CN110984969A - 一种高可靠自适应速率调整的单芯电缆传输装置及其数据传输方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高可靠自适应速率调整的单芯电缆传输装置及传输方法，装置包括井下部分和地面部分，井下部分包括电源信号隔离模块以及与电源信号隔离模块电连接的命令接口电路和数据驱动电路，数据驱动电路直接与编解码MCU电连接，命令接口电路则通过命令整形滤波电路与编解码MCU电连接，编解码MCU与总线管理MCU电连接。本发明所公开的高可靠自适应速率调整的单芯电缆传输装置及其数据传输方法具有如下优点：（1）编码简单，易于高温高压环境下实现；（2）采用扩频方式，系统可靠性高；（3）根据信道特性和误码特性自动切换CCSK编码方式，易于配接；（4）系统传输速率高，满足生产测井的需求。
Description
技术领域
本发明属于单芯电缆传输装置领域，特别涉及该领域中的一种高可靠自适应速率调整的单芯电缆传输装置及其数据传输方法。
背景技术
现有的单芯电缆传输系统主要有WTC系列、3508系列、sondex系列和OFDM系列，下表给出了现有单芯电缆传输系统参数列表及应用场景。
随着测井项目的增多以及测试技术的发展，组合测井的方式越来越多，井下数据量也越来越大，传统的WTC和3508逐步退出历史舞台。国内外目前主流的生产测井系统为Sondex系统，电缆总线采用50kbps、100kbps和200kbps的AMI编码方式，仪器总线采用500kbps的AMI编码方式；而由于国产电缆特性较差，Sondex系列或者与Sondex系列类似的测井系统其电缆总线的传输速率最高50kbps。
随着OFDM技术的发展和在裸眼井测井系统中的应用，国内主流企业和高校也逐步开发了单芯电缆OFDM传输系统，在单芯电缆上，传输速率最高可达350kbps，但能够稳定可靠使用的传输速率在100kbps左右。图1给出目前国内单芯电缆OFDM传输系统的系统框图，系统采用半双工方式，下行命令数据采用AMI编码，上行测井数据采用OFDM调制。系统可根据电缆特性自动分配OFDM每个子载波上的编码比特，从而达到自适应配接的目的。
图2给出单芯电缆OFDM传输系统的原理框图，由图2可知，单芯电缆OFDM系统组成复杂，井下部分由曼码解码和OFDM调制两大部分组成，曼码解码主要完成下行命令的解释与转发，控制井下工具的动作；OFDM调制主要完成上行数据的编码传输，需要使用资源丰富的FPGA和DSP来完成信道编码、QAM映射和IFFT变换，为了将数字信号转换成可在单芯电缆传输的波形信号，还需要加入较高速率的DA(数模)转换器，而这些器件都很难满足井下175°高温环境下的应用，所以单芯电缆OFDM传输系统井下部分一般采用保温瓶技术来解决这一问题。地面部分主要由曼码编码器和OFDM解调器组成，曼码编码器主要完成下行数据的基带编码；OFDM解调器主要完成上行数据的解调工作，解调器实现复杂，使用资源丰富的FPGA和ARM来完成AD采集控制、均衡处理、信号同步、FFT变换、QAM解调、RS译码等工作，硬件成本较高。
现有技术虽然在一定程度上解决了可靠性和现场配接的问题，但其复杂度较高，不适合在生产测井中应用，其主要问题有以下几方面：
(1)生产测井仪器外径受限，为了能保证测井仪器能够通过油管和套管的环空空间到达测量段，环空测井仪器的外径一般为φ28mm或者φ26mm，仪器中电路板宽度一般为16mm，很多处理器在环空测井仪中无法应用。而OFDM传输需要资源丰富的FPGA或者DSP芯片，还需要快速的DA芯片和较大功率的驱动芯片，以上芯片的尺寸无法满足生产测井仪器的需求。
(2)为了保证测井仪器能够顺利到达测量点完成测量任务，为了保证施工安全和施工效率，生产测井仪器的长度受到严格限制，保温瓶技术需要较长的上下吸热剂和密封结构，不适合在生产测井中应用。所以单芯电缆OFDM技术无法在175°高温环境下长时间安全可靠地工作。
(3)Sondex系列或者类如Sondex系列产品，其井下编码器结构简单，易于在高温环境下实现，但其现场配接难度较大，对电缆的适应性不高，受井场环境影响较大，无法保证稳定可靠传输。
发明内容
