CN111155985A - 一种用于钻杆内的通信方法和钻具通讯装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电子技术及通讯领域，提供了一种用于钻井时，在钻杆内进行通信的方法，以及使用该通信方法构建的钻具通讯装置，用于煤矿等钻探的钻具由多节钻杆连接而成，钻杆内部为空心结构，钻井时钻杆空腔注入流动的清水，在每节钻杆上安装独立的通讯装置，实现相邻钻杆之间的相互通信，从而由多节钻杆连接而成的钻具，可以实现接力通信，进一步实现钻机到钻头之间的相互通信，当钻杆内注有清水时，采用可见光作为载波信号，透明亚克力材质的导光管用于跨级传导光信号，进一步实现通讯设备之间的跨级通信，当系统中单级通讯设备故障时，可以实现故障转移而不会影响整个系统的通信功能。
Description
技术领域
本发明属于电子技术及通讯领域，特别涉及到一种用于矿井钻杆内通信的方法，以及使用该通信方法的钻具通讯装置。
背景技术
在矿井和一般勘探钻井过程中，钻具中的钻杆是由多个单体钻杆连接而成，钻杆内部通常为空心，钻井过程中，会注入流动的水或者空气，用以给钻头降温和带走钻井时产生的废渣。
钻井过程中，钻机需要掌握钻头的方向，通常钻头方向使用安装在钻头附件的传感器采集，并通过通讯设备传输到外部钻机，目前在钻具上通信的方式主要是采用预埋线缆的钻杆，单体钻杆相互连接起来时，预埋的线缆能够连接成一个有效的电通讯回路，实现钻头到钻机之间的通信。
对于在钻杆内预埋线缆的通信方式，存在着成本高，工艺要求复杂，易损坏以及抗干扰能力差等缺点，本发明为克服上述缺点，采用接力通信的方式，实现由钻机到钻头之间的双向数据通信，接力通信过程中所使用的独立通讯设备，采用非接触通信方式，无需对钻杆预埋线缆，对钻杆加工工艺和安装工艺要求低，且通信效果不易受外部使用环境的影响。
发明内容
本发明所指的一种钻杆内的通信方法，其通讯系统由多个独立的通讯设备构成，通讯设备安装在单体钻杆内，当多个单体钻杆连接成工作钻杆时，每个单体钻杆内的通讯设备可以和相邻的单体钻杆内的通讯设备相互通信，钻头端发起通信过程，以接力通信的方式，可以将数据传输到钻机端，同样的，钻机端发起通信过程，以接力通信的方式，可以将数据传输到钻头端；即：使用单体钻杆内的通讯设备，按照一定的传递方向接力通信，可以实现在钻杆内，由钻机到钻头之间的双向数据通信。
单体钻杆内部为空心结构，通常在钻井时输入流动的清水或者空气，用来对钻头降温并带走钻井时产生的废渣，故钻杆内部的空腔部分可以用来安装小体积的通讯设备，并且安装的通讯设备并不会影响到空腔内清水或者空气的正常流动，当空腔内注入空气时，通讯设备之间可采用无线电、可见光、红外线、超声波等方式进行相互之间的通信；当空腔内注入清水时，通讯设备之间可采用可见光、超声波等方式进行通信。
从钻头端发起的通信过程，通过中间各个单体钻杆上安装的通讯设备，从左向右以接力的方式将数据传送到钻机端，称作为下行通讯；从钻机端发起的通信过程，通过中间各个单体钻杆上安装的通讯设备，从右向左以接力的方式将数据传送到钻头端，称作为上行通讯；单体钻杆上安装的通讯设备具备通讯方向识别和选择的能力，当下行通讯时，通讯设备从左边接收数据，从右边发送数据；上行通讯时，从右边接收数据，从左边发送数据。
