一种石油测井设备用QPSK数据通信方案.pdf

过程控制实施技术 石 油 化 工 自 动 化 ，2 0 0 9 ，3 8 7 AUT0M ATI ON I N P ETRo CHEM I CAL I NDUS TRY 一 种石油测井设备用 QP S K数据通信方案 赵 坤 中海油 田服务股份有 限公 司 ， 河北0 6 5 2 0 0 摘 要 由于石油井下的环境特殊 ， 探 头电机 和大地噪声的干扰很强 ， 所以采用普通 的方案很难满足测井设备通信的要 求。 描述 了一种采用 QP S K技术 ， 通过一根缆芯完成石油测井设备通信的调制解 调器方案 ， 通过 AG C， 滤波器和 F P GA算法该方案 有效完成了 3 8 ． 4 Kb p s速率 的半双工通信 ， 可 以适应远距离通信的需要 。 关 键 词 QP S K； 高温 ； 相干编码 中图分类号 T P 2 7 3 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 7 7 3 2 4 2 0 0 9 0 3 0 0 8 7 0 2 石油测井设备将各种传感器获得 的油井内信 息通过几千米的 7芯铠装电缆才能传输到地面测 井仪 进行 处理 。 目前 应 用 最广 泛 的曼 彻斯 特 编 码 调 制方 式 速率 可 达 2 3 0 Kb p s 。但 是 要 占用 多 达 6 根缆 芯 。本 文讲 述 的方 案 要 求 在 一 根缆 芯 上 实 现 3 8 ． 4 Kb p s 半双工通信 ， 通信距离 7 k m， 并能持续 在 1 5 0 ℃ 的高 温环 境 下 工 作 2 4 h 。 目前 测 井设 备 常用 的数据 通信调 制方 式有 以下 两种 。 a 采 用双极 性信 号 的基 带传 输 方 式 ， 如 R S一 4 8 5 ， C AN， 1 5 5 3 B u s 等 ， 需 要 根 据 现 场 情 况调 整 终 端的匹配阻抗才能正常工作 ， 而且最好采用高效率 的编码才 能取 得 比较 理 想 的误 码率 。一般 只能 提 供 比较低 的速 率 ， 收 发需要 4根缆芯 完成 。 b 使用 频率 调制 方式完 成 的数 字 调制解 调 系 统 ， 数字调制信号又称为键控信号 ， 数字调制过程 中处理的是数字信号 ， 而载波有振 幅、 频率和相位 3个变量， 且二进制的信号只有高低 电平两个逻辑 量 1和 0 ， 所 以调制 的过程 可 用键 控 的方 法 由基 带 信号对载频信号的振幅、 频率及相位进行调制 。最 基 本 的方法 有 3种 正 交 幅度 调 制 QAM 、 频 移 键 控 F S K 、 相移键 控 P S K 。根 据 所处 理 的 基带 信号的进制不同分 为二进制 和多进制 调制 M 进 制 ， 多进制数字调制与二进制相比， 其频谱利用率 更高。单根缆芯通信时该技术的抗干扰能力强 ， 使 用比较简单， 能够在较低 的通信 速率下可靠工作 。 但是如果希望达到在较长距离 7 k m 以上 ， 高速 通信 1 Mb p s以上 ， 需要采用差分调制方式 ， 采用 高效的卷积纠错编码 ， 使用交织编码技术抗扰等手 段。可以实现理想 的低误码率。 本文的方案采用了 QP S K调制方式， 主要 电路 包括了由 A G C放大器和高速运放实现的滤波器组 成 的模 拟前 端 ， 使用 高速 AD C ／ D A C加上 F P G A 芯 片， 和单片机实现的数据调制解调和数据帧的解析。 必 须选取 电压 范 围宽 、 耐 高温 1 2 5 。 、 结 温 达 1 5 0 ℃ 的半导体器件。电路原理如图 1 所示。 发送 J 使能 l 摔 制 I 线 路 接 口 图 1 调 制解调 器 电路原 理 模拟 前端 的输 入 信 号 放 大 电路 选 用 A GC 电 路 ， AG C电路是一种在输入信号幅度变化很大 的 情况 下 ， 使 输 出信号 幅度保 持 恒定 或仅在 较小 范 围 内变 化 的 自动控 制 电路 。