CN113676388B - 一种用于随钻测井中井下单总线解码系统及其抗干扰方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于随钻测井中井下单总线解码系统及其抗干扰方法，包括：解耦电路、485解码芯片和FPGA解码芯片；所述485解码芯片包括两个输入端口和一个输出端口；所述两个输入端口均与所述解耦电路连接；所述输出端口与所述FPGA解码芯片连接；所述解耦电路还分别与中控仪和仪器连接。本发明无需使用复杂的调制解调方法，降低了开发难度，避免了高速传输时单芯总线所产生的寄生参数的影响，并且无需使用复杂的滤波电路，硬件电路结构简单，减小了系统的故障率。
Description
技术领域
本发明涉及总线数据传输协议领域，特别是涉及一种用于随钻测井中井下单总线解码系统及其抗干扰方法。
背景技术
在石油勘探开发中，当油井钻进到设计的井深后，就需要测井来获取地层数据以及工程技术资料，以便为下一步的完井以及开采进行技术方案上的指导。传统的测井技术是钻井结束后再起钻，然后使用电缆配合测井仪器再次下井，获取所需的地层参数资料。但是由于该方法是提钻后二次下井，钻井时的泥浆在测井前会侵入地层，使得后续得到的测井数据准确度下降，对技术人员造成一定程度的误判。随钻测井是在钻井的同时使用测井仪器进行测井，可以获取到地层的一手原始数据，准确度高。钻井与测井同时进行，并通过测井数据对钻进方向进行实时把控调整，时效性远高于电缆测井。随钻测井已经成为油田开发中的趋势。
由于测井需要获取自然伽马、地层电阻率、中子孔隙度等多种参数数据，因此随钻测井中所使用的的测井仪器较多，这就需要将各支仪器进行组合，对各仪器测到的数据进行综合处理与汇总，进而发送给井地传输系统将数据实时传输至地面。井下单总线系统就是衔接井地传输系统与井下各支仪器的关键环节，负责对各支仪器进行供电，对仪器测到的数据进行收集、处理和整合，同时地面对仪器下达的指令经由单总线系统下传给对应的仪器。井下单总线系统是使用一根单芯导线同时完成对井下各支仪器的供电和通信，使用钻铤的外壳作为地线，从而完成各支仪器的串接，建立井下仪器的通信系统。井下单总线系统的结构示意图如图1所示，主要由中控仪、仪器板和单根导线组成，中控仪和各支仪器配套的仪器板配合使用，仪器板挂接仪器，中控仪与各仪器板按照协议相互通信，从而完成整个单总线系统的工作任务。
单总线系统结构采用一根导线同时进行各支仪器的供电和通信，这使仪器串的组装更为方便，机械组装的故障率低，也一定程度降低了成本，在随钻测井中普遍使用。但这种一根导线同时供电并通信的方式也会带来一些问题，负载的波动会导致总线电压波动，或者产生干扰信号，极容易干扰到正常的通信信号，导致在对数据解码的过程中容易产生误码。因此，提高单总线系统的抗干扰能力就十分重要。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种用于随钻测井中井下单总线解码系统及其抗干扰方法，无需使用复杂的调制解调方法，降低了开发难度，避免了高速传输时单芯总线所产生的寄生参数的影响，并且无需使用复杂的滤波电路，硬件电路结构简单，减小了系统的故障率。
为实现上述目的，本发明提出一种用于随钻测井中井下单总线解码系统，包括：解耦电路、485解码芯片和FPGA解码芯片；
所述485解码芯片包括两个输入端口和一个输出端口；所述两个输入端口均与所述解耦电路连接；所述输出端口与所述FPGA解码芯片连接；所述解耦电路还分别与中控仪和仪器连接；
所述解耦电路包括：干扰滤除电路和信号解耦电路；所述干扰滤除电路分别与所述中控仪、所述仪器和所述信号解耦电路连接；所述中控仪和所述信号解耦电路连接；所述信号解耦电路还均与所述485解码芯片的两个输入端口连接。
