CN109450558A - 一种井下地面抗干扰远距离通信方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种井下地面抗干扰远距离通信方法，采用对电流环的电流幅度进行编码调制，将井下仪表和地面设备间的通讯协议帧进行编码并调制到不同的电流幅度上，实现井下和地面的通信；同时采用2级差错校验，确保数据解调时对每个电流幅度所对应的编码进行校验，而且组帧恢复数据时对整个数据帧也进行差错校验，保证了井下和地面通信数据的完整性和正确性；此外，电流环路具有干扰检测功能，通过检测干扰的特征频率，在数据采样时，自动调整相应的数字滤波器参数，在解调前滤除干扰。
Description
技术领域
本发明涉及一种井下地面抗干扰远距离通信方法。
背景技术
如图1所示，常用的井下与地面通信方式，井下仪表如井下压力计、测井仪表或设备等，与地面设备间的数据通信，通常存在2个问题需要解决：
1.干扰的问题，当井下存在电泵等大功率动力设备时，由于井下仪表和地面设备间的通信电缆和动力电缆平行走线并且靠得很近，甚至就在同一根电缆中，因此井下仪表和地面设备间的通信很容易受到干扰的影响，而导致通信不稳定甚至通信中断，井下仪表和地面设备失联；
2.通信距离问题，随着油气井井深的不断加大，通信电缆的分布电容也不断加大，分布电容的增大会严重限制通信电缆的带宽，导致常规的数字通信或者采用较高载波频率调制的通信方式的通信速率严重受限甚至无法通信。
由于电流环对于干扰噪声不敏感，也不受通信电缆分布电容的影响，以电流为载体来进行数据传输可以有效地解决上述的两个问题，实现在恶劣工业环境下的可靠传输。但是常规的4～20mA电流环只能实现单参数单向的数据传输，无法满足多参数、双向数据通信的需求。，基于4～20mA的HART协议虽然解决了多参数、双向数据通信的问题，但是由于调制载波频率很低且调制幅度很小，通信速率和通信距离都受限，无法满足深井井下仪表及地面设备间的双向多参数通信的需求。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种对电流环的电流幅度进行编码调制，将井下仪表和地面设备间的通讯协议帧进行编码并调制到不同的电流幅度上，实现井下和地面的通信的井下地面抗干扰远距离通信方法。
实现本发明的技术方案如下
一种井下地面抗干扰远距离通信方法，包括如下步骤，
步骤一，对电流环的电流幅度进行编码调制，即将一段区间内的电流幅度分成若干等份，将若干等份的电流幅度进行6位二进制编码；
步骤二，对井下仪表和地面设备间的通讯协议帧进行编码并调制到不同的电流幅度上；井下与地面之间的通信帧有n个字节组成，其中最后2个字节为每一帧的CRC校验字节，用于进行该帧的差错校验；将上述电流幅度进行编码调制输出，步骤如下：
S1，将通信帧的每个字节拆分为高半字节与低半字节，各4位；
S2，在各个半字节后面添加1位标志位，“1”表示该半字节是高半字节，“0”表示该半字节是低半字节；
S3，再增加奇偶校验位，构成6个比特的半字节传输编码；
步骤三，电流环上的驱动输出，先输出一个标志电流，表示每个半字节编码电流输出的开始，后面紧跟着输出上述的高半字节编码对应的电流值，再输出该标志电流，再输出低半字节编码对应的电流值；如此循环往复，直至整个一帧全部传输完成，以实现井下与地面的通信。
上述电流输出的方式变化，即选用一个定电流值作为单个字节开始的标志电流，后面连续输出高半字节和低半字节对应的电流值。
电流输出的方式变化，高半字节与低半字节的编码只增加1位奇偶校验bit，即5位编码；
先输出一个电流值作为标志电流，表示为高半字节编码电流输出的开始，后面紧跟着输出上述的高半字节编码对应的电流值，再输出另一电流值作为标志电流，表示为低半字节编码电流输出的开始，再输出低半字节编码对应的电流值；如此循环往复，直至整个一帧全部传输完成。
井下地面抗干扰远距离通信方法所使用的电流编码调制器，包括微处理器、DAC器件、ADC器件、采样电阻、电流环输入、电流环驱动及电流环输出，所述微处理器产生数据发送帧，其编码模块根据上面所述的编码方法将数据帧的每个字节进行编码，产生的编码送至DAC器件，
所述DAC器件输出电压驱动电流环输出产生数据帧对应的电流调制输出波形；
