CN115853504A - 一种连续波泥浆脉冲信号模拟试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种连续波泥浆脉冲信号模拟试验装置及方法，本发明的装置包括依次相连的控制上位机、电机控制模块、电机、联轴器、编码器、FPGA信号处理模块、信号采集卡、解码上位机；通过电机驱动编码器转轴转动，编码器将角位移转换成脉冲电信号，并且通过DDS数字信号处理技术将转子位置信息与泥浆压力波信号进行一一映射对应，模拟生成连续波泥浆压力信号；本发明还可以很方便对模拟正弦波信号的频率、幅值等参数进行修改，产生不同需求的信号；同时本发明预留了电机调试接口，可以方便研发人员对连续波的生成机制进行深入研究调试。因此，本发明可以使连续波泥浆脉冲信号的产生变得简单、高效，大大降低了时间和成本。
Description
技术领域
本发明涉及脉冲信号模拟技术领域，尤其涉及一种连续波泥浆脉冲信号模拟试验装置及方法。
背景技术
近年来，我国对能源需求不断增长，带动了油气勘探的开发，随钻测井、导向测井等技术不断发展，现有的泥浆脉冲传输方式因数据传输速率慢，已不能满足技术发展的要求。连续波泥浆脉冲数据传输技术最早于20世纪60年代被提出，但到目前为止，只有国外的斯伦贝谢、贝克休斯等公司掌握了该技术，并研制出相关产品投入商业应用，取得不错的商业价值。连续波泥浆脉冲数据传输技术长期为少数国外跨国公司垄断，他们只提供服务，不出售设备，并且服务费昂贵。目前未见有国产连续波仪器的商业应用，国内仍处于理论研究和试验测试阶段，在连续波发生器、编解码等信号处理方面进行了原理验证探索，研究结果表明在国内技术条件下实现连续波井筒数据传输技术是可行的。
连续波仪器是典型的机电一体化设备，主要分成两部分，一是连续波脉冲发生器，用来产生连续变化的正弦压力波，重点在于机械转阀的设计和电机的控制和编码。连续波脉冲发生器有一个固定不动的定子和一个靠近定子安装并且能够旋转的转子，转子被安装在定子下方，来自地面的泥浆首先流过定子的4个轴向流通通道，再流过转子4个叶片的旁路通道。当连续波脉冲发生器处于工作状态时，控制电路模块将给出控制信号，控制电机转动，电机驱动转子连续旋转。在转子旋转过程中，转子叶片和定子叶片的重合面积会随之减小或者增大，如果重合面积减小，则泥浆流通面积也随之减小，从而导致泥浆压力随之增大，反之亦然。如果电机驱动转子以恒定转速连续旋转，则泥浆压力将是以一个固定频率进行周期性变化，理想状态下，泥浆压力的变化趋于理想正弦波。同时，电机转速越高，电机驱动转子转速也就越高，产生的泥浆压力信号的正弦波频率也就越高，单位时间内传输数据量也就越大，这也是连续波的优势之一，可以在一定范围内，调整传输速率。另一个主要部分是地面解码系统，上位机对采集到的压力信号进行实时解码算法设计，并按照需求设计出符合实际油田需求的人机交互界面。
在仪器研发过程中，经常需要调整仪器功能并进行测试，以实际井场泥浆脉冲传输信号为例，其通讯原理为：参考图1，箭头21代表泥浆循环过程，在钻进过程中，泥浆泵24抽取泥浆池23中的泥浆，并将泥浆通过调节阀门25注入钻杆水眼中，钻杆26底端固定由钻头20和连续波发生器部分，泥浆通过钻杆26水眼后，从钻杆底部钻头20流出，沿着井壁从井口处流入泥浆沉淀池22中，通过过滤系统将井下传上来的泥土砂石等杂质过滤掉，再次通过泥浆泵24抽入泥浆池23中，完成泥浆循环整个过程。在现有技术中，采用实际井场方式进行测试，需要实现井场的泥浆循环过程，不仅耗费大量资金，而且测试周期会特别长，因此模拟连续波仪器产生泥浆脉冲信号试验装置就很有必要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种连续波泥浆脉冲信号模拟试验装置及方法，从而解决现有技术中存在的前述问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一方面，本发明提供了一种连续波泥浆脉冲信号模拟试验装置，包括依次相连的控制上位机、电机控制模块、电机、联轴器、编码器、FPGA信号处理模块、信号采集卡、解码上位机；
