短距电磁脉冲无线数字传输系统设计

徐彦凯，双 凯，曲晓霞

（1中国石油大学（北京）信息学院电子系，北京102249；2山西省兴县教师进修校山西吕梁033600）

欠平衡钻井能提高钻井的机械钻速，提高钻头使用寿命，可防止压差卡钻和减少井眼循环漏失，提高产量，减少地层损害。但是欠平衡钻井成本高，存在不安全隐患，且地层压力是决定是否欠平衡，欠多少的重要因素之一。为避免负压条件丧失后油气层受到伤害及安全作业，及时获取和监测地层压力等作业参数就显得尤其重要[1-2]。

但由于测量点离钻头较远而无法获取近钻头处的信息。因此，人们一直在寻求解决测量点滞后钻头的方法，其中的一种方法是采用近钻头测量系统测量近钻头参数，然后由近钻头信号传输系统传输给远钻头端的有线随钻测量（MWD）系统，再由MWD将接收的数据传输至地面。近钻头信号传输系统的实现是这种方法的关键[3]。目前近钻头信息短距离传输的方法有电缆、声学和电磁波。电缆传输需要在钻具上打孔或开槽埋设电缆或设计专门的钻具，前者安全性较低，后者成本高。声传输时油气井会产生强大的气噪声，对声波传输的干扰很大，且传输的信息量很小。电磁波信号传输性能受周围地层介质的电阻率影响大，且信号衰减快，功耗高。本文采用电磁脉冲[4]为数据载体，设计了欠平衡钻井的短距无线通信系统，该系统具有传输速率高，且接收信号不受井下介质影响，整体系统功耗低的优点。文中主要介绍了无线通信系统及发送和接收的各组成部分。

1 电磁脉冲无线传输系统框架

该欠平衡钻井中短距电磁脉冲无线数字传输系统由电磁脉冲发送部分与电磁脉冲接收部分组成，其中电磁脉冲发送部分包括信源编码电路和电磁脉冲发送电路；电磁脉冲接收部分包括接收线圈、前端调理电路、AD转换电路、接收滤波器、整流抽样判决器、数据校验器以及存储器。井下数字通信系统的结构如图1所示。

图1 井下数字通信系统结构图

井下数字通信系统的工作过程为井下压力传感器采集的信号经过编码器编码；以帧结构的异步通信方式将编码信号送入电磁脉冲发送器，转换为高频电磁脉冲信号；电磁脉冲信号通过油气井下钻具传输到接收线圈；接收线圈接收该电磁脉冲信号并将其转化为电压信号；经过前端调理电路尽量抑制噪声并放大；对处理后的信号进行高速高精度AD转换；由FIR匹配滤波器对该信号作相关，整流，抽样判决；恢复井下温度压力信号并进行CRC数据校验，若校验无误则解码并存储该数据。

2 系统设计和实验

在确定系统框架的基础上，设计了系统中的各部分，并进行了相关的验证。

2.1 电磁脉冲发送电路

电磁脉冲发送电路是将数字序列转换成高压电脉冲，考虑到井下只能采用电池，用可控硅电子开关的通断在电感上产生瞬间高压脉冲，如图2所示。

图2 可控硅电子开关产生电磁脉冲原理图

2.2 前端调理电路

由于接收端有用信号的幅度较小，完全淹没在噪声中，为了降低噪声，信号的前端调理电路拟采用差分放大结构，该结构电路可以有效抑制输入噪声，并可放大输入的小信号[5]。

2.3 AD采样电路

由于接收的信号是宽带的窄脉冲信号，需要采样频率高，AD采样单元选用模数转换芯片AD7476[6]。AD7476是高速（采样速率为1 MHz）、低功耗（36 mW Typ）的12位串行AD转换器。该芯片体积和功耗都很小，与FPGA的硬件接口电路很简单，芯片采用2.35 V to 4.25 V的VDD单电源供电。AD7476的模数转换时序如图3（a）所示。由时序图为依据，采用Verilog HDL语言编程实现，在QuartusII8.1开发平台上编译、综合、仿真波形如图3（b）所示，设计了FPGA和AD7476的接口功能[7-9]。