对端设备的电流环输入通过采样电阻转换为电压信号，输入至ADC器件，ADC器件采样转换为数字信号，送入微处理器内的数字滤波模块，再送入解调模块，将对应的数据帧恢复；
所述微处理器中有解调模块对每一个解调后的编码进行奇偶校验，如果校验有错则标记相关字节，可根据协议请对端重发；恢复完整数据帧后，对整个数据帧的CRC进行校验，如果校验有错则丢弃该帧，并可根据协议请求对端重发该数据帧。
井下与地面之间通信具有电流环干扰检测电路，包括干扰检测电流输出模块、干扰检测FFT及频谱分析模块，触发干扰检测模式时，干扰检测电流输出模块发出发送一个恒定幅度的电流值，并进入干扰检测FFT及频谱分析模块中进行FFT等频域转换及频谱分析，且调整接收端数字滤波模块的参数，以便在井下与地面的通信中将相应的干扰频率滤除后再进行解调。
采用了上述技术方案，本发明采用对电流环的电流幅度进行编码调制，将井下仪表和地面设备间的通讯协议帧进行编码并调制到不同的电流幅度上，实现井下和地面的通信；同时采用2级差错校验，确保数据解调时对每个电流幅度所对应的编码进行校验，而且组帧恢复数据时对整个数据帧也进行差错校验，保证了井下和地面通信数据的完整性和正确性；此外，电流环路具有干扰检测功能，通过检测干扰的特征频率，在数据采样时，自动调整相应的数字滤波器参数，在解调前滤除干扰。通过选用不同位数、不同速率的DAC、ADC器件，可以实现不同通信速率、不同编码位数的井下和地面间的通信。
附图说明
图1为常用的井下与地面通信方式连接示意图；
图2为本发明中电流幅度编码调制的图表；
图3为本发明采用3.8mA作为标志电流的电流输出图；
图4为本发明采用3.8mA、3.6mA分别作为标志电流的电流输出图；
图5为本发明中电流编码调制器的框图；
图6为本发明中井下与地面之间通信具有电流环干扰检测电路的框图；
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种井下地面抗干扰远距离通信方法，包括如下步骤，
将4～20mA(注：电流幅度范围可以自行定义配置)分成64等份(注：等分数可根据ADC/DAC位数的不同进行相应的配置)，即64个不同的电流幅度可进行6位二进制编码，其电流幅度及对应的二进制编码如下表所示，
井下与地面之间的通信帧有n个字节组成，其中最后2个字节为每一帧的CRC校验字节，用于进行该帧的差错校验。电流幅度编码调制输出的步骤如下：
1、通信帧的每个字节拆分为高半字节与低半字节，各4位；
2、在各个半字节后面添加1位标志位，“1”表示该半字节是高半字节，“0”表示该半字节是低半字节；
3、再增加奇偶校验位(图2中所示为偶校验)，构成6个比特的半字节传输编码，按照上述的幅度编码对应表，可以知道该编码对应输出的幅度电流。
电流环上的驱动输出如下图2所示，先输出3.8mA的标志电流，表示每个半字节编码电流输出的开始，后面紧跟着输出上述的高半字节编码对应的电流值，再输出3.8mA的标志电流，再输出低半字节编码对应的电流值；如此循环往复，直至整个一帧全部传输完成。
上述电流输出的方式可以稍作变化，即3.8mA作为单个字节开始的标志电流，后面连续输出高半字节和低半字节对应的电流值(如下图3所示)。
如下图4所示意，另一种变化方式是高半字节与低半字节的编码只增加1位奇偶校验bit，即5位编码。先输出3.8mA的标志电流，表示为高半字节编码电流输出的开始，后面紧跟着输出上述的高半字节编码对应的电流值，再输出3.6mA的标志电流，表示为低半字节编码电流输出的开始，再输出低半字节编码对应的电流值；如此循环往复，直至整个一帧全部传输完成。
井下仪表以及地面设备的电流编码调制解调的实现框图如图5所示，微处理器产生数据发送帧，其编码模块根据上面所述的编码方法将数据帧的每个字节进行编码，产生的编码送至DAC器件，DAC器件输出电压驱动电流环输出产生数据帧对应的电流调制输出波形。对端设备的电流环输入通过高精度采样电阻转换为电压信号，输入至ADC器件，ADC器件采样转换为数字信号，送入微处理器内的数字滤波模块，滤除干扰及噪声后，再送入解调模块，将对应的数据帧恢复。解调模块对每一个解调后的编码进行奇偶校验，如果校验有错则标记相关字节，可根据协议请对端重发；恢复完整数据帧后，对整个数据帧的CRC进行校验，如果校验有错则丢弃该帧，并可根据协议请求对端重发该数据帧。