优选的，所述信号解耦电路包括：解耦变压器、上拉电阻R2、下拉电阻R3、两个隔离电阻C3和隔离电阻C4、接地电阻C1；
所述解耦变压器的原边绕组包括两个端口，一个端口分别与所述中控仪和所述干扰滤除电路连接，另一个端口通过接地电阻C1接地；
所述解耦变压器的副边绕组包括三个端口，一个端口直接接地，一个端口通过隔离电阻C3分别与所述上拉电阻R2的一端和所述485解码芯片的一个输入端口连接，另一个端口通过隔离电阻C4分别与所述下拉电阻R3的一端和所述485解码芯片的另一个端口连接；
所述上拉电阻R2的另一端连接电源；所述下拉电阻R3的另一端直接接地。
优选的，所述解耦变压器为匝数比为1:1:1的三绕组变压器。
优选的，所述干扰滤除电路包括电容C2、电阻R1和抗干扰变压器T2；所述抗干扰变压器T2的原边绕组包括两个端口，一个端口分别与所述解耦变压器和所述中控仪连接，另一个端口分别与所述仪器和所述抗干扰变压器T2的副边绕组的一个端口连接；所述抗干扰变压器T2的副边绕组包括两个端口，一个端口依次通过所述电容C2和所述电阻R1接地，另一个端口分别与所述仪器和所述抗干扰变压器T2的原边绕组的另一端口连接。
优选的，所述485解码芯片的型号为SN65HVD。
优选的，所述FPGA解码芯片的型号为A3P250。
7.一种用于随钻测井中井下单总线解码系统的抗干扰方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将中控仪发出的指令信号托载于直流电压上作为总线信号；
S2、所述总线信号通过单芯导线传输到仪器；
S3、所述仪器将接收到的总线信号通过抗干扰变压器T2分解成电压和信号；所述信号传输给解耦变压器T1；所述电压传输给所述仪器，用于仪器供电；
S4、所述解耦变压器T1对所述信号进行解耦，分解成两路的差分信号，分别送入485解码芯片的两个输入端口，并采用隔离电阻C3和隔离电阻C4对所述信号隔离；
S5、上拉电阻R2对所述485解码芯片的其中一个输入端口的信号进行上拉；下拉电阻R3对所述485解码芯片的另一个输入端口的信号进行下拉；
S6、所述485解码芯片将接收到的信号进行解码并送入FPGA芯片进行解码，最终获得中控仪发出的指令。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
(1)本发明使用抗干扰变压器、电容和电阻组成抗干扰电路，对仪器负载在工作过程中产生的干扰大幅滤除，使总线信号不受干扰影响，大幅提高解码的正确性。
(2)本发明根据485芯片的解码原理，通过对端口A上拉到3.3V，端口B下拉到地，有效避免了485芯片误解码，进一步提高了总线系统解码的正确性与可靠性。
(3)本发明无需使用复杂的调制解调方法，降低了开发难度，避免了高速传输时单芯总线所产生的寄生参数的影响。
(4)本发明无需使用复杂的滤波电路，硬件电路结构简单，减小了系统的故障率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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为本发明实施例的单总线系统结构示意图；
图2为本发明实施例的单总线解码系统结构示意图；
图3为本发明实施例的485芯片解码示意图；
图4为本发明实施例的改进的单总线解码系统结构示意图；
图5为本发明实施例的抗干扰电路仿真图；
图6为本发明实施例的仿真中示波器XSC2波形图；
图7为本发明实施例的仿真中示波器XSC7波形图；
图8为本发明实施例的现场测试图；
图9为本发明实施例的优化改进前485芯片输入波形图；其中，(a)为优化改进前干扰下多字节数据波形图；(b)为优化改进前提取的单字节波形图；
图10为本发明实施例的优化改进后485芯片输入波形图；其中，(a)为优化改进后干扰下多字节数据波形图；(b)为优化改进后提取的单字节波形图；