本发明所要解决的技术问题就是提供一种高可靠自适应速率调整的单芯电缆传输装置及其数据传输方法。
本发明采用如下技术方案：
一种高可靠自适应速率调整的单芯电缆传输装置，其改进之处在于：装置包括井下部分和地面部分，井下部分包括电源信号隔离模块以及与电源信号隔离模块电连接的命令接口电路和数据驱动电路，数据驱动电路直接与编解码MCU电连接，命令接口电路则通过命令整形滤波电路与编解码MCU电连接，编解码MCU与总线管理MCU电连接，总线管理MCU与总线驱动电路和数据采集电路电连接，数据采集电路则通过传感器驱动及模拟处理电路与井温传感器、压力传感器和GR探头电连接；地面部分包括电源信号隔离模块，该电源信号隔离模块依次通过程控增益放大模块、抗混叠滤波模块、AD采集模块和处理器与测井计算机电连接，此外处理器还通过下发命令编码模块和下发命令驱动模块与电源信号隔离模块电连接；井下部分和地面部分的电源信号隔离模块之间通过单芯电缆电连接。
进一步的，编解码MCU与总线管理MCU集成在一片210°高温芯片sm470r1b1m-ht上，sm470r1b1m-ht采用10mm*10mm的CQFP封装。
进一步的，地面部分的地面机箱包括信号预处理卡和通信采集卡，机箱采用1U标准机箱形式，后面板包括深度接线引入、张力或磁记号接线引入、测井电缆线引入、两路直流电源线引入、1路交流电电源线引入和机箱供电线引入。
一种数据传输方法，使用上述传输装置，其改进之处在于：采用频分全双工方式完成地面与井下的数据交换，下行数据采用300bps的AMI编码方式，上行数据采用108kbps的CCSK+AMI编码方式；其中井下编码器的处理流程是对输入信息依次进行码片划分、CCSK编码、AMI编码和信号驱动后输出输入波形，地面CCSK的译码流程是对AD采集信号进行低通滤波，去除高频成分之后的信号，送入时域均衡滤波器进行均衡处理，处理之后的数据进行均值下采样，滤除基线抖动，减小同步提取的运算量，同步之后的信号进行相关判决，相关判决由CCSK相关器组成，译码信息序列与扩频序列逐一相关，比较相关器的最大值作为译码输出。
本发明的有益效果是：
本发明所公开的高可靠自适应速率调整的单芯电缆传输装置及其数据传输方法具有如下优点：(1)编码简单，易于高温高压环境下实现；(2)采用扩频方式，系统可靠性高；(3)根据信道特性和误码特性自动切换CCSK编码方式，易于配接；(4)系统传输速率高，满足生产测井的需求。
附图说明
图1是单芯电缆OFDM传输系统框图；
图2是单芯电缆OFDM传输系统的原理框图；
图3是装置井下部分的原理框图；
图4是井下部分仪器的结构原理图；
图5是地面部分的原理框图；
图6是地面机箱前面板的布局图；
图7是地面机箱后面板的布局图；
图8是井下编码器的处理流程图；
图9是CCSK译码流程图；
图10是相关判决的原理框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
CCSK是一种多进制非正交的编码扩频技术，与传统的直接序列扩频(DSSS)相比，同样具有低截获-低检测特性和优良的误码性能，但其频谱利用率更高，硬件实现更简单，计算量更小。CCSK被广泛应用在美国高速视距战术数据链Link16的联合战术信息分发系统(JTIDS)的数据调制模块中。
本实施例将长期应用于军工领域的CCSK编码技术引入单芯电缆传输装置，解决系统配接困难，通信可靠性不高的问题。图3给出本实施例井下部分的原理框图。装置采用频分全双工方式完成地面与井下的数据交换，下行数据采用300bps的AMI编码方式，上行数据采用108kbps的CCSK+AMI编码方式。井下采用210°高温芯片sm470r1b1m-ht来完成数据编码和总线管理，sm470r1b1m-ht采用10mm*10mm的CQFP封装，能够满足井下电路板的尺寸要求。井下数据驱动电路简单，采用高温运放和高温电阻电容来保证系统温度指标特性。本实施例井下仪器结构及外观见图4所示。