两端设备(即井下与地面之间通信)还具有电流环路干扰检测功能，如图6所示。当进入干扰检测模式时，一端设备发送一个恒定幅度的电流值，另一端采样所接受到的信号，并进行FFT等频域转换及频谱分析。如果有幅度较强的干扰频率，则自动调整接收端数字滤波模块的参数，以便在井下与地面的通信中将相应的干扰频率滤除后再进行解调，进一步提升通信的稳定性和可靠性。
本发明利用了电流环抗干扰能力强、不受传输电缆分布电容影响的优点，通过电流幅度编码调制，实现了井下和地面设备间的多参数双向数据通信；同时采用2级差错校验编码，确保数据解调时对每个电流幅度所对应的编码进行校验，而且组帧恢复数据时对整个数据帧也进行差错校验，保证了井下和地面通信数据的完整性和正确性；此外，电流环路具有干扰检测功能，通过检测干扰的特征频率，在数据采样时，自动调整相应的数字滤波器参数，在解调前滤除干扰，进一步提升井下与地面通信的稳定性和可靠性。
Claims (5)
1.一种井下地面抗干扰远距离通信方法，其特征在于，包括如下步骤，
步骤一，对电流环的电流幅度进行编码调制，即将一段区间内的电流幅度分成若干等份，将若干等份的电流幅度进行6位二进制编码；
步骤二，对井下仪表和地面设备间的通讯协议帧进行编码并调制到不同的电流幅度上；井下与地面之间的通信帧有n个字节组成，其中最后2个字节为每一帧的CRC校验字节，用于进行该帧的差错校验；将上述电流幅度进行编码调制输出，步骤如下：
S1，将通信帧的每个字节拆分为高半字节与低半字节，各4位；
S2，在各个半字节后面添加1位标志位，“1”表示该半字节是高半字节，“0”表示该半字节是低半字节；
S3，再增加奇偶校验位，构成6个比特的半字节传输编码；
步骤三，电流环上的驱动输出，先输出一个标志电流，表示每个半字节编码电流输出的开始，后面紧跟着输出上述的高半字节编码对应的电流值，再输出该标志电流，再输出低半字节编码对应的电流值；如此循环往复，直至整个一帧全部传输完成，以实现井下与地面的通信。
2.如权利要求1所述的一种井下地面抗干扰远距离通信方法，其特征在于，上述电流输出的方式变化，即选用一个定电流值作为单个字节开始的标志电流，后面连续输出高半字节和低半字节对应的电流值。
3.如权利要求1所述的一种井下地面抗干扰远距离通信方法，其特征在于，电流输出的方式变化，高半字节与低半字节的编码只增加1位奇偶校验bit，即5位编码；
先输出一个电流值作为标志电流，表示为高半字节编码电流输出的开始，后面紧跟着输出上述的高半字节编码对应的电流值，再输出另一电流值作为标志电流，表示为低半字节编码电流输出的开始，再输出低半字节编码对应的电流值；如此循环往复，直至整个一帧全部传输完成。
4.实现上述权利要求1或2或3通信方法的电流编码调制器，其特征在于，包括微处理器、DAC器件、ADC器件、采样电阻、电流环输入、电流环驱动及电流环输出，所述微处理器产生数据发送帧，其编码模块根据上面所述的编码方法将数据帧的每个字节进行编码，产生的编码送至DAC器件，
所述DAC器件输出电压驱动电流环输出产生数据帧对应的电流调制输出波形；
对端设备的电流环输入通过采样电阻转换为电压信号，输入至ADC器件，ADC器件采样转换为数字信号，送入微处理器内的数字滤波模块，再送入解调模块，将对应的数据帧恢复；
所述微处理器中有解调模块对每一个解调后的编码进行奇偶校验，如果校验有错则标记相关字节，可根据协议请对端重发；恢复完整数据帧后，对整个数据帧的CRC进行校验，如果校验有错则丢弃该帧，并可根据协议请求对端重发该数据帧。
5.如权利要求4所述的电流编码调制器，其特征在于，井下与地面之间通信具有电流环干扰检测电路，包括干扰检测电流输出模块、干扰检测FFT及频谱分析模块，触发干扰检测模式时，干扰检测电流输出模块发出发送一个恒定幅度的电流值，并进入干扰检测FFT及频谱分析模块中进行FFT等频域转换及频谱分析，且调整接收端数字滤波模块的参数，以便在井下与地面的通信中将相应的干扰频率滤除后再进行解调。
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