图11为本发明实施例优化改进前串口调试助手接收显示情况图；
图12为本发明实施例优化改进后串口调试助手接收显示情况图。
具体实施方式
下面将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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
用于随钻测井中井下单总线系统的通信为半双工的通信方式，即中控仪与仪器板之间都可进行信号的发送与接收，一方发送信号，则另一方接收信号。其解码系统的构成也是一样的，主要包括信号解耦、485芯片解码和FPGA解码三部分，其解码系统的结构如图2所示，以挂接一支仪器为例，中控仪发送的信号托载于直流电压上构成总线信号，经由单总线传输后到达仪器端进行数据解码，仪器板首先通过信号解耦电路对加载在直流上的交流信号解耦，形成两路互补的差分信号，然后送入485芯片进行第一步解码，获取到数据的解码信号，再送入FPGA芯片，在程序上通过对电平的判断将模拟信号转化为数字量，从而得到中控仪所发送过来的指令。其中，变压器为带中间抽头的三绕组变压器，匝数比为1:1:1，用于将单总线的信号进行解耦，形成两路互补差分信号；解耦电路中的电感L用于将井下传输的信号与后端仪器所含的容性负载隔离；电容C用于隔离直流电压。需要说明的是，图2所示解码系统中，仪器负载在工作过程中产生的干扰信号会通过电感L串扰进总线系统，叠加在有用信号上，导致解码错误，是影响解码的主要因素。
如图3所示，485芯片解码时，是将端口A和端口B上的差分信号进行相减，当A与B的电压差值大于200mV时，认为是逻辑“1”，电压差值小于-200mV时，认为是逻辑“0”。在上述解码系统中，仪器负载在工作中产生的干扰信号会通过电感串扰到总线上，直接影响总线上的电平信号，从而导致在485芯片进行解码时，端口A和端口B在干扰信号的作用下做差后，本该为“0”的数据变为“1”，或者本该为“1”的数据变为“0”，无法正确解码，使得FPGA在进行后续的解码时出现数据错误或者由于帧头错误而丢失数据。因此，上述解码系统存在抗干扰能力很差的弊端。
针对这一弊端，就如何提高井下单总线系统的抗干扰能力，普遍的做法有两种。一种是增加滤波电路，对一定频率的干扰信号进行滤除，保证单总线上的信号在解码时没有干扰信号的影响，但是该方法只能是针对一定频率范围内的干扰进行滤除，而井下不同仪器所产生的干扰信号不尽相同，因此该方法不具有通用性，并且增加滤波电路会提高电路结构的复杂程度，故障率提高。还有一种是改变其通信方式，以频率调制的方式进行信号调制与解调，但是该方法存在的弊端是在仪器串加长后，单总线系统的单芯导线也需要对应加长，而过长的导线由于其寄生的电感量和电容量增大，从而在信号传输的过程中会使其发生频偏，导致无法解码。
基于此，本发明提出一种用于随钻测井中井下单总线解码系统及抗干扰方法，参照图4所示，不需要增加复杂的硬件结构，也不需要复杂的调制解调方法，在原有单总线解码系统的基础上进行优化改进即可。通过对原有解码系统的分析，造成误码是由于在干扰信号的影响下，485芯片错误解码所导致的。因此，本发明从两个方面来解决这个问题：一是消除仪器负载对总线信号的干扰；二是使485芯片不会因为负载产生的干扰而误判。从上述两个方面入手，本发明所提出的单总线解码系统如图4所示，将电感L换为抗干扰变压器，滤除干扰；同时对485芯片的端口A增加3.3V偏置，端口B下拉到地，避免干扰引起的485芯片误判。
