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一種NEXT系列產品MSP430遠距離通信系統的製作方法

2023-12-09 14:52:56 1


本發明屬於井下無線通信技術信領域的具體應用,尤其涉及一種next系列產品msp430遠距離通信系統。



背景技術:

對於國家來說,居民的衣食住行、工業發展、農業發展、國防建設、經濟調控,無一都離不開石油。獲得豐富的石油是一個國家繁榮昌盛的重要資本,然而,石油是一種需求巨大的不可再生資源,如何在現有的油井資源條件下,改善採油效率,獲取更多的石油資源,是國家能源建設的重要研究課題。

井下通信是油田測量領域的重要技術。井下通信技術能將油井下溫度、壓力、流量參數實時上傳到井上,同時也可以將地面的控制信息發送到井下。應用井下通信系統,油田工作者可以實時掌握井下的工況,制定合理的採油方案以提高油田的生產效率;可以地面遠程控制井下設備,有利於油田智能化建設。隨著國家石油大量開採,油井的深度也在不斷的增加,遠距離井下通信技術迫切需要發展。遠距離井下通信技術有助於勘探開發石油資源,探明石油油質,測試油井生產狀態。研究遠距離井下通信有助於提高油田採油效率和加速油田智能化建設。

自20世紀初以來,油田工作者一直在追尋一種可靠、穩定、高效的井下通信手段。然而,由於井下高溫高壓的工作環境以及其他不確定因素的幹擾,井下通信技術的發展極為緩慢,在過去幾十年裡,隨著通信技術的日益進步以及傳感器技術突飛猛進的發展,井下通信領域獲得了新的活力。井下通信的通信方式包括有線通信、泥漿壓力脈衝通信、電磁波通信、聲波通信。2002年大慶油田進行了深井聲波傳輸實驗,然而並沒有成功接收到信息。2007年,美國聖地牙哥實驗室優化了聲波通信方式,提高了通信速率,然而使用條件十分有限,僅能應用在空氣鑽井和欠平衡井。

井下通信系統分為地上電路和井下電路兩部分,地上電路的供電可以直接使用地面的電源;井下電路的供電只能採用電池的供電方法。井下空間狹小,電池體積非常有限,因此電池電量也比較少。實際採油工作中,設備由井口下放至井下深處,如無特殊情況,將一直工作至供電電池能量消耗殆盡。為了避免因為需要更換電池而造成油井停工的損失,井下電路最好能夠常年穩定地工作。在實現基本通信功能的條件下,只有儘可能降低電路的功耗,才有可能滿足實際井下工作需求。因此,設計過程中需要優化硬體設計,減少電路的工作功耗和靜態功耗,並且制定合理的電源管理方案,進一步減少電量的損耗。

井口處溫度可達50℃,井下溫度高達至125℃。系統的溫度對電路有較大影響,為了使研製設備可以正常工作,需要在電路設計、器件選擇耐高溫器件。井下空間十分有限,有限空間將給發射、接收電路的設計提出更為嚴格的要求。比如,水聲傳輸方案發射換能器的設計就受井口直徑的限制,為了能達到應有的功率和性能,只能考慮發射截面積不變,儘量增大換能器縱向長度,這造成低頻下發射換能器可能過長。同樣,接收端電路板設計只有元器件及布線更為緊密,通過增多層數達到設計要求。

我國在遠距離井下通信領域的技術比較的落後,部分油井採用的通信方式仍然是傳統的有線傳輸方式。有線傳輸方式需要鋪設很長的線纜,通信系統的建立成本巨大,設備維護困難。另外,井下高溫高壓的惡劣環境,常常造成線纜損壞,導致通信中斷。為滿足目前採油工業低成本、穩定運營的需求,本發明應用壓力脈衝和水聲兩種無線通信技術設計遠距離井下通信系統。本發明具有結構簡單,價格低廉,系統功耗低,性能穩定的特點。



技術實現要素:

為了進一步解決傳統井下通信系統存在的弊端。本發明的目的在於提供一種next系列產品msp430遠距離通信系統,該發明具有結構簡單,價格低廉,系統功耗低,性能穩定的特點。