AG C的基 本 原理 是产 生 一 个 随输 入 电 平 而 变 化 的 直 流 AGC 电 压 ， 利 用 A GC电压 去控制 某些 放大 部件 如接 口放 大 的增 益 ， 使 接 收机 总增 益按 照 一 定 规 律 而 变 化 。AG C 电路主 要 由控制 电路 和 被 控 电路 两 部 分 组成 。控 制电路就是 AGC直流电压 的产生部分 ， 被控电路 按 照控制 电路 所产 生 的控 制 电 压来 改 变 接 收 机 的 增益。建议电路多采用两极增益放大配合工作 ， 以 精密电阻分压控制增益控制 电平。末端用一只高 收稿 日期 2 0 0 9一 O 32 O 。 作者简介 赵 坤 1 9 7 2 一 ， 2 0 0 4年 毕业 于 At e n e o d e Ma n i l a Un i v e r s i t y MS I T专业 ， 现工作 于中海 油 田服 务股份 有限 公 司， 任 项 目经 理 。 一 一 图装一 __ ] 叶 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 8 石 油化工 自动化 2 0 0 9钲 速三 极管完 成信号 A GC控 制 。 后级 的滤 波 电路 采 用 S a l l e n K e y滤 波 器 ， 采 用一 级高通 和一级 低通 滤波器 完成 的带通 滤波 ， 滤 出带 外 噪 声 信 号 ， 抑 制 噪声 毛 刺 的 干 扰 。S a l l e n Ke y滤 波器 实现 简单 ， 调试 难 度低 ， 工作 稳 定 是 最 常用 的二 阶滤波 器 。 信号 经过模 拟前 端放 大滤 波后使 用 高温 A D C 芯 片进行 波形采 样 ， 输 入 F P GA， 进 行解码 处理 ， 采 用 Al t e r a 公 司扩 展 级 温度 的 F P GA 芯 片 ， 能 够 在 1 2 5 ℃下正常工作， 结温达到 1 5 0 ℃， 必须进行 降额 设计 ， 降低主频和逻辑 占用率， 合理分布逻辑块 ， 对 RAM 进行使 能禁 止设计 等 。 QP S K 的数字 调制 和解调 部分 采用 F P GA， 加 上单 片机来 完 成 。单 片机 有效 地 分 担 以下 F P GA 不擅 长的复杂 串行 逻辑处 理部 分 a 完 成上位计 算机 或主 机板 异 步 串行信 号通 信 ， 把数据报文写入和读出数字调制解调器的成帧 和解 帧部分 。 b 完成维 护 和 告 警信 息 的指 示 和 提取 ， 以 及 内部维护命令应答和操作等。 c 完 成 电路 的 上 电 自测 功 能 ， 通 过 串 口打 印 测试 结果 ， 各 供 电电压 情况 ， 时钟状 态 ， 接 口数据 发 送 ， 接 收状 态等信 息 。 d 半 双工 的通 信 握 手 ， 采 用 收 帧应 答 和 应 答 超时探 测 的方式完 成 ， 工作 机制 简单可靠 。 e 在 不 能 通 信 时 维 护 探 测 脉 冲 的 发 送 和 接 收 ， 做 发送 幅度训 练 。 对 QP S K 必 须 说 明 一 点 ， Q P S K 可 以 达 到 2 B ／ s 的编码 效 率 只是 理 论 上 的 ， 实 际应 用 中 由于 频谱不 可能 如此 理 想 ， 由于 电路 和 电缆 的影 响 ， 波 形 的变化边 沿经 常会被拉 长或 缩短 ， 所 以想 正确实 用 QP S K必 须 根据 电路 修 改 QP S K 的波 形 模 版 ， 这决 定 了接收端 能 否可 以取得 良好 的频 谱 特 征不 会发 生误判 误码 。另外 为 了 防止 波 形包 络 抖 动还 必须 采 用 合 适 的 前导 数 据 稳 定前 端 AG C在 数 据 突发 时 的增 益调 整值 。 