由图4所示，中控仪发出的指令信号托载于直流电压上作为总线信号，经过单芯导线传输到仪器端，总线系统中的仪器板收到总线信号后，首先由解耦变压器对托载于直流上的交流信号进行解耦，解耦变压器T1为匝数比为1:1:1的三绕组变压器，通过变压器后，交流信号会变为两路的差分信号，分别送入485芯片的A、B两个端口，R2对输入到485芯片A端口的信号进行上拉，R3对输入到B端口的信号进行下拉，C3、C4用于隔离，避免变压器的接地信号对差分信号产生影响。485芯片解码后的信号送给FPGA芯片进行解码，从而获得中控发过来的指令。图中抗干扰变压器T2的副边充当了电感的作用，在此处将信号和电压隔离，信号送入解耦变压器T1，电压送入仪器給仪器供电。
所用到的器件参数如下，电阻R1为5Ω、电阻R2和R3都为1kΩ，电容C1为1uf，电容C2为560uf，电容C3和C4都为1uf，变压器T1、T2使用高磁通磁粉芯绕制，485芯片型号为SN65HVD，FPGA芯片型号为A3P250。
图4中，变压器T2、电容C2和电阻R1共同组成干扰滤除电路，其中T2为抗干扰变压器，仪器在工作中产生的干扰在通过变压器T2串扰进总线时，会同时经过变压器的原边和副边。此时，副边的干扰会反向耦合到原边，与通过原边的干扰相互之间大幅抵消，从而滤除干扰，使得总线上的信号相对干净。电容C2用于隔离总线的直流电压，R1用于限流，避免在干扰信号电压较高时，变压器副边发热严重。485芯片端口A的上拉电阻R2将输入到A端口的差分信号增加了3.3V的偏置，端口B的下拉电阻R3将输入到B端口的差分信号基准固定到0V，如此可以将解耦电路产生的差分信号之间的电压差增加3.3V，在485芯片进行解码时，就避免了将本该为“0”的数据变为“1”，或者本该为“1”的数据变为“0”的情况，可以正确解码。通过上述电路，可以使单总线电路的抗干扰能力大幅度的提升，适应各种不同的易产生干扰的仪器负载。
为了验证技术效果，本发明针对抗干扰电路使用了Multisim进行仿真，并结合实际使用情况，以幅值为5V、频率为500Hz的典型干扰为例进行了仿真，仿真电路如图5所示。
运行仿真，得到示波器XSC2波形和示波器XSC7波形；如图6所示为示波器XSC2的波形显示，灰色为输入的5V、500Hz干扰信号，黑色为经过抗干扰电路输出的波形，幅值刻度均为2V/Div。从图6中可以看到，干扰被大幅削减，接近完全消除。
如图7所示为示波器XSC7的波形显示，灰色为端口A上拉3.3V的信号，黑色为端口B波形，幅值刻度均为2V/Div。从图7中可以看到，在对输入到端口A和端口B的信号分别进行了上拉和下拉处理后，输入到端口A和B的信号差值增大，即使干扰信号叠加在有用信号上，在端口A和B的信号做差后，也不会错误解码。
仿真后，进行了板级测试，现场测试图如图8所示，使用示波器观测信号波形，使用电子负载模拟仪器，直流电源给系统供电，在PC机上使用串口调试助手观测系统传输的误码情况。测试时，电子负载调节为恒功率模式，负载大小为100W，干扰信号为5V、500Hz的方波信号。
图9和图10分别为改进前和改进后485芯片端口A和端口B的输入波形，其中，图9(a)和图9(b)分别为改进前的干扰下多个字节数据波形和提取出的单个字节的波形；图10(a)和图10(b)分别为改进后的干扰下多个字节数据波形和多字节中提取出的单个字节波形。从图9可以看出，优化前的电路在5V、500Hz的干扰下，波形已经发生畸变，解码困难。而且485芯片端口A和端口B输入的波形已经出现不同程度的交叉，在这种情况下，端口A与端口B做差就会错误解码，将本该为“0”的数据变为“1”，或者本该为“1”的数据变为“0”。从图10中可以看出，电路优化改进后，波形整体无严重畸变，单字节波形无交叉情况，信号干净完整。
图11和图12分别为改进前和改进后的串口调试助手数据接收情况图。从图11可以看出，在施加5V、500Hz的干扰后，485芯片已经无法正确解码，从而使得FPGA无法判断正确的帧头帧尾，导致数据丢失。从图12中可以看出，电路优化改进后，有无干扰对于数据的正确解码无影响。