安装在单体钻杆上的通讯设备，自身具有身份识别信息，当接力通信时，发送方的身份识别信息可以叠加在所需要传递的通信数据中，接收方根据接收到数据中的身份信息，可以确定所收到的数据的实际发送方，进一步可以确定数据传送的方向；接收方根据接收到数据的身份识别信息可以确定所接收的数据是否由上一级通讯设备所发出，相邻的上一级发送的数据是正常通信的期望数据，在正常的接力通信过程中，无论上行通讯或者下行通讯，在接收方收到其上一级通讯设备的上一级通讯设备所发送的数据后，必然紧接着收到其上一级通讯设备发送的接力通信数据，也即正确通信的期望数据，若在一定时间周期内，未接收到正常通信的期望数据，则认为期望数据接收超时，可判定其上一级通讯设备出现通信故障；当上一级通讯设备出现通信故障时，接收方可以根据所接收的上一级通讯设备的上一级通讯设备所发送的数据，继续完成接力通信过程，实现跨级通信，跨级通信可以在系统出现单点故障时实现故障转移，保证整个系统的通信过程不会受到单个故障级故障的影响。
安装在单体钻杆上的通讯设备，在接收到正常通信的期望数据后，去掉数据中叠加的上一级通讯设备的身份识别信息，并重新叠加自身的身份识别信息，然后将数据发送到下一级，实现正常的接力通信；当接收期望数据超时发生时，接收方将接收到的数据中上一级通讯设备的上一级通讯设备的身份识别信息去掉，叠加自身的身份识别信息，并将故障点的故障信息叠加到通信数据中去，最终通过接力通信，故障点的故障信息可以被通信过程的最终接收者获取，使整个系统具备故障检测能力。
附图说明
图1是本发明原理示意图。
图2是本发明实施例2的示意图。
图3是实施例2中38kHz幅移键控调制信号波形示意图。
图4是实施例2重可见光接收模块的示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行进一步描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例。基于本发明中的实施例，本领域中的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
本发明所述的一种钻杆内的通信方法，原理如图1所示，整个系统由多个独立的通讯设备构成，通讯设备安装在单体钻杆内，安装在最靠近钻头的通讯设备称作钻头端，可以接收钻头采集的姿态数据，并发起下行通讯过程，安装在最靠近钻机的通讯设备称作钻机端，可以将接收到的下行通讯数据转发给钻机上的其它装置，用来计算钻头姿态调整，并且钻机端可以发起上行通讯过程，将钻头控制指令通过接力通信发送给钻头；其它的通讯设备均安装在钻头和钻机之间的各个钻杆内部。
以任意一个通讯设备作为当前级，下行通讯时，紧挨着的靠近钻头一边的通讯设备称作上一级通讯设备，紧挨着的靠近钻机一边的通讯设备称作下一级通讯设备；相反的，上行通讯时，紧挨着的靠近钻机一边的通讯设备称作上一级通讯设备，紧挨着的靠近钻头一边的通讯设备称作下一级通讯设备。
每个单体钻杆内的通讯设备可以和相邻的单体钻杆内的通讯设备相互通信，钻头端通过单体钻杆内的通讯设备，以接力通信的方式，可以将数据传输到钻机设备端，同样的，钻机端通过单体钻杆内的通讯设备，以接力通信的方式，将数据传输到钻头端，即使用单体钻杆内的通讯设备，按照一定的传递方向接力通信，可以实现在钻杆内，由钻机到钻头之间的双向数据通信。
通讯设备内部带有自身身份识别信息，发送数据时，将自身的身份识别信息叠加到通讯数据中，接收方接收到数据后，可根据数据中叠加的身份识别信息判定数据的实际发送者，并判断数据传送方向。
通讯设备设计为近距离通信，可接收到相邻的通讯设备所发出的数据信号，并且可以接收到跨级通信设备所发出的数据信号，即上一级通讯设备的上一级通讯设备，所发出的数据信号；正常通信过程中，若当前级通讯设备检测到期望数据接收超时，则判定其上一级通讯设备出现通信故障，当前级通讯设备根据所接收的上一级通讯设备的上一级通讯设备所发送的数据，继续完成接力通信过程，实现跨级通信。