所述控制上位机输出端与所述电机控制模块输入端连接；所述电机控制模块输出端与所述电机输入端连接；所述电机的转轴通过所述联轴器与所述编码器的转轴连接；所述编码器信号输出端与所述FPGA信号处理模块输入端连接；所述FPGA信号处理模块输出端与所述信号采集卡输入端连接；所述信号采集卡输出端与所述解码上位机输入端连接；
所述控制上位机通过所述电机控制模块驱动所述电机转动，所述电机的转轴通过所述联轴器与所述编码器的转轴连接，把所述编码器与所述电机的转轴连成为一个整体，从而带动所述编码器的转轴转动；所述电机包括定子和转子，转子转动时每个位置对应着一个泥浆流通面积，记录电机转子的位置信息即获得对应的泥浆流通面积，所述编码器将电机转子的角位移转换成脉冲电信号；所述FPGA信号处理模块通过编码器获取电机转轴的位置信息，并将位置信息与正弦波幅值进行映射对应；通过DDS数字信号处理技术，生成正弦波信号，模拟泥浆压力信号；所述信号采集卡接收泥浆压力信号并传给所述解码上位机。
更详细的解释如下，所述编码器能够将角位移转换成脉冲电信号，可以精确记录所述电机转子所处位置。所述电机转子的每一个位置，都对应着一个泥浆流通面积，泥浆流通面积大小和压力波动信号大小成反比，随着转子连续转动，泥浆压力波动就会产生一个连续的正弦波信号。所述FPGA信号处理模块采集所述编码器的位置信息，也就是所述电机在转子的位置信息。通过DDS数字信号处理技术，逆向生成正弦波信号，可以理想地模拟泥浆压力信号。所述DDS是一种把一系列数字信号转换成模拟信号的数字合成技术，通过查表法，可以把所述电机位置信号和泥浆压力一一对应，然后通过相位累加器的输出对其寻址，经过数/模转换和低通滤波输出便可以得到所需要的模拟信号。
优选的，所述电机控制模块包括6个MOSFET管组成的驱动桥电路，利用PWM波控制6个管子的打开顺序，生成一个恒定大小旋转磁场，并于所述电机转子磁铁相互作用，使得所述电机转动起来。
进一步的，所述电机控制模块还需要实现编码技术，编码技术实际就是所述电机的软件控制方式，控制系统通过控制所述电机转子的转动形式，实现数据编码加载，完成编码设计。另外，所述电机控制模块可以根据连续波仪器开发需求，修改所述电机转速，用来模拟不同传输速率下需要的不同频率正弦波压力信号。
优选的，所述电机的转轴通过所述联轴器与所述编码器的转轴连接具体为：所述联轴器两端各有一个M3的螺纹接口，所述电机转轴和所述编码器转轴通过M3螺钉锁紧固定在所述联轴器两端，把两个转轴连接成一个整体，从而有效的将所述电机转轴的转速传递给所述编码器。
另一方面，本发明提供了一种连续波泥浆脉冲信号模拟测试方法，包括以下步骤：
S1，通过控制上位机向所述电机控制模块写入脉冲信号模拟操作指令；
S2，所述电机控制模块接收所述脉冲信号模拟操作指令后，初始化电机，并驱动电机进行转动；
S3，所述FPGA信号处理模块通过编码器获取电机转轴的位置信息，并将位置信息与正弦波幅值进行映射对应，构建正弦波ROM表；
S4，采用DDS数字信号处理技术，通过查询正弦波ROM表，将电机位置信号与泥浆压力对应，生成正弦波信号，模拟泥浆压力信号；