综上，(1)本发明使用抗干扰变压器、电容和电阻组成抗干扰电路，对仪器负载在工作过程中产生的干扰大幅滤除，使总线信号不受干扰影响，大幅提高解码的正确性；(2)本发明根据485芯片的解码原理，通过对端口A上拉到3.3V，端口B下拉到地，有效避免了485芯片误解码，进一步提高了总线系统解码的正确性与可靠性；(3)本发明无需使用复杂的调制解调方法，降低了开发难度，避免了高速传输时单芯总线所产生的寄生参数的影响；(4)本发明无需使用复杂的滤波电路，硬件电路结构简单，减小了系统的故障率。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (6)
1.一种用于随钻测井中井下单总线解码系统，其特征在于，包括：解耦电路、485解码芯片和FPGA解码芯片；
所述485解码芯片包括两个输入端口和一个输出端口；所述两个输入端口均与所述解耦电路连接；所述输出端口与所述FPGA解码芯片连接；所述解耦电路还分别与中控仪和仪器连接；
所述解耦电路包括：干扰滤除电路和信号解耦电路；所述干扰滤除电路分别与所述中控仪、所述仪器和所述信号解耦电路连接；所述中控仪和所述信号解耦电路连接；所述信号解耦电路还均与所述485解码芯片的两个输入端口连接；
所述信号解耦电路包括：解耦变压器、上拉电阻R2、下拉电阻R3、两个隔离电阻C3和隔离电阻C4、接地电阻C1；
所述解耦变压器的原边绕组包括两个端口，一个端口分别与所述中控仪和所述干扰滤除电路连接，另一个端口通过接地电阻C1接地；
所述干扰滤除电路包括电容C2、电阻R1和抗干扰变压器T2；
所述解耦变压器的副边绕组包括三个端口，一个端口直接接地，一个端口通过隔离电阻C3分别与所述上拉电阻R2的一端和所述485解码芯片的一个输入端口连接，另一个端口通过隔离电阻C4分别与所述下拉电阻R3的一端和所述485解码芯片的另一个端口连接；
所述上拉电阻R2的另一端连接电源；所述下拉电阻R3的另一端直接接地。
2.根据权利要求1所述的用于随钻测井中井下单总线解码系统，其特征在于，所述解耦变压器为匝数比为1:1:1的三绕组变压器。
3.根据权利要求1所述的用于随钻测井中井下单总线解码系统，其特征在于，所述抗干扰变压器T2的原边绕组包括两个端口，一个端口分别与所述解耦变压器和所述中控仪连接，另一个端口分别与所述仪器和所述抗干扰变压器T2的副边绕组的一个端口连接；所述抗干扰变压器T2的副边绕组包括两个端口，一个端口依次通过所述电容C2和所述电阻R1接地，另一个端口分别与所述仪器和所述抗干扰变压器T2的原边绕组的另一端口连接。
4.根据权利要求1所述的用于随钻测井中井下单总线解码系统，其特征在于，所述485解码芯片的型号为SN65HVD。
5.根据权利要求1所述的用于随钻测井中井下单总线解码系统，其特征在于，所述FPGA解码芯片的型号为A3P250。
6.一种用于随钻测井中井下单总线解码系统的抗干扰方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将中控仪发出的指令信号托载于直流电压上作为总线信号；
S2、所述总线信号通过单芯导线传输到仪器；
S3、所述仪器将接收到的总线信号通过抗干扰变压器T2分解成电压和信号；所述信号传输给解耦变压器T1；所述电压传输给所述仪器，用于仪器供电；
S4、所述解耦变压器T1对所述信号进行解耦，分解成两路的差分信号，分别送入485解码芯片的两个输入端口，并采用隔离电阻C3和隔离电阻C4对所述信号隔离；
S5、上拉电阻R2对所述485解码芯片的其中一个输入端口的信号进行上拉；下拉电阻R3对所述485解码芯片的另一个输入端口的信号进行下拉；
S6、所述485解码芯片将接收到的信号进行解码并送入FPGA芯片进行解码，最终获得中控仪发出的指令。
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