实施例二
一种钻具通讯装置，如图2所示，通讯装置包含上行可见光发送模块、上行可见光接收模块、下行可见光发送模块、下行可见光接收模块、导光管、MCU 处理模块和供电模块构成。
激光具有方向性强，干涉性好，响应速度快等特点，故使用激光作为发送的光信号，可以上行和下行的完全隔离，因此在实施例二中，上行和下行使用了独立的可见光发射模块和可见光接收模块，上行和下行通讯使用了相同的可见光发射模块和接收模块，彼此独立，相互之间不会产生通信干扰。
为提高通信抗干扰能力，可见光发射模块采用了38kHz脉冲信号作为载波，使用幅移键控(ASK)调制方式，将38kHz载波信号调制为脉冲式载波信号，并使用该载波信号控制激光器光源发射38kHz脉冲式方波光信号；图3给出了38kHz 幅移键控调制信号波形图，38kHz载波信号为占空比50％的方波，当数据信号为低电平时，调制后的信号输出38kHz方波，当数据信号为高电平是，调制后的信号输出低电平，该调制信号控制激光器发光，所发射的光信号和调制信号波形相同。
实施例二中所使用的可见光接收模块采用了深圳市诚强光电数码有限公司生产的CHQ-PTY型可见光接收器，该器件自身带有可见光光敏器件、38kHz窄带滤波电路、AGC自动增益控制电路和幅移键控解调电路，当接收器接收到38kHz 可见光信号时，输出低电平，反之则输出高电平，可见光发送模块发射的38kHz 脉冲式方波光信号，经过该可见光接收器处理后，还原为幅移键控调制前的数据信号，进一步送给MCU进行处理；图4是可见光接收模块的示意图，由CHQ-PTY 型可见光接收器和520nm的干涉滤光片构成。
导光管采用透明亚克力材质构成，为管状结构，可作为通讯设备的外壳，内部空间用于安装通讯设备的其它模块：可见光接收模块、可见光发送模块、MCU 和供电模块等；导光管的轴线和用于通信的光信号传播方向平行，故上一级通讯设备发射的光信号，照射在导光管端面上时，光线经过管壁内全反射，从另一个端面射出，并进一步被下一级的可见光接收器接收到，以实现光信号的跨级传导，进一步实现跨级通信。
Claims (11)
1.一种钻杆内的通信方法，其特征在于：通信系统由多个独立的通讯设备构成，通讯设备安装在单体钻杆内，当多个单体钻杆连接成工作钻杆时，每个单体钻杆内的通讯设备可以和相邻的单体钻杆内的通讯设备相互通信，钻头端发起通信过程，以接力通信的方式，可以将数据传输到钻机端，同样的，钻机端发起通信过程，以接力通信的方式，将数据传输到钻头端；即：使用单体钻杆内的通讯设备，按照一定的传递方向接力通信，可以实现在钻杆内，由钻机到钻头之间的双向数据通信。
2.根据权利要求1所述的一种钻杆内的通信方法，其特征在于：单体钻杆内的通讯设备具有相互通信的能力，常用可见光通信、红外线通信、无线电通信和超声波载波通信均可作为可选的且有效的通信方式。
3.根据权利要求1所述的一种钻杆内的通信方法，其特征在于：单体钻杆内的通讯设备，相互通信时，具有通信方向选择能力，即：可以有选择的实现上行通讯或者下行通讯。
4.根据权利要求1所述的一种钻杆内的通信方法，其特征在于：单体钻杆内的通讯设备，自身具有身份识别信息，接力通信时，发送方的身份识别信息叠加在所需要传递的通信数据中，接收方根据接收到数据中的身份信息，可以确定所收到的数据的实际发送方。