為了實現上述系統,本發明採取的技術方案是:

一種next系列產品msp430遠距離通信系統,其特徵在於該系統由壓力脈衝通信系統、水聲信號通信系統、上位機、井下電源組成,其中壓力脈衝通信系統和水聲信號通信系統通過井下總線雙向連接,前者由壓力信號發射系統和壓力信號接收系統組成,後者由水聲信號發射系統和水聲信號接收系統組成;壓力脈衝通信系統採用正壓力脈衝的通信方式,通過增減壓力泵的供給壓力,使井筒內壓力發生變化,壓力泵通過人工操作增減壓力來生成壓力脈衝信號從而產生壓力脈衝,位於井下的壓力接收板接收、解調壓力脈衝信號並根據實際情況開啟和關閉其他電路板,在水聲信號通信系統中,上位機將信息發送給水聲數字板,水聲數字板將信息按照一定規則調製,調製信號經由dac模塊轉化為模擬信號,模擬信號由功率放大器進行放大後送入水聲換能器,水聲換能器安裝在油管的內部,且與油管內的液體充分接觸,水聲換能器可以將信號發送到信道中去,在井筒內的水聲信號被接收換能器接收,轉化為電信號,電信號經過濾波,放大,最後在井下的水聲數字板中解調,從而得到地面發送的信息。

在該msp430遠距離通信系統中,壓力脈衝通信系統採用正壓力脈衝的通信方式,通過增減壓力泵的供給壓力,使井筒內壓力發生變化,壓力泵通過人工操作增減壓力來生成壓力脈衝信號從而產生壓力脈衝。水聲數字板將信息按照一定規則調製,調製信號經由dac模塊轉化為模擬信號,模擬信號由功率放大器進行放大後送入水聲換能器,在井筒內的水聲信號被接收換能器(水聽器)接收,轉化為電信號;電信號經過濾波,放大,最後在井下的水聲數字板中解調,從而得到地面發送的信息。

在該msp430遠距離通信系統中,壓力脈衝通信系統由壓力信號發射系統和壓力信號接收系統組成,包括壓力泵和井下的壓力接收板,壓力脈衝通信系統採用正壓力脈衝的通信方式,通過增減壓力泵的供給壓力,壓力信號接收系統包括壓力傳感器,放大電路,喚醒電路,接收板處理器以及用於通信、供電的總線接口;所述壓力傳感器選用龍翔天力公司的ltp-j12a型薄膜壓力變送器,量程範圍0-100mpa,響應時間≤1毫秒,輸出阻抗1500±50ω;所述放大電路晶片選擇儀表放大器ad8227,ad8227是一款耐高溫、低功耗的晶片,增益調節範圍5~1000,電壓範圍可達2.2v到36v,靜態電流350ua,工作帶寬為250khz;所述接收板處理器選用msp430g2332型晶片,電流230ua,內置10位adc以及多個支持adc的i/o引腳,串口通信模式包括i2c,uart,spi;所述壓力接收板總線接口引腳用於壓力接收板與水聲數字板之間的通信,水聲數字板的電源使能端通信以及電池組連接,其通信協議為i2c。

