CN105443116A - 一种井下仪器与地面数据互通的方法及电路 - Google Patents

Abstract

<b>本发明公开了一种井下仪器与地面数据互通的方法及电路。本发明利用电源数据总线进行数字信号传输；通过发送接收信号选择开关确保发送电路和接收电路任何时候只有一路挂接在电源数据总线上，以避免系统电路中阻容元件对信号造成较大衰减；同时采用两位二进制编码替代现有的曼切斯特编码以提高通讯效率。本发明由于采用了两位二进制编码的技术方案，可以将载波电平幅值降低至现有电平幅值的1/2～1/4。本发明可确保电平在10000M的长度范围内衰减幅值小于载波初始值的20%。并在一定带宽范围内可以连续发送数据而不需要额外恢复时间，实现了128bit以上的连续不间断编码数据长距离可靠传送。达到了理想的效果。</b>

Description

一种井下仪器与地面数据互通的方法及电路

技术领域

本发明涉及一种井下仪器与地面数据互通的方法及电路，属于油田井下与地面数据互通技术领域。

背景技术

井下仪器与地面的数据通讯通常采用为井下仪器提供电源的单芯铠装电缆完成，具体方法是将包含有数据信息的载波信号加载到单芯铠装电缆的芯线上，由单芯铠装电缆同时完成井下仪器的供电和数据传送任务。但单芯铠装电缆受分布电容和分布电阻等参数的影响，电缆可用带宽很窄，长期以来一直是导致大量测井信息无法及时传送，影响测井速度的瓶颈。

目前国内剩余油气资源40%以上分布在5000米以下的深部地层，近年来中石油新发现11个大型油气田平均井深超过6000米。随着井深的不断增加，上述影响愈加突出。

为了解决数据信号在井下长距离传输的问题，本领域技术人员一直在不懈努力，有些通过提高载波电平的方法以解决数据长距离传输的问题，但过大的载波电压会造成井下仪器电源输入波动大，井下二次电源要求适应的输入电压范围会很宽，造成成本增加和设计难度加大。另外，目前测井常用的通讯编码曼切斯特编码通讯数据位长度一般不超过20bit，载波电压幅度大意味着线路上波动的消耗电流大，总线电流波动直接影响供电线路的相对电压平衡回路。电源与数据线复用依据加载在总线的正负脉冲进行信号传递，长帧数据的连续传送会造成总线电平偏向一个方向，传输到地面的信号会畸变越厉害，这也是目前长距离通讯受到频带限制的主要原因。还有一点是国内外单芯铠装电缆通讯采用较大载波电压的主要原因是信号幅值在总线上衰减太大，使用传统的载波方法，±20V载波电压通过6000m以上的电缆从井下传输到地面后，幅值不到0.2V，而单芯总线在供电电压超过100V以上时，纹波电压都在0.2V以上，因此数据信号已经被噪声淹没，很难解析出数据。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种井下仪器与地面数据互通的方法及电路，以解决传输信息量大和传输距离长与单芯铠装电缆可用带宽窄的矛盾，既能确保井下仪器的供电稳定性，又能确保井下与地面之间的通讯可靠性，从而克服现有技术的不足。

本发明的技术方案是这样构成的：

本发明的一种井下仪器与地面数据互通的方法为，该方法利用电源数据总线进行数字信号传输；通过发送接收信号选择开关确保发送电路和接收电路任何时候只有一路挂接在电源数据总线上，以避免系统电路中阻容元件对信号造成较大衰减；同时采用两位二进制编码替代现有的曼切斯特编码以提高通讯效率。

前述方法中，所述电源数据总线采用为井下仪器提供电源的单芯铠装电缆。

前述方法中，所述两位二进制编码根据井下仪器采集的模拟信号由微处理器进行编译；包括00、01、10、11四个二进制数，分别与-5.0V、-2.5V、+2.5V、5.0V四种电平对应。

前述方法中，所述发送电路包括双单稳电路、信号放大电路和功率驱动电路；功率驱动电路采用高增益MOS管组成对管驱动，替代现有常规电路中的达林顿管或高电压晶体三极管驱动。

前述方法中，所述接收电路包括信号滤波放大器、正脉冲比较器、负脉冲比较器和RS触发器；其中信号滤波放大器采用具有高速跟踪信号变化趋势的自适应电路，并进行相应放大，从而实现可靠通讯。

按上述方法构成的本发明的一种井下仪器与地面数据互通的电路为，该电路包括发送接收信号选择开关，发送接收信号选择开关的输出端经过压保护电路与电源数据总线连接；发送接收信号选择开关的一路经发送电路与微处理器连接；发送接收信号选择开关的另一路经接收电路与微处理器连接。

前述电路中，所述电源数据总线是为井下仪器提供电源的单芯铠装电缆。

前述电路中，所述发送电路包括与微处理器连接的双单稳电路，双单稳电路与信号放大电路连接，信号放大电路与功率驱动电路连接；功率驱动电路为高增益MOS管构成的对管驱动电路。