S5，所述信号采集卡接收泥浆压力信号，经过数/模转换和低通滤波输出给所述解码上位机进行解码处理。
优选的，才做指令包括操作指令1和操作指令2，所述操作指令1包括连续波泥浆脉冲传输参数；所述操作指令2的编码格式为“同步头+数据”的二进制编码，其中，同步头为五个字节，数据为四十个字节；
所述电机控制模块接收到操作指令后，首先初始化所述电机的转动参数，然后按照二进制编码的排列顺序，根据二进制编码1或者0，对数据进行调相编码；
优选的，所述FPGA信号处理模块通过以下方法，模拟出泥浆脉冲信号：
所述FPGA信号处理模块通过所述编码器采集到所述电机转轴的位置信息，并且将所述编码器输出值和正弦波幅值进行一一映射对应；
所述FPGA信号处理模块通过所述DDS数字信号处理技术，逆向生成正弦波信号，可以理想的模拟泥浆压力信号；
通过所述数据采集卡将生成的模拟泥浆脉冲正弦波信号传输给所述解码上位机，进行解码处理。
优选的，电机转动一周包括4096个位置信息，每个位置信息对应正弦波ROM表中的一个波形幅值。
优选的，步骤S4还包括：FPGA信号处理模块可以通过调整输出放大增益倍数，修改输出正弦波幅值，模拟信号强度变化，同时可以调整时钟输入频率，改变正弦波输出频率，实现不同速率传输模式下的正弦波频率变化。
本发明的有益效果是：
本发明提供了一种连续波泥浆脉冲信号模拟试验装置及方法，本发明通过电机驱动编码器转轴转动，编码器将角位移转换成脉冲电信号，并且通过DDS数字信号处理技术将转子位置信息与泥浆压力波信号进行一一映射对应，模拟生成连续波泥浆压力信号；本发明还可以很方便对模拟正弦波信号的频率、幅值等参数进行修改，产生不同需求的信号；同时本发明预留了电机调试接口，可以方便研发人员对连续波的生成机制进行深入研究调试。因此，本发明可以使连续波泥浆脉冲信号的产生变得简单、高效，大大降低了时间和成本。
附图说明
图1是现有技术中的泥浆循环过程原理示意图；
图2是实施例1中提供的连续波泥浆脉冲信号模拟实验装置的结构示意图；
图3是实施例2中连续波产生机理示意图；
图4是实施例2中FPGA信号处理模块的原理示意图。
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，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方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本实施例提供一种连续波泥浆脉冲信号模拟试验装置，参考图2，包括：控制上位机1、电机控制模块2、电机3、联轴器4、编码器5、FPGA信号处理模块6、信号采集卡7、解码上位机8；
控制上位机1输出端与电机控制模块2输入端连接；电机控制模块2输出端与电机3输入端连接；电机3的转轴通过联轴器4与编码器5的转轴连接；编码器5信号输出端与FPGA信号处理模块6输入端连接；FPGA信号处理模块6输出端与信号采集卡7输入端连接；信号采集卡7输出端与解码上位机8输入端连接；
具体实现上，参考图3，连续波泥浆脉冲发生器，由定子和转子组成，两者叶片数量相等，转子可以通过电机带动旋转，在转子转动过程中，转子叶片和定子叶片重合面积会发生变化，对应的泥浆流通面积随之发生改变。当定子和转子完全重合，例如转子位置坐标在0、1023、2047、3071位置，此时流通面积最大，定子和转子对泥浆的截流效应最小，泥浆压力也最小；当定子和转子完全不重合，例如转子位置坐标在511、1535、2559、3583位置，此时流通面积最小，定子和转子对泥浆的截流效应最大，泥浆压力也最大。本实施例中的定子和转子均有4个叶片，转子每转动一周，会产生4个周期的正弦波。