在該msp430遠距離通信系統中,所述水聲信號發射系統包括:水聲信號數字板,數模轉換器,功率放大器和水聲換能器;所述水聲信號數字板採用tms320c28346型耐高溫數位訊號處理晶片,兼容了水聲信號發生器和水聲信號解調的電路板的功能,該晶片主頻300mhz,ram大小256k,具備2個spi模塊、3個uart模塊,內部集成i2c總線,工作溫度在-40℃至125℃之間;所述數模轉換器選擇ad5453型數字模擬變換器,正常工作電壓2.5v至5.5v之間,具有spi,microwire數位訊號處理晶片的接口,信號頻率高達50mhz,並具有10mhz的帶寬,為了減小數模轉換器的輸出阻抗,從ad5453輸出的模擬信號需要經過一個電壓穩壓器之後,再送入功率放大器板;所述信號首先經過功率放大器的第一級同向/反向放大器做了一定倍數的平衡放大,兩者輸出幅值相等、相位差180度的放大信號,然後把兩路輸出的信號再進行第二級放大,最後連接至換能器將信號發射出去,第一級放大電路的晶片採用ad8031,該晶片的工作帶寬較寬,半功率點在80mhz,在5v電源的供電條件下,功耗不超過5mw,第二級放大電路晶片選用mp118,最高可以輸出的信號強度可達100w;所述水聲換能器抗壓力70~80mpa,頻率10khz,接收靈敏度大於-180db,能抵抗5m/s沙粒流衝蝕,考慮到高壓存在可能導致的換能器彈射出井造成的不安全因素,本發明通過採用發射換能器側面打孔、螺母固定的方式將換能器倒懸在井口,換能器面朝下與水介質直接接觸,電線可由換能器尾部直接引出,也可從側面留孔處引出,外加保護蓋抗高壓保護,中間截面變化部分使用軟墊避免由於聲波縱向震動引起的傳感器與殼體的碰撞,從而保證信號穩定可靠。

在該msp430遠距離通信系統中,所述水聲信號接收系統包括:接收換能器,模擬板,水聲信號數字板;其中水聲換能器、水聲信號數字板如前述;所述模擬板由濾波器,adc模塊,程控增益放大器構成,模擬板功能為調理接收換能器的信號並將調理後的信號轉化為數位訊號,最後數位訊號由模擬板接口送入dsp模塊;濾波器採用多級結構,前端使用無源濾波器做低通濾波,後端使用有源濾波器做帶通濾波,系統信號的中心頻率在10khz左右,濾波器的通帶在9k~11k之間,而阻帶在25khz左右衰減40db;程控增益放大器的晶片選用lmp8358,放大倍數0到1000倍,支持單電源供電,靜態電流為1.8ma,工作帶寬8mhz,電信號經由兩個程控放大器後,信號分成兩路,一路直接傳入到adc中採樣得到數位訊號,一路經過檢波電路得到波形峰值,dsp會根據峰值調整程控增益放大器的增益;adc模塊晶片選擇ad7476,最大採樣速率1msps,供電電壓為2.7~5.25v,功耗4.5mw,靜態電流1ua,支持spi通信,可以與dsp進行高速通信。

本發明的有益效果是:

一種next系列產品msp430遠距離通信系統,其特徵在於,系統由壓力脈衝通信系統、水聲信號通信系統、上位機、井下電源組成,其中壓力脈衝通信系統和水聲信號通信系統通過井下總線雙向連接,前者由壓力信號發射系統和壓力信號接收系統組成,後者由水聲信號發射系統和水聲信號接收系統組成;在本發明中,壓力脈衝通信系統採用正壓力脈衝的通信方式,通過增減壓力泵的供給壓力,使井筒內壓力發生變化,壓力泵通過人工操作增減壓力來生成壓力脈衝信號從而產生壓力脈衝,放大電路晶片選擇儀表放大器ad8227,接收板處理器選用msp430g2332型晶片,通信協議為i2c。水聲信號數字板採用tms320c28346型耐高溫數位訊號處理晶片,數模轉換器選擇ad5453型數字模擬變換器,第一級放大電路的晶片採用ad8031,第二級放大電路晶片選用mp118;本發明具有結構簡單,價格低廉,實時性強,性能穩定的特點,系統功耗低,性能穩定的特點。

附圖說明

以下結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步的解釋說明。

圖1是next系列產品msp430遠距離通信系統總體框架圖;

圖2是壓力接收板系統框圖;

圖3是放大電路原理圖;

圖4是msp430g2332連接圖;

圖5是水聲信號發射框圖;

圖6是水聲信號數字板結構圖;

圖7是功放電路板系統框圖;

