CN110671098B - 一种随钻井下单芯总线电路装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于油气勘探随钻系统井下通信技术领域，具体公开了一种随钻井下单芯总线电路装置，包括：中控单元、仪器终端单元、单芯总线；所述仪器终端单元，用于转发测量地层参数，并将所述地层参数转换为地层参数信息发送至中控单元；所述中控单元，用于转发所述地层参数信息，并发送中控命令至所述仪器终端单元；所述单芯总线，分别与所述中控单元和所述仪器终端单元电连接，实现所述中控单元和所述仪器终端单元之间的数据交换；所述单芯总线上设置一个终端电阻，所述终端电阻的阻值为所述单芯总线的特性阻抗。提高了线路的抗干扰能力和线路的传输质量。

Description

一种随钻井下单芯总线电路装置
技术领域
本发明涉及油气勘探随钻系统井下通信技术领域，具体涉及一种随钻井下单芯总线电路装置。
背景技术
在地质勘探、油田开发等领域，通常采用测井技术，测井技术是利用各种仪器测量地层的物理参数，进行地质等方面的研究。
为了获取最接近原始状态的地层参数，目前大多采用随钻测井，将随钻测井仪器放在钻头附近，其获得的地层参数是刚钻开的地层参数，它最接近地层的原始状态；将在钻井的过程中测量的地层岩石物理参数，用数据遥测系统将测量结果实时送到地面进行处理。
因为钻头钻进过程中环境恶劣，温度很高，压力极大，振动强烈，目前的随钻井下测量系统一般都存在自身功耗高、总线带载能力差、抗干扰能力较弱等问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种随钻井下单芯总线电路装置，旨在解决现有技术中随钻井下测量系统存在自身功耗高、总线带载能力差、抗干扰能力较弱的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种随钻井下单芯总线电路装置，包括：中控单元、仪器终端单元、单芯总线；
所述仪器终端单元，用于转发测量地层参数，并将所述地层参数转换为地层参数信息发送至所述中控单元；
所述中控单元，用于转发所述地层参数信息；并发送中控命令至所述仪器终端单元；
所述单芯总线，分别与所述中控单元和所述仪器终端单元电连接，实现所述中控单元和所述仪器终端单元之间的数据交换；所述单芯总线上设置一个终端电阻，所述终端电阻的阻值为所述单芯总线的特性阻抗。
优选地，所述单芯总线的特性阻抗满足以下公式：
Figure BDA0002214717380000021
Figure BDA0002214717380000022
Figure BDA0002214717380000023
其中，a为单芯总线的传输线内导线直径，b为单芯总线的传输线外导体直径，L0为单芯总线单位长度的电感，μ为磁导率，π为圆周率，l为导体长度，n为线圈匝数，C0为单芯总线单位长度的电容，Z0为特性阻抗，ε为介电常数。
优选地，还包括分别与所述单芯总线和所述仪器终端单元通讯连接的总线仪器端。
优选地，所述中控单元包括通讯模块、可编程逻辑器件、耦合变压器，所述通讯模块分别与所述可编程逻辑器件和所述耦合变压器电连接；
所述耦合变压器，用于将所述地层参数信息或所述中控单元发送的中控命令耦合到所述单芯总线上；
所述通讯模块，用于接收和/或发送所述地层参数信息或所述中控命令；
所述可编程逻辑器件，与所述通讯模块电连接，用于对接收的所述地层参数信息进行信道编解码。
优选地，所述耦合变压器的中心抽头电压为所述通讯模块供电电压的一半。
优选地，所述可编程逻辑器件是现场可编程门阵列器件或复杂可编程逻辑器件。
优选地，所述信道编解码的方式是曼彻斯特编码或差分曼彻斯特编码中的一种。
优选地，所述通讯模块是RS-485芯片或CAN芯片。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明一方面通过单芯总线进行所述中控单元和仪器终端单元之间的通讯，通过单芯总线同时实现总线信号传输和总线供电两个功能，简化了所述随钻井下单芯总线电路装置的电路结构，提高了其抗干扰能力；