本装置中，所述电机控制模块2驱动所述电机3转动，所述电机3的转轴通过所述联轴器4与所述编码器5的转轴连接，把所述编码器5与所述电机3的转轴连成为一个整体，从而带动所述编码器5的转轴转动。所述编码器5能够将角位移转换成脉冲电信号，可以精确记录所述电机3转子所处位置。
编码器5转动一周，可以记录4096个位置坐标，这4096个坐标也就是电机3转子转动一周的位置坐标，每个位置坐标都对应着一个泥浆流通面积，泥浆流通面积又和压力波动一一对应。FPGA信号处理模块6采集编码器5的位置坐标信息，通过DDS数字信号处理技术，模拟生成压力波动正弦波信号，参考图4，DDS是一种把一系列数字信号转换成模拟信号的数字合成技术，通过查表法，可以把电机3位置坐标和压力波动一一对应，然后通过地址发生器进行寻址，经过DAC、低通滤波、可控增益放大电路，便可以输出所需要的模拟信号。
电机3转动一周，位置坐标从0到4095，表示有4096个地址信息，每个地址信息对应一个正弦波ROM表中的一个波形幅值。FPGA信号处理模块6还可以通过调整输出放大增益倍数，修改输出正弦波幅值，模拟信号强度变化，同时可以调整时钟输入频率，改变正弦波输出频率，实现不同速率传输模式下的正弦波频率变化。
本实施例中的电机控制模块2中硬件主要是由6个MOSFET管组成的驱动桥电路，利用PWM波控制6个管子的打开顺序，可以生成一个恒定大小旋转磁场，并于电机3转子磁铁相互作用，使得电机3转动起来。电机控制模块2还需要实现编码技术，编码技术实际就是电机3的软件控制方式，控制系统通过控制电机3转子的转动形式，实现数据编码加载，完成编码设计。本装置采用数字相移键控技术(DPSK)进行编码，相移过程中，数据“1”的产生是连续波在一定时间内相位移变化180°，表现在动作控制上就是通过控制电机使转子的转速变慢，然后又回到正常的载波转速；数据“0”的产生是连续波在一定时间内没有相位移的变化。
例如，传输速率6b it/s,传输载波频率为24Hz，那么转子每转动一周所需要的时间为4周期/24Hz为167ms，由此计算出电机转速60分钟/167ms为360RPM,具体的，编码为“0”，维持电机3转速360RPM不变；但在传输数据“1”时，需要产生180°的相位滞后，180°相位对应编码器5计数输出为512，所以只要控制电机3的速度使其在很短时间内输出减少512个计数，也就是编码器5少转动1/8圈即可，在相移完成后电机3的速度又恢复到正常的转速状态，相位的调整是通过控制转子的速度，即电机3的速度实现的。
生成的模拟正弦波压力信号，需要通过信号采集卡7将模拟信号转换成数字信号，传输给解码上位机8进行解码处理。
联轴器4两端各有一个M3的螺纹接口，电机3转轴和编码器5转轴通过M3螺钉锁紧固定在联轴器4两端，把两个转轴连接成一个整体，从而有效的将电机3转轴的转速传递给编码器5。
实施例2
本实施例提供了一种连续波泥浆脉冲信号模拟试验方法，基于实施例1中所记载的模拟试验装置实现，包括以下步骤：
步骤1，控制上位机1通过以下步骤，向电机控制模块2写入操作指令：
步骤1-1，控制上位机1下传操作指令1，操作指令1包括连续波泥浆脉冲传输参数，例如，传输速率6b/s,传输载波频率为24Hz，电机控制模块2自动控制电机3转速为360RPM；
步骤1-2，控制上位机1下传操作指令2，操作指令2的编码格式为“同步头+数据”的二进制编码，其中，同步头为“FF AA FF AA FF”，一共五个字节，对应的二进制编码为“11111111 10101010 11111111 10101010 11111111”，数据为四十个字节。