5.根据权利要求1所述的一种钻杆内的通信方法，其特征在于：单体钻杆内的通讯设备出现单级故障时，故障级的下一级通讯设备仍然可以接收到故障级上一级通讯设备所发送的数据，故障级的下一级通讯设备，在接收到故障级通讯设备上一级的所发送的数据后，进入等待期望数据状态，期望数据为故障级应该发送的正确数据，当故障级通讯设备不能完成接力通信时，在一定周期内，无法收到故障级所发出的正确数据，则判定为等待期望数据超时，故障级的下一级通讯设备仍然可以根据所接收的故障级上一级发送的数据中的身份识别信息，完成跨级接力通信，进一步实现整个通讯系统的单点故障转移；故障点的故障信息叠加在通信数据中，通过接力通信，故障点的故障信息可以被通信过程的最终接收者获取，使整个系统具备故障检测能力。
6.一种钻具通讯装置，其特征在于：装置包含上行可见光发送模块、上行可见光接收模块、下行可见光发送模块、下行可见光接收模块、导光管、MCU处理模块和供电模块构成；上行可见光送模块和上行可见光接收模块构成从右向左的通信链路，下行可见光发送模块和下行可见光接收模块构成从左向右的通信链路，分别完成上行和下行的通信功能；导光管由透明亚克力材质圆管构成，其轴线和通信光信号传播方向平行，照射在导光管端面的通信光信号在导光管管壁内形成全反射，从导光管另一端面射出，完成光信号的跨级传导，进一步实现跨级通信；供电模块为整个通讯装置提供电力供应；MCU处理模块用于接收可见光接收模块(包括上行和下行)所接收到的数据，并进行处理，在通信数据中叠加自身的身份识别信息后，通过可见光发送模块(包括上行和下行)将数据以可见光信号的形式发送出去。
7.根据权利要求6所述的一种钻具通讯装置，其特征在于：可见光发送模块使用520nm绿色激光器作为发射光源，并使用38kHz方波作为载波，所需要发送的数据通过幅移键控(ASK)方式，调制38kHz载波信号为脉冲式载波信号，并使用该载波信号控制激光器光源发射38kHz脉冲式方波光信号。
8.根据权利要求6所述的一种钻具通讯装置，其特征在于：可见光接收模块使用硅光敏器件作为光信号接收元件，光敏器件前安装520nm的干涉滤光片用以过滤杂散光，光敏器件接收到的38kHz脉冲式方波光信号被转换为38kHz幅移键控调制的载波信号，经过放大和滤波后，解调为原始发送数据的信号，交给MCU处理模块进行处理。
9.根据权利要求6所述的一种钻具通讯装置，其特征在于：MCU处理模块接收到数据后，根据数据中携带的身份识别信息，判断是否为当前期待数据，是期待数据时，则去掉数据中叠加的身份信息，并将自身的身份识别信息重新叠加到数据中，进一步通过可见光发送模块发送给下一级；不是当前期待的数据时，则进入等候期待数据过程，直至接收到并处理或者等候超时，等候期待超时意味着上一级通讯设备没有正确完成通信，MCU处理模块则根据所接收到的数据和数据中的身份识别信息，完成接力通信，实现跨级通信和故障转移。
10.根据权利要求6所述的一种钻具通讯装置，其特征在于：导光管使用透明亚克力材质制作而成，其管状结构内放置可见光发送模块、可见光接收模块、MCU处理模块和供电模块，导光管的轴线和光信号传播方向平行，两个端面分别正对着上一级和下一级通讯装置的可见光发送模块，照射在端面上的光线，通过导光管管壁的全反射，完成光线的跨级传递，进而使装置具有跨级通信的能力。
11.根据权利要求6所述的一种钻具通讯装置，其特征在于：MCU使用ST公司的低功耗8位处理器STM8L051F3P6，可见光接收装置使用深圳市诚强光电数码有限公司生产的CHQ-PTY型可见光接收器，520nm激光器选择TO-18封装的30mW绿色激光器。
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