基于MSP430的低功耗无线磁记号系统设计及应用

谢 刚 李江博 孙庚寅

(中国石油集团测井有限公司长庆事业部 陕西 西安 710201)



·开发设计·

基于MSP430的低功耗无线磁记号系统设计及应用

谢 刚 李江博 孙庚寅

(中国石油集团测井有限公司长庆事业部 陕西 西安 710201)

传统磁记号深度系统存在精度低、故障高等问题。设计了一种基于MSP430的低功耗无线磁记号系统，通过软硬件的信号处理，实现测井深度的高精度无线测量。实际应用及对比分析表明，该系统可以有效减少现场故障，极大提高精度、测井时效和深度测量设备的可靠性。

磁记号；低功耗； 深度测量；无线测量

0 引 言

磁记号是油气井测井中非常重要的信号之一[1]，它是标定在测井电缆钢丝铠装层上的、用于标注测井深度的磁性记号，是测井解释中把测井深度转化为实际深度的重要依据。通常使用马丁代克或者井口马达作为深度的测井设备，都会存在测量误差，无法达到规定允许的深度误差指标，磁记号作为深度标准可以很好地满足测井要求[2]。以往的井口信号测量采用有线测量方式，然而由于井口到绞车面板或者测井仪器的距离远而导致干扰大、测量精度低且联线繁琐，并且由于井场过往的机械较多，会经常发生测量线缆发生断线故障，对实现安全可靠的深度测量造成了一定的影响[3]。本文设计了一种基于MSP430的低功耗无线磁记号系统，将采集系统安装在井口直接对信号进行测量，采集结果通过无线数传模块发射至接收模块，信号处理后送至绞车面板或者其它测井仪器，可以有效减少断线故障，简化测量设备的安装，极大提高了深度测量的安全可靠性。

1 原理简述

无线磁记号是用于油气井测井时检测电缆上固有的磁信号，并以无线的方式传输回连接接收模块的绞车面板或者测井仪器的一种设备。无线磁记号由发射和接收两部分组成，采集发射部分安装在井口，将检测到的电缆上的深度磁记号信号以无线调频数字方式发射。接收部分接收到井口发来的信号，经过解调处理接收到的磁记号信号，最后输出至与其连接的绞车面板或者测井仪器。

图1为发射和接收两部分之间通信的数据格式，其中每帧数据包含以上 5 道数据，每道数据有11位，其中1位起始位、1位结束位、8位数据位及1位校验位，因此每帧数据总共55位。为了保证传输的可靠性，每帧数据发送两次，则每帧数据需要发送110位。本设计的系统采用9 600 bps的传输速率。

图1 数据格式

本系统采用MSP430F147处理器通过3线式SPI兼容接口数据传输模式和高速A/D芯片进行通信。CN是芯片的选片引脚，低电平有效。当为低电平时，可以和SPI接口进行通信，锁定数据；当为高电平时，A/D转换输出。CLK是同步时钟信号，在同步时钟时进行数据的写入。此外，由于野外测井一般需要十几个小时，因此在设计系统时应该充分保证测量系统的工作时间，这个要求可以通过采用大容量电池和降低系统功耗来实现[4]。

2 系统设计

无线磁记号系统主要包括三部分：发射模块、接收模块和电源模块。发射模块和接收模块均采用TI公司的MSP430作为微处理器，其具有处理能力强、运算速度快及功耗超低等优点；此外，发射模块和接收模块之间的通信采用了HAC-UM微功率无线数传模块来实现。

2.1 发射模块

图2为发射模块的原理框图。发射模块需要采集经过井口的磁记号信息，对其滤波及放大后通过A/D芯片将其转换为数字信号，数据送入微处理器芯片MSP430后将其整理成图1格式的数据包，最后通过微功率无线数传模块将数据包进行无线传输。

图2 发射模块原理框图

由于磁记号信号是正负变化的交流信号，因此该模块采用了双电源供电的AD620仪表放大器。该放大器具有高精度、低失调电压、低失调漂移、低噪声、低输入偏置电流和低功耗特性等特性，非常满足本系统的设计要求。此外，由于在采集磁记号的同时还需要实时了解电池电量信息，因此在本模块中还增添了电池电量的采集部分。该部分是通过电阻分压方式将14 V～16.8 V的电池电压降到0.46 V～0.55 V之间，之后通过MSP430自带的A/D通道进行采集。发射模块的程序设计流程图如图3所示。

图3 发射模块的程序设计流程图

系统上电后，单片机进入初始化状态，进行各个端口的配置，配置完成后方可进入正常的工作状态。本系统用到1路SPI通道，1路UART通道，1路片内A/D通道，1路状态灯。

