影响非常小。由于设计的传输距离为20m，因此该无线短传模块符合数据传输距离的要求，而且具有较低的功耗。

5 结语

本文从低功耗设计的角度出发，采用脉宽时间调制信号来驱动井下短距离无线传输模块功放电路，能够在供电量有限的条件下，功放电路的发射功耗不超过1W，从而确保井下持续200小时左右正常地发射信号。相对于通过改变高电平时间长度的PWM信号，这里采用的固定高电平时间长度而改变低电平时间长度的PWM信号能够更好地降低功放电路的发射功耗。经过实验验证，无线短传模块能够实现了井下20m无线数据的准确传输。

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［3］李刚.飞思卡尔8位单片机实用教程［M］.北京：电子工业出版社，2009

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