本发明另一方面通过在单芯总线上设置一个终端电阻，可以实现信号无反射的发射传输，并将终端电阻的阻值设置为所述单芯总线的特性阻抗，可以降低介质阻抗不匹配而引起总线中信号的反射，降低了传输介质的分布参数对信号的影响，增加了信号的传输距离，提高了信号传输的质量；同时降低了信号传输介质的长度、特性阻抗及网路总线的架构对信号的传输质量的影响；进一步提高了随钻井下单芯总线电路装置的抗干扰能力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的井下单芯总线系统图；
图2是本发明提供的随钻单芯总线电路结构图；
图3是本发明提供的实验室测试电路图；
图4是本发明提供的向总线上发送数据0x00编码后的波形图；
图5是本发明提供的总线上发送数据0x00变压器接收端信号图；
图6是本发明提供的接收端通讯模块输出信号波形图；
图7是本发明提供的接收端通讯模块输出信号示意图；
图8是本发明提供的计算机1发送接收结果示意图；
图9是本发明提供的计算机2发送接收结果示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
如图1～2所示，本发明实施例提供的一种随钻井下单芯总线电路装置，包括：中控单元、仪器终端单元、单芯总线；
所述仪器终端单元，用于转发测量地层参数，并将所述地层参数转换为地层参数信息发送至所述中控单元；
所述中控单元，用于转发所述地层参数信息，并发送中控命令至所述仪器终端单元；
所述单芯总线，分别与所述中控单元和所述仪器终端单元电连接，实现所述中控单元和所述仪器终端单元之间的数据交换；所述单芯总线上设置一个终端电阻，所述终端电阻的阻值为所述单芯总线的特性阻抗。
本发明实施例一方面通过单芯总线进行所述中控单元和仪器终端单元之间的通讯，通过单芯总线同时实现总线信号传输和总线供电两个功能，简化了所述随钻井下单芯总线电路装置的电路结构，提高了其抗干扰能力；
本发明实施例另一方面通过在单芯总线上设置一个终端电阻，可以将信号无反射的发射传输，并将终端电阻的阻值设置为所述单芯总线的特性阻抗，可以降低介质阻抗不匹配而引起总线中信号的反射，降低了传输介质的分布参数对信号的影响，提高信号的传输距离，提高了信号传输的质量；同时降低了信号传输介质的长度、特性阻抗及网路总线的架构对信号的传输质量的影响；进一步提高了随钻井下单芯总线电路装置的抗干扰能力。
其中，本发明实施例具体可以利用仪器外壳作为总线系统地，在仪器连接接口处通过一根单芯导线同时实现总线信号传输和总线供电两个功能。
其中，所述地层参数包括但不限于电阻率、声速、中子孔隙度、密度、钻压、扭矩、转速、环空压力、温度、化学成分；所述仪器终端单元，可以包括跟井下测量有关的仪器中的一种或多种，如测量电阻率、声速、中子孔隙度、密度、钻压、扭矩、转速、环空压力、温度、化学成分、成像测井等井下仪器中的一种或多种。
图1中的仪器A指的是井下仪器中的任意一种；R为终端电阻，其电阻值等于特性阻抗Z0；L为设置于总线电源和总线之间的电感；Lc为变压器；T为耦合变压器。
还可以在井下设置总线仪器端，所述总线仪器端设置于单芯总线和仪器终端单元之间，所述总线仪器端分别与所述单芯总线和所述仪器终端单元通讯连接。使仪器终端单元可以与井地传输系统通讯；可以保证不具有通讯功能的井下仪器与井地传输系统通讯；当仪器终端单元中任一井下仪器都自带通讯功能时，可以不采用总线仪器端。
其中，所述单芯总线的特性阻抗可以通过以下公式进行计算：
Figure BDA0002214717380000051
Figure BDA0002214717380000052
Figure BDA0002214717380000053
其中，a为单芯总线的传输线内导线直径，b为单芯总线的传输线外导体直径，L0为单芯总线单位长度的电感，μ为磁导率，π为圆周率，l为导体长度，n为线圈匝数，C0为单芯总线单位长度的电容，Z0为特性阻抗，ε为介电常数。
本发明实施例中所述单芯总线两端设置的终端电阻阻值等于计算出的单芯总线的特性阻抗。
其中，所述中控单元包括通讯模块、可编程逻辑器件、耦合变压器；所述通讯模块分别与所述可编程逻辑器件和所述耦合变压器电连接；