前述电路中，所述接收电路包括与发送接收信号选择开关连接的信号滤波放大器，信号滤波放大器分别与正脉冲比较器和负脉冲比较器连接，正脉冲比较器和负脉冲比较器分别与RS触发器连接，RS触发器与微处理器连接。

由于采用了上述技术方案，本发明与现有技术相比，本发明由于采用了两位二进制编码的技术方案，可以将载波电平幅值降低至现有电平幅值的1/2～1/4。本发明通过发送接收信号选择开关确保发送电路和接收电路任何时候只有一路挂接在电源数据总线上，以避免系统电路中阻容元件对信号造成较大衰减；可确保电平在10000M的长度范围内衰减幅值小于载波初始值的20%。并在一定带宽范围内可以连续发送数据而不需要额外恢复时间，实现128bit以上的连续不间断编码数据长距离可靠传送。达到了理想的效果。

附图说明

图1是本发明的电路框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明，但不作为对本发明的任何限制。

本发明的一种井下仪器与地面数据互通的方法，如图1所示，该方法利用电源数据总线进行数字信号传输；通过发送接收信号选择开关确保发送电路和接收电路任何时候只有一路挂接在电源数据总线上，以避免系统电路中阻容元件对信号造成较大衰减；电源数据总线采用为井下仪器提供电源的单芯铠装电缆。发送电路包括双单稳电路、信号放大电路和功率驱动电路；功率驱动电路采用高增益MOS管组成对管驱动，替代现有常规电路中的达林顿管或高电压晶体三极管驱动。接收电路包括信号滤波放大器、正脉冲比较器、负脉冲比较器和RS触发器；其中信号滤波放大器采用具有高速跟踪信号变化趋势的自适应电路，并进行相应放大，从而实现可靠通讯。同时采用两位二进制编码替代现有的曼切斯特编码以提高通讯效率。两位二进制编码根据井下仪器采集的模拟信号由微处理器进行编译；包括00、01、10、11四个二进制数，分别与-5.0V、-2.5V、+2.5V、5.0V四种电平对应。

按上述方法构成的本发明的一种井下仪器与地面数据互通的电路，如图1所示，该电路包括发送接收信号选择开关，发送接收信号选择开关的输出端经过压保护电路与电源数据总线连接；电源数据总线是为井下仪器提供电源的单芯铠装电缆。发送接收信号选择开关的一路经发送电路与微处理器连接；发送接收信号选择开关的另一路经接收电路与微处理器连接。发送电路包括与微处理器连接的双单稳电路，双单稳电路与信号放大电路连接，信号放大电路与功率驱动电路连接；功率驱动电路为高增益MOS管构成的对管驱动电路。接收电路包括与发送接收信号选择开关连接的信号滤波放大器，信号滤波放大器分别与正脉冲比较器和负脉冲比较器连接，正脉冲比较器和负脉冲比较器分别与RS触发器连接，RS触发器与微处理器连接。

本发明实施例中所采用的发送接收信号选择开关、过压保护电路、电源数据总线连接、双单稳电路、信号放大电路、功率驱动电路、信号滤波放大器、正脉冲比较器、负脉冲比较器、RS触发器、微处理器均采用现有技术中的成品模块进行连接。

实施例

本例的电路框图如图1所示，整个电路系统的工作流程为：微处理器将数据信号进行数据编码，按照二进制00、01、10、11进行四种电平编码，分别对应电平-5.0V、-2.5V、+2.5V、5.0V，通过双单稳电路隔离后，再控制可编程信号放大器控制相应的电平幅度，再通过功率驱动电路将信号上传到复用的电源数据总线上，从而完成井下仪器数据信号到地面信号的传送。发送完信号后，切换到信号接收电路，对地面发送到井下的指令信号进行滤波放大处理，再通过正负脉冲比较器将信号传到RS触发器还原成地面的数字信号。

本例的主要改进点如下：

1、使用发送和接收信号选择开关，发送和接收电路任何时候只有一路挂接在总线上，可避免系统电路中阻容元件对信号引起大的衰减。现有国内外广泛使用电路实测证明，井下发送信号时，如井下接收电路和地面的发送、接收信号都挂接在一起，信号衰减幅度在没有电缆阻容参数影响的情况下达到80%。

2、将数字信号分成多种电平进行预先编成，按照二进制00、01、10、11进行四种电平编码，分别对应电平-5.0V、-2.5V、+2.5V、5.0V。目前国内通用的曼切斯特编码是正负电平脉冲代表数字信号的1和0，标准格式是数值为1时依次发送的电平为正脉冲、零电平、负脉冲、零电平；数值为0时依次发送的电平为负脉冲、零电平、正脉冲、零电平。从以上对比可以看出，编码后通讯效率可以提高8倍，专利的创新点是一个电平代表2位二进制数，而曼切斯特编码需要四个变化电平才能代表1个二进制数。

3、功率驱动电路采用高增益MOS管组成对管驱动，现常用电路是采用达林顿管或高电压晶体三极管驱动，其缺点是阻抗没有MOS管有优势，信号幅度上升下降陡峭度较差，总线需要电平稳定时间长。