本实施例装置参数如下：1)通信方式：频分全双工；2)编码方式：上行108KbpsCCSK+AMI、下行300bps AMI；3)温度指标：175°2h；4)仪器外径：26mm；5)仪器长度：966mm；6)电路板宽度：18mm；7)电缆接头：单芯电缆；8)总线接口：单芯总线；9)总线方式：500KbpsAMI总线；10)测量通道：缆压、井温、压力、磁定位、GR；11)缆头供电电压：70-210VDC；12)井下仪器供电电压：18VDC。
图5给出本发明地面部分处理框图。地面部分主要由上行数据解码和下发命令编码两大部分组成。电缆传输的上行数据首先进入电源信号隔离模块，去除供电信号的影响，使用选频变压器去除下行信号的影响；之后信号送入程控增益放大模块进行程控增益放大，然后进行抗混叠滤波和高速AD采集，AD采集完的数据送入处理器进行数字均衡、帧同步和CCSK译码，译码结束之后送入测井计算机进行协议处理及分析。图6和图7给出本发明地面机箱前后面板结构布局。地面机箱主要由两块卡组成，信号预处理卡和通信采集卡，信号预处理卡主要完成上行行信号的模拟处理，通信采集卡主要完成数据采集和数据解码工作，机箱采用1U标准机箱形式，可以方便的上机架。后面板主要为接线引入，分为深度接线引入(DEPTH)、张力/磁记号接线引入(TENS/MAG)、测井电缆线引入(CABLE)、两路直流电源线引入(DC1、DC2)、1路交流电电源线引入(AC)和机箱供电线引入(POWER)。
本实施例CCSK编码使用(1,1)、(2，4)、(3,8)、(4,16)、(5,32)、(6,64)6中编码方式，其中(1,1)表示不扩频，(2,4)表示2扩4，即发送端采用4位扩频码代表2位有效传输信息。各扩频码格式见下表：
以CCSK(3,8)扩频为例说明CCSK编码方法：扩频码00111010用a0a1a2a3a4a5a6a7表示，扩频码使用循环移位来表示原始序列的8中状态，其对应关系见下表：
| 原始信息 | 扩频后信息 |
| 000 | a<sub>0</sub>a<sub>1</sub>a<sub>2</sub>a<sub>3</sub>a<sub>4</sub>a<sub>5</sub>a<sub>6</sub>a<sub>7</sub> |
| 001 | a<sub>1</sub>a<sub>2</sub>a<sub>3</sub>a<sub>4</sub>a<sub>5</sub>a<sub>6</sub>a<sub>7</sub>a<sub>0</sub> |
| 010 | a<sub>2</sub>a<sub>3</sub>a<sub>4</sub>a<sub>5</sub>a<sub>6</sub>a<sub>7</sub>a<sub>0</sub>a<sub>1</sub> |
| 011 | a<sub>3</sub>a<sub>4</sub>a<sub>5</sub>a<sub>6</sub>a<sub>7</sub>a<sub>0</sub>a<sub>1</sub>a<sub>2</sub> |
| 100 | a<sub>4</sub>a<sub>5</sub>a<sub>6</sub>a<sub>7</sub>a<sub>0</sub>a<sub>1</sub>a<sub>2</sub>a<sub>3</sub> |
| 101 | a<sub>5</sub>a<sub>6</sub>a<sub>7</sub>a<sub>0</sub>a<sub>1</sub>a<sub>2</sub>a<sub>3</sub>a<sub>4</sub> |
| 110 | a<sub>6</sub>a<sub>7</sub>a<sub>0</sub>a<sub>1</sub>a<sub>2</sub>a<sub>3</sub>a<sub>4</sub>a<sub>5</sub> |
| 111 | a<sub>7</sub>a<sub>0</sub>a<sub>1</sub>a<sub>2</sub>a<sub>3</sub>a<sub>4</sub>a<sub>5</sub>a<sub>6</sub> |