所述耦合变压器，用于将所述地层参数信息或中控命令耦合到所述单芯总线上；
所述通讯模块，用于接收和/或发送所述地层参数信息或所述中控命令；
所述可编程逻辑器件，与所述通讯模块电连接，用于对接收的所述地层参数信息进行信道编解码。
本发明实施例中所述耦合变压器，用于将所述地层参数信息发送至通讯模块，并用作极间耦合的变压器，起到传递信号、达到阻抗匹配的作用；通讯模块可以同时用于地层参数信息的发送与接收，简化了电路结构，装置更加稳定可靠。
具体地，所述耦合变压器的中心抽头电压为所述通讯模块供电电压的一半。
现有技术中耦合变压器的中心抽头电压与通讯模块供电电压一致，迫使通讯模块构成驱动负载，大幅度降低了带载能力，信号抗干扰能力差，而本发明实施例将耦合变压器的中心抽头电压降至通讯模块芯片供电电压的一半，把耦合变压器的两路信号进行差分处理，充分利用两路信号的相位相关性，大大提高了系统的抗干扰能力，降低了装置的误码率。
其中，所述可编程逻辑器件举例但不限于FPGA(Field－Programmable GateArray，现场可编程门阵列)或CPLD(Complex Programmable Logic Device，复杂可编程逻辑器件)。
现有技术一般用单片机或传统的UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发传输器)，UART不能正常接收通讯模块从耦合变压器发送过来的信号，因为存在磁滞效应，通信帧最后会被拉低很长时间，通过可编程器件FPGA或CPLD，无磁滞效应，可以规避通信帧被拉低的时间。
其中，所述信道编解码的方式可以但不限于曼彻斯特编码或差分曼彻斯特编码。
其中，所述通讯模块是RS-485芯片或CAN(控制器局域网络，Controller AreaNetwork)芯片。优选地，所述RS-485芯片可以为SN65HVD11-HT型号的RS-485芯片。如RS-485芯片供电电压为Vcc时，则所述耦合变压器的中心抽头电压为Vcc/2。
现有技术多采用MOS管驱动电路，数据接收多采用滤波比较电路，数据发送到总线与从总线上接收数据都是分别独立处理两个相位互补的信号来实现，本发明采用RS-485芯片或CAN芯片来代替收发电路，减少了电路器件，降低了元器件故障率。
参阅图3，图3是本发明提供的实验室测试电路图，是对本发明实施例提供的所述随钻井下单芯总线电路装置作出的实验室测试电路图。具体过程如下：
计算机1给FPGA1发送数据0x00，FPGA1对其进行曼切斯特编码后通过RS-485芯片给耦合变压器发送编码信号，信号通过单芯总线被传输到另外一个耦合变压器中，其中单芯总线上加入30V直流电压，并通过一个电感隔离于总线连接，总线的另外一侧通过一个电容接地。信号通过耦合变压器被另外一个总线接收电路捕获，并通过FPGA2对信号进行解码，最终送到计算机2中显示接收到的数据。
分别测量FPGA1编码信号通过RS-485芯片的输出信号波形，接收端耦合变压器输出波形，接收端RS-485芯片输出给FPGA2的波形。
参阅图4，图4是本发明提供的向总线上发送数据0x00编码后的波形图，具体是FPGA1把数据0x00编码后送给RS-485芯片后输出的波形图，最上面的波形为信号BUS_A1的波形图，最下面的波形为信号BUS_B1的波形图，中间的波形图为信号BUS_A1和信号BUS_B1相减形成的波形图，数据低位数先发。
参阅图5～7，图5是本发明提供的总线上发送数据0x00变压器接收端信号图；图6是本发明提供的接收端通讯模块输出信号波形图；图7是本发明提供的接收端通讯模块输出信号示意图；图5中，上中下三个信号是接收耦合变压器输出波形，最上面波形的为信号BUS_A2的波形图，最下面的波形为信号BUS_B2的波形图，中间的波形为信号BUS_A2和信号BUS_B2相减形成的波形图。虽然耦合变压器的输出波形与五变压器的波形类似，但由于电感的作用，信号在末尾的拖尾现象不同，导致了RS-485芯片的输出末尾出现了一个很长的低电平，然后跳到高电平结束，如图6所示。