2.4 接收滤波器

为了获得最小误码率，接收滤波器采用了匹配滤波器[10-11]，其单位冲击响应h（t），与接收端输入信号s（t）的关系为：

对（2）式并离散化，得到数字匹配滤波器为：

式（3）表明，设计的匹配滤波器为n阶FIR数字滤波器。

输入输出信号的差分方程为：

式中hi为滤波系数，x（n）为输入信号，

经推导得：

图3 AD7476时序图和波形仿真图

由于AD转换采用串行输入，首先将串行数据转换为并行数据，再由（4）得到分布式算法的n阶FIR滤波器的FPGA结构示意如图4所示。

图4 分布式算法的N阶FIR滤波器的FPGA结构示意图

根据有符号数DA算法对h（n）合理分段，对每段设计查找表，并在FPGA[12-15]上实现了50阶FIR滤波器，匹配滤波器的电路顶层设计如图5所示。

图5中主要由3个fir16模块、1个fir2模块、3个数据格式转换模块和2个加法器模块组成。其中fir16为16阶滤波器，fir2为2阶滤波器滤波器，根据接受到的信号已经设计的滤波器系数存放到对应的查找表中。

为了验证滤波器设计的正确与否我们将如图6（CH1）所示井下实际接收的位元信号通过设计的FPGA匹配滤波器滤波，输出结果如图6（CH2）所示。显然，经过处理的信号较直接接收信号的信噪比提高了5 dB。

2.5 CRC校验

为了保证通信的可靠性，该传输系统设计了循环校验码（Cyclic Redundancy Check码）的校验电路，本设计选用CRC16-CCITT型码字，根据CRC的设计规则，基于FPGA设计了发送CRC校验模块和接收CRC校验模块。

2.6 高温数据存储

井下测量数据需要存储在井下存储器中，仪器提升到地面后，通过通讯模块将存储器中的数据读出，因此需要大存储量的芯片，另外考虑井下为高温环境，数据存储系统拟选用ALTER公司的工作最高温度为135℃的16 Mbits高容量存储芯片EPCS16。EPCS16的读写实现原理相同，下面以读实现为例，EPCS16读时序如图7（a）所示。

由EPCS16的读时序为依据，设计了EPCS读操作。存储在EPCS的数据为“10110001”，图7（b）为读数据仿真，波形表明，基于FPGA的存储器的读功能正确。

2.7 主控单元

图5 FPGA实现匹配滤波器的顶层设计

图6 接收线圈接收的信号（CH1）和匹配滤波器输出（CH2）

主控单元采用SOPC技术[16-19]，SOPC主控框架如图8所示，控制发送、接收、校验、存储、与上位机通信。主处理器采用ALTERA公司的32位NIOS处理器软核，系统总线采用AVALON总线，外围扩展：AD接口、自定义匹配滤波模块，抽样判决模块、CRC校验模块，EPCS数据存储，控制发送接收PIO、与上位机的UART串行通讯。

由于井下无线数据传输是点对点的通信，采用的通信流程为：1）发送端发送测试数据，接收端处于接收状态测试数据正确后通知发送方数据链路建立。2）发送方发送一帧数据，接收方接收数据并校验。3）发送方接收，接收方发送反馈信号。4）由发送方接收到的反馈信号决定数据重发或下一帧数据。5）发送方或接收方需通信中断，则通信结束。

图7 EPCS16的读时序和仿真波形

图8 SOPC主控框架图

3 结束语

短距电磁脉冲无线数字传输是以油气井下的钻井钻具为媒介来传输电磁脉冲信号的方法，设计的电磁脉冲无线数字传输系统以SOPC为核心，实现了欠平衡钻井中短距无线数据采集、传输、接收、存储功能，现场实验表明：该系统具有传输速率高达200 bit/s，且整体系统功耗低的优点。