步骤1-3，电机控制模块2接收到指令后，首先初始化电机3转动参数，然后按照二进制编码的排列顺序，根据二进制编码1或者0，对数据进行调相编码。
步骤2，FPGA信号处理模块6通过以下方法，模拟出泥浆脉冲信号：
步骤2-1，FPGA信号处理模块6通过编码器5采集到电机3转轴位置信息，并且将编码器5输出值和正弦波幅值进行一一映射对应。
例如，编码器5转动一周输出4096个脉冲，对应着电机3转子叶片转动一周的4096个位置坐标。在转子转动的一周内，当编码器5输出为0、1023、2047、3071时，代表旋转阀的转子和定子处于完全打开状态，此时泥浆压力最小，对应着正弦波输出最大值；当编码器5输出为511、1535，2559、3583时，代表旋转阀的转子和定子处于完全闭合状态，此时泥浆压力最大，对应正弦波输出最小值。
步骤2-2，通过DDS数字信号处理技术，生成正弦波信号，可以模拟泥浆压力信号。
例如，电机3旋转一周带动编码器5转动一周，输出4096个位置计数脉冲，产生4个完整周期正弦波，那么每个周期的正弦波是1024个采样点。可以用软件生成1024个点的正弦波ROM表格，通过查表法输出一个正弦波形，最后将信号通过DAC、低通滤波器和可调增益放大器，输出模拟波形。
步骤2-3，通过数据采集卡将生成的模拟泥浆脉冲正弦波信号传输给解码上位机，进行解码处理。
例如，数据采集卡7可以对FPGA信号处理模块6传输过来的模拟信号，进行滤波、放大、电平转换等处理，然后数据采集卡7再将转换后的信号上传给解码上位机8，解码上位机8对接收到的信号进行解码处理，并且对解码到信号进行显示和数据存储。
通过以上过程，完成连续波泥浆脉冲信号的模拟输出。
由此可见本发明提供一种连续波泥浆脉冲信号模拟试验装置及方法，具有以下特点：
(1)在仪器研发过程中，需要用到连续波泥浆脉冲信号时，通过电机驱动编码器转轴转动，编码器将角位移转换成脉冲电信号，可以精确记录电机转子所处位置。电机转子的每一个位置，都和泥浆脉冲压力信号有一一对应的映射关系。然后通过DDS数字信号处理技术，生成模拟连续波泥浆压力信号。由于不需要在实际井场进行实际泥浆循环测试，因此使得连续波泥浆脉冲信号的产生变得简单、高效，大大降低了时间和成本。
(2)连续波仪器可以通过改变泥浆压力信号正弦波的频率和幅值，来改变数据传输速率和信号强度，本发明可以很方便的对这些参数进行修改，产生不同需求的模拟信号，便于对地面解码系统的研发。
(3)实际连续波仪器的脉冲信号生成，对电机控制技术也有很高要求。本发明提供电机调试接口，可以方便研发人员对连续波的生成机制进行深入研究调试，这对于连续波仪器的开发大有帮助，可以加快仪器的研制进度。
本发明具有的有益效果是：
经试验验证，本实验装置用于模拟生成连续波泥浆脉冲信号，可以完成以下任务：
(1)模拟生成连续波泥浆脉冲信号；
(2)通过预留电机调试接口，方便研发人员对连续波的生成机制进行深入研究调试；
(3)通过改变输出波形频率和幅值，模拟不同数据传输速率和信号强度；
(4)通过数据采集卡将生成的模拟泥浆脉冲正弦波信号传输给解码上位机，便于上位机解码软件的研发调试。
通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：