磁芯在驱动信号消失后，有一个缓慢的能量释放阶段，由于驱动信号消失，系统进入高阻态，这种能量释放时间非常慢，图6中给出了0.1ms是能量释放回路中加入了3kΩ电阻下的时间，事实上，无论在回路中加入多大电阻，释放时间总是存在的，只是不同工况条件下，其持续的时间不同而已。这种信号特征如果用常规通用异步接收器和发送器如UART采集信号，将无法获得正常数据。
参阅图8～图9，图8是本发明提供的计算机1发送接收结果示意图，图9是本发明提供的计算机2发送接收结果示意图；采用FPGA编程时，可以把结束位改成0，信号被释放后，最终信号恢复到1，那么就结束一个字节的传输。为了实现正常传输，当FPGA模块处于接收状态的时候，输出引脚设置成1。
对于FPGA编程，发射端只要设置结束位为0即可，接收端只要等待结束位0变化到1即可，另外，在FPGA模块进入接收模式后，引脚信号设置成1。
通过串口助手接收数据可知，数据获得了正常的收发，计算机1和计算机2对应的发送数据与接收数据结果分别如图8和图9所示。
计算机1发送给计算机2一个字符串“center control test”，计算机2发送给计算机1一个字符串“terminal system test”两组字符串都以回车结束，每间隔0.1s发送一个字符串。结果表明，计算机1的Tx发送735个字节给计算机2，计算机2Rx接收到了735个字节，并被正确地显示出来；计算机2Tx发送1540个字节给计算机1，计算机1Rx就接收到了1540个字节，并被正确地显示出来。实验结果没有发现误码现象，从而证明了本发明方案的可靠性与稳定性。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改—等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种随钻井下单芯总线电路装置，其特征在于，包括：中控单元、仪器终端单元、单芯总线；
所述仪器终端单元，用于转发测量地层参数，并将所述地层参数转换为地层参数信息发送至中控单元；
所述中控单元，用于转发所述地层参数信息，并发送中控命令至所述仪器终端单元；
所述单芯总线，分别与所述中控单元和所述仪器终端单元电连接，实现所述中控单元和所述仪器终端单元之间的数据交换；所述单芯总线上设置一个终端电阻，所述终端电阻的阻值为所述单芯总线的特性阻抗；
所述中控单元包括通讯模块、可编程逻辑器件和耦合变压器，所述通讯模块分别与所述可编程逻辑器件和所述耦合变压器电连接；
所述耦合变压器，用于将所述地层参数信息或所述中控命令耦合到所述单芯总线上；
所述通讯模块，用于接收和/或发送所述地层参数信息或所述中控命令；
所述可编程逻辑器件，与所述通讯模块电连接，用于对接收的所述地层参数信息进行信道编解码；
所述耦合变压器的中心抽头电压为所述通讯模块供电电压的一半；所述耦合变压器的两路信号进行差分处理。
2.根据权利要求1所述的随钻井下单芯总线电路装置，其特征在于，所述单芯总线的特性阻抗满足以下公式：
Figure FDA0003071987330000011
Figure FDA0003071987330000012
Figure FDA0003071987330000013
其中，a为单芯总线的传输线内导线直径，b为单芯总线的传输线外导体直径，L0为单芯总线单位长度的电感，μ为磁导率，π为圆周率，C0为单芯总线单位长度的电容，Z0为特性阻抗，ε为介电常数。
3.根据权利要求1或2所述的随钻井下单芯总线电路装置，其特征在于，还包括分别与所述单芯总线和所述仪器终端单元通讯连接的总线仪器端。
4.根据权利要求1所述的随钻井下单芯总线电路装置，其特征在于，所述可编程逻辑器件为现场可编程门阵列器件或复杂可编程逻辑器件。
5.根据权利要求1所述的随钻井下单芯总线电路装置，其特征在于，所述信道编解码的方式为曼彻斯特编码或差分曼彻斯特编码中的一种。
6.根据权利要求1所述的随钻井下单芯总线电路装置，其特征在于，所述通讯模块是RS-485芯片或CAN芯片。
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