图8给出井下编码器的处理流程。井下总线的输入信息按照信道情况确定的编码方式划分码片，若信道情况良好，选择不扩频，系统不进行码片划分和CCSK编码；若信号情况较差，则根据信道可传输的最快速率进行编码，若选择(5,32)编码方式，则将输入信息每5比特划分一个码片进行CCSK编码，将CCSK编码输出的32比特信息进行AMI编码，在生成扩频序列时已考虑到长0对接收端码元同步的影响，所以扩频序列并没有长0，从而避免AMI编码过多的直流成分，影响系统定时，AMI编码之后的信号送入模拟电路进行信号驱动，形成适合在电缆上传输的信号波形。由以上可知，CCSK编码方式简单，易于硬件实现，与单芯电缆OFDM系统相比，不需要进行QAM映射和IFFT变换，不需要进行DA转换，从而极大减小硬件复杂度，适合在高温高压环境下小直径仪器上使用。
图9给出地面CCSK译码流程图。AD采集信号送入数字信号处理器进行低通滤波，去除高频成分之后的信号，送入时域均衡滤波器进行均衡处理，处理之后的数据进行均值下采样，滤除基线抖动，减小同步提取的运算量，同步之后的信号进行相关判决，相关判决由CCSK相关器组成，译码信息序列与扩频序列逐一相关，比较相关器的最大值作为译码输出，图10给出相关判决原理框图。相关判决摒弃传统AMI解码判决门槛的选择，比较相关器的输出，输出值最大的相关器对应的标号即为译码输出。
此外还需要说明的是：本实施例中的自适应速率调整是指能够根据单芯电缆信道自动调整数据传输速率，保证数据传输的可靠性；单芯电缆是指生产测井中常用的有一根缆芯，外围有缆铠的电缆，用来给井下仪器供电，是井下仪器与地面系统数据传输的通道。通过更换扩频码序列或者更改部分装置参数也能实现本发明。
本实施例通过引入CCSK(Cyclic Code Shift Keying)循环移位编码技术来解决单芯测井电缆传输系统传输速率低、系统误码率高、现场配接困难等技术问题。本实施例能够根据电缆特性自动调整井下仪CCSK的编码方式，从而达到自适应配接的目的；此外本实施例编码简单，井下复杂度低，易于高温实现，特别适合高温(175°)高压(100Mpa)单芯电缆传输系统。
Claims (4)
1.一种高可靠自适应速率调整的单芯电缆传输装置，其特征在于：装置包括井下部分和地面部分，井下部分包括电源信号隔离模块以及与电源信号隔离模块电连接的命令接口电路和数据驱动电路，数据驱动电路直接与编解码MCU电连接，命令接口电路则通过命令整形滤波电路与编解码MCU电连接，编解码MCU与总线管理MCU电连接，总线管理MCU与总线驱动电路和数据采集电路电连接，数据采集电路则通过传感器驱动及模拟处理电路与井温传感器、压力传感器和GR探头电连接；地面部分包括电源信号隔离模块，该电源信号隔离模块依次通过程控增益放大模块、抗混叠滤波模块、AD采集模块和处理器与测井计算机电连接，此外处理器还通过下发命令编码模块和下发命令驱动模块与电源信号隔离模块电连接；井下部分和地面部分的电源信号隔离模块之间通过单芯电缆电连接。
2.根据权利要求1所述高可靠自适应速率调整的单芯电缆传输装置，其特征在于：编解码MCU与总线管理MCU集成在一片210°高温芯片sm470r1b1m-ht上，sm470r1b1m-ht采用10mm*10mm的CQFP封装。
3.根据权利要求1所述高可靠自适应速率调整的单芯电缆传输装置，其特征在于：地面部分的地面机箱包括信号预处理卡和通信采集卡，机箱采用1U标准机箱形式，后面板包括深度接线引入、张力或磁记号接线引入、测井电缆线引入、两路直流电源线引入、1路交流电电源线引入和机箱供电线引入。
4.一种数据传输方法，使用权利要求1所述传输装置，其特征在于：采用频分全双工方式完成地面与井下的数据交换，下行数据采用300bps的AMI编码方式，上行数据采用108kbps的CCSK+AMI编码方式；其中井下编码器的处理流程是对输入信息依次进行码片划分、CCSK编码、AMI编码和信号驱动后输出输入波形，地面CCSK的译码流程是对AD采集信号进行低通滤波，去除高频成分之后的信号，送入时域均衡滤波器进行均衡处理，处理之后的数据进行均值下采样，滤除基线抖动，减小同步提取的运算量，同步之后的信号进行相关判决，相关判决由CCSK相关器组成，译码信息序列与扩频序列逐一相关，比较相关器的最大值作为译码输出。
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