4、信号滤波放大器采用现有的设有自适应电路的信号滤波放大器，随着井下仪器下井深度的变化，其上传或下发的信号幅度会跟随电缆长度及下井速度发生变化，同时作为用电源线进行数据传输的信号线，由于井下仪器带有电动机等可变负载，噪声难免存在，自适应电路是高速跟踪信号的变化趋势，根据发送和接收数据信号的频率特征进行检波，并进行相应的放大，从而实现可靠通讯。

由于上述改进，取得了以下有益效果：

1、载波信号幅度小。±5V以下的载波电压就能满足10000以内的单芯高速通讯，国内最深油井不超过7000m。国内外的测井仪器通讯采用的总线载波电平幅度都在±10V以上，为满足长距离通讯甚至达到±20V以上的电压波动幅值。单芯铠装电缆芯线除执行信号传输功能，还为井下仪器提供电源通道，过大的载波电压会造成井下仪器电源输入波动大，井下二次电源要求适应的输入电压范围会很宽，造成成本增加和设计难度加大。本电路能采用较小的载波电压幅值达到理想的效果，是现有电平幅值的1/2～1/4。

2、连续数据帧长度宽。测井常用的通讯编码曼切斯特编码通讯数据位长度一般不超过20bit，载波电压幅度大意味着线路上波动的消耗电流大，总线电流波动直接影响供电线路的相对电压平衡回路。电源与数据线复用依据加载在总线的正负脉冲进行信号传递，长帧数据的连续传送会造成总线电平偏向一个方向，传输到地面的信号会畸变越厉害，这也是目前长距离通讯受到频带限制的主要原因。本电路在发送载波信号的每个数据位间隙就能恢复总线电平的平衡，在一定带宽范围内可以连续发送数据而不需要额外恢复时间，本电路已经实现了128bit以上的连续不间断编码数据长距离可靠传送。

3、信号幅值衰减小。国内外单芯铠装电缆通讯采用较大载波电压的主要原因是信号幅值在总线上衰减太大，使用传统的载波方法，±20V载波电压通过6000m以上的电缆从井下传输到地面后，幅值不到0.2V，而单芯总线在供电电压超过100V以上时，纹波电压都在0.2V以上，因此数据信号已经被噪声淹没，很难解析出数据。本电路的优势在于通过10000m的电缆信号衰减幅值小于载波初始值的20%。再进行数据上传时，发送接收信号选择开关切换到数据发送段，数据发送完成后再切换到数据接收端接口。

本发明中未特别说明的电路均采用本领域相应的典型电路。

Claims (9)

1.一种井下仪器与地面数据互通的方法，该方法利用电源数据总线进行数字信号传输；其特征在于：通过发送接收信号选择开关确保发送电路和接收电路任何时候只有一路挂接在电源数据总线上，以避免系统电路中阻容元件对信号造成较大衰减；同时采用两位二进制编码替代现有的曼切斯特编码以提高通讯效率。

2.根据权利要求1所述井下仪器与地面数据互通的方法，其特征在于：所述电源数据总线采用为井下仪器提供电源的单芯铠装电缆。

3.根据权利要求1所述井下仪器与地面数据互通的方法，其特征在于：所述两位二进制编码根据井下仪器采集的模拟信号由微处理器进行编译；包括00、01、10、11四个二进制数，分别与-5.0V、-2.5V、+2.5V、5.0V四种电平对应。

4.根据权利要求1所述井下仪器与地面数据互通的方法，其特征在于：所述发送电路包括双单稳电路、信号放大电路和功率驱动电路；功率驱动电路采用高增益MOS管组成对管驱动，替代现有常规电路中的达林顿管或高电压晶体三极管驱动。

5.根据权利要求1所述井下仪器与地面数据互通的方法，其特征在于：所述接收电路包括信号滤波放大器、正脉冲比较器、负脉冲比较器和RS触发器；其中信号滤波放大器采用具有高速跟踪信号变化趋势的自适应电路，并进行相应放大，从而实现可靠通讯。

6.一种按权利要求1-5任一权利要求所述方法构成的井下仪器与地面数据互通的电路，包括发送接收信号选择开关，其特征在于：发送接收信号选择开关的输出端经过压保护电路与电源数据总线连接；发送接收信号选择开关的一路经发送电路与微处理器连接；发送接收信号选择开关的另一路经接收电路与微处理器连接。

7.根据权利要求6所述井下仪器与地面数据互通的电路，其特征在于：所述电源数据总线是为井下仪器提供电源的单芯铠装电缆。

8.根据权利要求6所述井下仪器与地面数据互通的电路，其特征在于：所述发送电路包括与微处理器连接的双单稳电路，双单稳电路与信号放大电路连接，信号放大电路与功率驱动电路连接；功率驱动电路为高增益MOS管构成的对管驱动电路。

9.根据权利要求6所述井下仪器与地面数据互通的电路，其特征在于：所述接收电路包括与发送接收信号选择开关连接的信号滤波放大器，信号滤波放大器分别与正脉冲比较器和负脉冲比较器连接，正脉冲比较器和负脉冲比较器分别与RS触发器连接，RS触发器与微处理器连接。