圖8是水聲信號接收系統結構框圖。

具體實施方式

本發明的具體實施方式為:所述的一種next系列產品msp430遠距離通信系統,壓力脈衝通信系統採用正壓力脈衝的通信方式,通過增減壓力泵的供給壓力,使井筒內壓力發生變化,壓力泵通過人工操作增減壓力來生成壓力脈衝信號從而產生壓力脈衝,位於井下的壓力接收板接收、解調壓力脈衝信號並根據實際情況開啟和關閉其他電路板,在水聲信號通信系統中,上位機將信息發送給水聲數字板,水聲數字板將信息按照一定規則調製,調製信號經由dac模塊轉化為模擬信號,模擬信號由功率放大器進行放大後送入水聲換能器,水聲換能器安裝在油管的內部,且與油管內的液體充分接觸,水聲換能器可以將信號發送到信道中去,在井筒內的水聲信號被接收換能器接收,轉化為電信號,電信號經過濾波,放大,最後在井下的水聲數字板中解調,從而得到地面發送的信息。

圖1是next系列產品msp430遠距離通信系統總體框架圖,該系統由壓力脈衝通信系統、水聲信號通信系統、上位機、井下電源組成,其中壓力脈衝通信系統和水聲信號通信系統通過井下總線雙向連接,前者由壓力信號發射系統和壓力信號接收系統組成,後者由水聲信號發射系統和水聲信號接收系統組成;上位機與水聲信號通信系統雙向連接,用於系統的控制和交互;井下電源與壓力脈衝通信系統和水聲信號通信系統通過導線連接,用於系統井下的供電;壓力信號發射系統與壓力信號接收系統分別由壓力泵和壓力接收板構成,之間通過油管連接;水聲信號發射系統由水聲信號數字板,數模轉換器,功率放大器和水聲換能器組成,水聲信號接收系統由接收換能器,模擬板,水聲信號數字板組成,水聲信號發射系統和水聲信號接收系統之間通過油管連接。

圖2是壓力接收板系統框圖,壓力接收板是壓力接收系統的核心,壓力接收板的結構包括:壓力傳感器,放大電路,喚醒電路,msp430g2332處理器以及用於通信、供電的總線接口。在本發明中,壓力傳感器選用龍翔天力公司的ltp-j12a型薄膜壓力變送器,量程範圍0-100mpa,響應時間≤1毫秒,輸出阻抗1500±50ω;在本發明中,接收板處理器選用msp430g2332型晶片,電流230ua,內置10位adc以及多個支持adc的i/o引腳,串口通信模式包括i2c,uart,spi;在本發明中,壓力接收板總線接口引腳用於壓力接收板與水聲數字板之間的通信,水聲數字板的電源使能端通信以及電池組連接,其通信協議為i2c。

圖3是放大電路原理圖,在本發明中,放大電路晶片選擇儀表放大器ad8227,ad8227是一款耐高溫、低功耗的晶片,增益調節範圍5~1000,電壓範圍可達2.2v到36v,靜態電流350ua,工作帶寬為250khz,圖中,2、3腳為放大器輸入端,6腳為放大器輸出端,1、8腳之間的電阻為rg。

圖4是msp430g2332連接圖,處理器是壓力接收板的核心,其功能是壓力信號採集、解碼,系統喚醒。該模塊對處理數據的速度、ram空間要求不高,因此處理器最好選用具有adc模塊、支持i2c通信、低功耗、體積小、工作頻率不高的晶片。msp430g2332有如下特性:在運行模式下,它的電流僅為230ua(1mhz,2.2v供電);晶片體積較小,封裝尺寸為6.5mm*6.5mm;可以在-40攝氏度到150攝氏度的溫度環境下工作;內置10位adc,多個支持adc的i/o引腳;4kb的快閃記憶體和256位元組的隨機存儲器;串口通信模式包括i2c,uart,spi;具有內置的16位定時器;從待機模式喚醒消耗的時間不到1us;具有5種節能模式,msp430g2332內部設有10位adc電路,可以片上直接採樣,參考電壓選用晶片內部的1.5v電壓。