本发明提供了一种连续波泥浆脉冲信号模拟试验装置及方法，本发明通过电机驱动编码器转轴转动，编码器将角位移转换成脉冲电信号，并且通过DDS数字信号处理技术将转子位置信息与泥浆压力波信号进行一一映射对应，模拟生成连续波泥浆压力信号；本发明还可以很方便对模拟正弦波信号的频率、幅值等参数进行修改，产生不同需求的信号；同时本发明预留了电机调试接口，可以方便研发人员对连续波的生成机制进行深入研究调试。因此，本发明可以使连续波泥浆脉冲信号的产生变得简单、高效，大大降低了时间和成本。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种连续波泥浆脉冲信号模拟试验装置，其特征在于，包括依次相连的控制上位机、电机控制模块、电机、联轴器、编码器、FPGA信号处理模块、信号采集卡、解码上位机；
所述控制上位机通过所述电机控制模块驱动所述电机转动，所述电机的转轴通过所述联轴器与所述编码器的转轴连接，把所述编码器与所述电机的转轴连成为一个整体，从而带动所述编码器的转轴转动；所述电机包括定子和转子，转子转动时每个位置对应着一个泥浆流通面积，记录电机转子的位置信息即获得对应的泥浆流通面积，所述编码器将电机转子的角位移转换成脉冲电信号；所述FPGA信号处理模块通过编码器获取电机转轴的位置信息，并将位置信息与正弦波幅值进行映射对应；通过DDS数字信号处理技术，生成正弦波信号，模拟泥浆压力信号；所述信号采集卡接收泥浆压力信号并传给所述解码上位机。
2.根据权利要求1所述的连续波泥浆脉冲信号模拟试验装置，其特征在于，所述电机控制模块包括6个MOSFET管组成的驱动桥电路，利用PWM波控制6个管子的打开顺序，生成一个恒定大小旋转磁场，并于所述电机转子磁铁相互作用，使得所述电机转动起来。
3.根据权利要求2所述的连续波泥浆脉冲信号模拟试验装置，其特征在于，所述电机控制模块通过修改旋转磁场大小，修改所述电机的转速，用来模拟不同传输速率下需要的不同频率正弦波压力信号。
4.根据权利要求1所述的连续波泥浆脉冲信号模拟装置，其特征在于，所述电机的转轴通过所述联轴器与所述编码器的转轴连接具体为：所述联轴器两端各有一个M3的螺纹接口，所述电机转轴和所述编码器转轴通过M3螺钉锁紧固定在所述联轴器两端，把两个转轴连接成一个整体，从而有效的将所述电机转轴的转速传递给所述编码器。
5.一种连续波泥浆脉冲信号模拟试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，通过控制上位机向所述电机控制模块写入脉冲信号模拟操作指令；
S2，所述电机控制模块接收所述脉冲信号模拟操作指令后，初始化电机，并驱动电机进行转动；
S3，所述FPGA信号处理模块通过编码器获取电机转轴的位置信息，并将位置信息与正弦波幅值进行映射对应，构建脉冲信号模拟表；
S4，采用DDS数字信号处理技术，通过查询正弦波ROM表，将电机位置信号与泥浆压力对应，生成正弦波信号，模拟泥浆压力信号；
S5，所述信号采集卡接收泥浆压力信号，经过数/模转换和低通滤波输出给所述解码上位机进行解码处理。
6.根据权利要求5所述的连续波泥浆脉冲信号模拟试验方法，其特征在于，所述脉冲信号模拟操作指令包括连续波泥浆脉冲传输参数。
7.根据权利要求5所述的连续波泥浆脉冲模拟试验方法，其特征在于，电机转动一周包括4096个位置信息，每个位置信息对应正弦波ROM表中的一个波形幅值。
8.根据权利要求5所述的连续波泥浆脉冲模拟试验方法，其特征在于，步骤S4还包括：FPGA信号处理模块可以通过调整输出放大增益倍数，修改输出正弦波幅值，模拟信号强度变化，同时可以调整时钟输入频率，改变正弦波输出频率，实现不同速率传输模式下的正弦波频率变化。
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