该方 案经调 试 已经被 2种测井 仪器采 用 ， 现 场 工 作稳定 可靠 ， 抗 干扰 能力 强 ， 无须 现场调试 ， 能 够 在 1 5 0 ℃ 的工作环 境下持 续 2 4 h工作 。 参考文献 1 高如云， 陆曼茹 ， 张企民 ， 等． 通信 电子线路 E M] ． 西安 西安电 子科技大学 出版社 ， 2 0 0 8 2 张力军， 张宗橙 ， 郑宝玉． 数字通信[ M] ． 第 4版． 北京 电子工 业 出版社 ， 2 0 0 3 3 刘世刚 ， 葛l临东． 一种结构 简单性能优 良的 AGC电路[ J ] ． 今 日 电子 ， 2 0 0 5 ， 9 9 3 9 5 4 王新梅 ， 肖国镇． 纠错 码原理 与方法[ M] ． 西安 西安 电子 科技大学出版社， 2 0 0 1 5 张建斌． 基于 VHDL语言 的卷积码编解码器 的设计[ J ] ． 现代 电 子 技 术 ， 2 0 0 5， 2 8 3 6 3 6 5 A SI 音波测漏系统 音波测漏系统 Wa v e Al a r t S y s t e m 是 目前全球测漏防盗领域中最先进 、 最成熟 、 最 安全的技术 。与其他测漏技 术相 比 有 以下几方面优势 迅速泄漏发生 6 0 S内测出 ， 比其他方式快 3 O倍 以上 。 安全发生重大泄漏可在 3 0 S内自动关 闭系统 ， 最大限度地减少伤亡和损失 。 准确 无仪表误差 ， 泄漏监测报警最小孔径 可达 2 mm， 而其他 方式在遇慢 漏时经 常无法断定 究竟 是仪表误 差还是 实 际 泄漏 。 精确泄漏点定位误差小于 3 0 m， 比其他方式精确 6 6 倍 。 便捷安装维护简单 ， 施工不影响既有通讯和管道的正常运行 ， 非专业人员也可 以迅速掌握正确的操作方法 。 经济一次性投入较其他系统略高 ， 维护费用却成倍 降低 ， 系统获得 的整体优势能使漏盗损失大幅度减少 。 音波测漏具有两大系统优势 无忧患 的安全保障 。音波测漏系统在迅 速、 安全、 准确 、 精确 、 便 捷和 自动关 闭阀 门等 方面具有 明显优势 ， 正是这些优 势使该系统成 为迄今为止世界上惟一有记 录证 明的 ， 在 测漏后几 十秒 内 自动关 闭管路 ， 成功避 免重大伤 亡事故 的测漏 系 统 。中国于 2 0 0 4年在 西气 东输 主干线 山西段上进行了现场 实验 ， 效 果很好 。并 于 2 0 0 5年在西 气东输 主干线苏 、 浙 、 沪段 进行项 目实施 ， 于 2 0 0 6年 5月进行现场验收， 达到了预期 的效果 ， 在管径 为 1 0 1 6 m m 和 4 2 k m 长的管段上能捕捉到 3 mm 的泄漏孑 L 径。2 0 0 9年该技术成功应用于 中石油大港至枣庄成 品油管线 ， 其中在管径 为 3 5 5 mm 和 6 8 k m 长的成品 油管段 上 ， 在最不利点 ， 管道停输和输送两个工况下 ， 均能捕捉到 6 mm的泄漏孔径 。 灵敏精确的防盗设 置。音波测漏能轻而易举地将 隐蔽盗窃及 时发现 包括 目前 流行的缓起 阀门或采 用橡胶软 管控制 压力和流量的隐蔽 盗油 ， 并 即时发 出误差小于 3 0 m 的精确定位报警 。音波测漏 系统技术公 司每年投人 大量人力财 力跟 踪盗油技术动向 ， 及时升级版本增加设置或采取相应对策 。效果显著 ， 广受好评 。 音波测漏系统 不仅 确立 了该系统在先进性 、 可靠性和成熟性等方面的国际领先地位 ， 也 表明了该系统将被更加 广泛使 用 的国际趋势 目前中国管道运输规模发展迅速 ， 不论是油还是气 ， 均关 系国计 民生 且事故无小 ， 重大技 术选择方 面的前 瞻性和决策的缜密性也就变得十分重要 ， 先进 、 成熟 、 安全 的音波测漏系统在中国必将有广 阔的应用前景。 北京世 纪华扬能源科技 有限公 司 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m