圖5是水聲信號發射框圖,位於地面的水聲信號發射系統包括水聲信號數字板(dsp),數模轉換器(dac),功率放大器和水聲換能器,系統通過高性能信號處理器dsp解析發送的信號,對信號進行調製、加同步處理得到將要發送的數位訊號,在通過數字模擬轉換器模塊將數位訊號轉化成模擬信號,再經過功率放大器放大功率,最後通過發射換能器將模擬信號轉化為聲信號發送出去。

圖6是水聲信號數字板結構圖,水聲信號數字板兼容了水聲信號發生器和水聲信號解調的電路板的功能。水聲信號數字板的核心是數位訊號處理晶片,在搭載dac電路板時,它可以作為水聲信號發生器;在搭載adc電路板,它可以作為水下信號解調電路板。tms320c28346是一款低功耗、耐高溫的數位訊號處理晶片,主頻300mhz;ram大小256k,2個spi模塊,3個uart模塊,內部集成i2c總線;工作溫度在-40℃至125℃之間。本發明中選用is64wv6416bll作為外接隨機存儲器,數字板通過模擬板接口可以與模擬板dac相連,dsp的數位訊號從接口傳輸到dac模塊,本發明中電源轉換晶片使用高效率的tps62420,本發明選用三星公司的k9f1g08u0m作為存儲器件。

圖7是功放電路板系統框圖,功率放大器在系統中的位置處於水聲信號發生器和換能器之間,其功能是對水聲信號發生器產生的信號進行放大。本發明中的功率放大器用於將dac輸出的模擬信號放大,增加信號傳播距離。首先信號經過第一級同向/反向放大器做了一定倍數的平衡放大,兩者輸出幅值相等、相位差180度的放大信號;然後把兩路輸出的信號再進行第二級放大,最後連接至換能器將信號發射出去。第二級放大電路的供電電源需要正負100伏的直流電源,第一級放大電路需要正負5v的直流電源。因此,功率放大版需要設計兩個獨立的供電模塊。交流信號轉化為直流信號過程是變壓、整流、穩壓、濾波,為了保護電路,電路中都要串聯保險絲。第一級放大電路的晶片採用ad8031,該晶片的工作帶寬較寬,半功率點在80mhz,在5v電源的供電條件下,功耗不超過5mw,第二級放大電路晶片選用mp118,最高可以輸出的信號強度可達100w

圖8是水聲信號接收系統結構框圖,水聲信號接收系統包括:接收換能器,模擬板,水聲信號數字板(dsp)。其中模擬板由濾波器,adc模塊,程控增益放大器構成;水聲信號經過接收換能器轉化為電信號,電信號經過濾波模塊除去高頻及低頻的噪聲;經過濾波處理的信號在程控增益放大器中放大;adc模塊對放大信號進行採樣,得到數位訊號;dsp模塊讀取adc的轉化結果,至此,實現水聲信號的接收。模擬板的功能是調理接收換能器的信號並將調理後的信號轉化為數位訊號,最後數位訊號由模擬板接口送入dsp模塊。濾波器採用多級結構,前端使用無源濾波器做低通濾波,後端使用有源濾波器做帶通濾波,系統信號的中心頻率在10khz左右,濾波器的通帶在9k~11k之間,而阻帶在25khz左右衰減40db;程控增益放大器的晶片選用lmp8358,放大倍數0到1000倍,支持單電源供電,靜態電流為1.8ma,工作帶寬8mhz,電信號經由兩個程控放大器後,信號分成兩路,一路直接傳入到adc中採樣得到數位訊號,一路經過檢波電路得到波形峰值,dsp會根據峰值調整程控增益放大器的增益;adc模塊晶片選擇ad7476,最大採樣速率1msps,供電電壓為2.7~5.25v,功耗4.5mw,靜態電流1ua,支持spi通信,可以與dsp進行高速通信。

除了上述以外本發明所屬技術領域的普通技術人員也都能理解到,在此說明和圖示的具體實施例都可以進一步變動結合。雖然本發明是就其較佳實施例予以示圖說明的,但是熟悉本技術的人都可理解到,在所述權利要求書中所限定的本發明的精神和範圍內,還可對本發明做出多種改動和變動。

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