2.2 接收模块

当发射模块有磁记号信息发射时，接收模块会通过无线数传模块接收该信号并对其解调，然后通过串口将其传送至低功耗微处理器MSP430进行处理，图4为接收模块的原理框图。为了方便将该磁记号信息传送至绞车面板或者其他测井仪器配套使用，需将该数据经过D/A转换、电平转换及滤波等处理，并制作成专用的输出接口。

图4 接收模块原理框图

为了降低接收模块的系统功耗，D/A转换部分采用了TI公司的DAC7612双通道串行数模转换芯片。该芯片具有两个DAC通道，与微处理器之间采用三线串行通信，供电电源为5 V，功耗仅为3.7 mW。为了方便与后续设备连接，D/A转换之后需要经过电平转换及滤波，转换后的输出电压范围为±2.5 V，接收模块的程序设计流程图如图5所示。

图5 接收模块的程序设计流程图

2.3 电源模块

电源模块为发射模块和接收模块的正常工作提供了电力保障，本系统采用16.8 V的锂电池作为供电电源。经过不同的电压转换后，该电池需要为微处理器MSP430提供3.3 V的工作电压，以及为DAC7612提供5V的工作电压；此外，用于放大磁记号信号的AD620需要双电源供电，因此还需要特定的电压转换后产生±5 V的工作电压。

为了保证测井数据的可靠性，在发射模块中和接收模块中均设有电池电压的检测功能。 电池电压的正常范围为14 V～16.8 V，当低于14 V时，电池电量不足，信号灯进行闪烁提示，提醒用户更换电池或者充电，一般充电时间在8 h～10 h左右；当低于13.5 V时，认为此时接收的数据无效。

3 线圈探头的设计

磁记号的线圈探头是本设计中的关键之一，也是难点之一。由于测井铠装电缆厂家不同，批次不同，使用的新旧程度不同，每次注磁的强度也不同，导致测井电缆上的留磁大小差别悬殊，最小的2 Gs，最强的可达470 Gs。想兼容这么大的范围，并且要精确测量，给设计带来了非常大的困难。根据法拉第电磁感应原理：

(1)

当线圈为n匝时，

(2)

ΦδRΔ+∑Hili=NI

(3)

式(3)中，∑Hili为磁场源与铁芯之间的磁压降之和，但一般工程中取1.25。

又根据螺线管外部气隙磁导有：

(4)

代入并简化得：

(5)

(6)

根据实际需要，选0.06 mm漆包线，铁芯直径为25 mm，磁场强度为2 Gs时：

EN=62

当有效电压为0.001 V时，匝数不得小于62 000圈，这时轴截面面积为311 mm2

根据机械设计，线圈最大占有空间为：

刚好满足我们的设计要求。根据实际测试，线圈匝数调整为68 000圈为宜。

根据(4)式，为了减少磁损，我们采用高导磁率的波莫合金作为铁芯材料，已达到最佳设计值。

4 实验结果

本文研制的无线磁记号系统的实物如图6所示，经过全天候现场测试后得到该系统的具体技术指标如下：

调制方式：FSK；

有效传输范围≤ 300 m；

频率范围：429.00 MHz～433.30 MHz；

频率稳定度≤ 1.5PPM；

通信速率：9 600 bps；

发射功率：10 mW。

图6 研制的无线磁记号系统实物图

当通讯速率为9 600 bps时，每秒发送次数=9 600/110≈87，当采样率为5点/s时，最大测速为：87/5×3 600= 62 640 ( m/ h)，足以满足所有测井项目对磁记号的采样率要求。此外，由于本系统使用了电压为16.8 V的大容量锂电池(2 200 mAh)作为供电电源，经过测试后整个系统可以连续工作约72 h，足以满足正常的测试应用。

经过现场以不同的速度进行实验，对比结果如6图所示。测量出的磁记号尖峰明显，抗干扰能力强，记号无迟滞，尤其在速度较慢情况下优于常规信号测量。

图6 有线和无线磁记号测量结果对比图

5 结束语

本文设计了一种基于MSP430的低功耗无线磁记号系统，该系统采用了无线方式，极大地方便了测井野外作业，并消除了有线连接方式各环节造成的故障，降低了劳动强度，提高了测试的可靠性，适用于石油测井施工现场使用。

[1] 周德明.3700测井系统加测磁记号[J].石油仪器，2002，16(4): 47-48.

[2] 徐 琪，朱广东.井口信号无线数传系统[J].华北工学院测试技术学报,2002,16(1): 67-69.

[3] 柯 涛.自动深度磁记号系统[J].石油仪器，2001，15(2): 16-18.

[4] 靳 娟，叶献方，肖海霞，等.测井电缆注磁标定测控系统设计[J].测井技术，2010，34(1): 88-90.

《石油管材与仪器》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

谢 刚，男，1980年生，硕士，工程师，2005年毕业于中国石油大学(华东)控制理论与控制工程专业，现从事测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 编辑：姜 婷)