淺談直讀式電子壓力計(jì)數(shù)據(jù)傳輸方案和實(shí)施

1、    淺談直讀式電子壓力計(jì)數(shù)據(jù)傳輸方案和實(shí)施作者：謝冬梅馮貴洪王文青田昆論文關(guān)鍵詞:直讀式電子壓力計(jì);單芯遠(yuǎn)距離傳輸;曼徹斯特碼;編碼;解碼 論文摘要:本文從現(xiàn)有存儲(chǔ)式電子壓力計(jì)的技術(shù)現(xiàn)狀出發(fā)，分析了在井下高溫、高壓、遠(yuǎn)距離條件下，實(shí)現(xiàn)壓力、溫度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)可靠采集、傳輸、分析的壓力計(jì)直讀式電子壓力計(jì)的數(shù)據(jù)傳輸方案和實(shí)施，并從技術(shù)需求分析、通訊方案選擇、單芯遠(yuǎn)距離傳輸、曼徹斯特碼編解碼的軟硬件設(shè)計(jì)等方面，對(duì)直讀式電子壓力計(jì)數(shù)據(jù)傳輸方案進(jìn)行了深入研究。試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，本文研究結(jié)果解決了直讀式電子壓力計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，增強(qiáng)了電子壓力計(jì)在油田測(cè)井領(lǐng)域的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)

2、力。 一、引言 目前存儲(chǔ)式電子壓力計(jì)已廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)各大油田高溫井下壓力和溫度的測(cè)量。存儲(chǔ)式電子壓力計(jì)在工作過程中，儀器內(nèi)的單片機(jī)系統(tǒng)和各種傳感器共同完成井下壓力和溫度的采集，并以數(shù)字量形式存儲(chǔ)于電可改寫型存儲(chǔ)器中，待測(cè)試過程完成后，再將壓力計(jì)返回地面，用專門配套研制的數(shù)據(jù)回放儀與壓力計(jì)連接，通過軟件和硬件接口通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收、回放和處理，使用很不方便，影響生產(chǎn)。 因此，為克服存儲(chǔ)式電子壓力計(jì)的上述缺點(diǎn)，提高油田生產(chǎn)效率，提升電子壓力計(jì)在油田測(cè)井領(lǐng)域的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，必須研制在井下高溫、高壓、遠(yuǎn)距離條件下，實(shí)現(xiàn)壓力、溫度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)可靠采集、傳輸、分析的壓力計(jì)直讀式電子壓力計(jì)。 二、直讀式電子壓力計(jì)

3、技術(shù)需求分析 （一）功能及主要技術(shù)指標(biāo)要求 直讀式電子壓力計(jì)實(shí)現(xiàn)井下壓力和溫度參數(shù)的測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果通過單芯鎧裝電纜實(shí)時(shí)傳送至地面解碼控制儀，主要技術(shù)指標(biāo)要求如下所示。 a) 壓力測(cè)量范圍：（030、45、60、80）MPa；壓力測(cè)量誤差： 0.04%F.S； b) 溫度測(cè)量范圍：（-20+150）, 測(cè)量誤差：±1； c) 傳輸距離不小于6000m；通訊誤碼率1.0×10-7。 （二）基本方案及工作原理 直讀式電子壓力計(jì)由井下電子壓力計(jì)和地面解碼控制儀兩部分組成，其中井下電子壓力計(jì)由壓力傳感器、溫度傳感器、信號(hào)放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)系統(tǒng)、編碼電路、數(shù)字通訊接口電

4、路和裝載于單片機(jī)系統(tǒng)中的相關(guān)工作軟件組成，解碼控制儀由解碼電路、通訊接口電路、通用計(jì)算機(jī)(油田配置)和相關(guān)工作軟件組成。 工作過程中，井下電子壓力計(jì)由地面解碼控制儀通過單芯鎧裝電纜提供能源，溫度和壓力傳感器分別將環(huán)境壓力和溫度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，該電信號(hào)經(jīng)放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換后由單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集和處理，然后按一定周期經(jīng)數(shù)字通訊口輸出。井下電子壓力計(jì)和井上解碼控制儀之間通過單芯鎧裝電纜連接，解碼控制儀中通訊接口電路接收井下電子壓力計(jì)輸出的壓力和溫度數(shù)據(jù)，并經(jīng)解碼后輸入計(jì)算機(jī)中進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和處理。 三、數(shù)據(jù)傳輸方案選擇 設(shè)備之間數(shù)據(jù)通訊通常有并行通訊和串行通訊兩種方案，并行通訊的缺點(diǎn)是傳輸距離短

5、，通訊信道所占點(diǎn)號(hào)多，而串行通訊與之相反。根據(jù)井下電子壓力計(jì)與井上解碼控制儀的數(shù)據(jù)傳輸特點(diǎn)，需選擇串行數(shù)據(jù)傳輸方式。 在曼徹斯特編碼中，用電壓跳變的相位不同來區(qū)分邏輯1和邏輯0，即用正的電壓跳變表示邏輯0，用負(fù)的電壓跳變表示邏輯1。 在油田測(cè)井中，井下電子壓力計(jì)在井下采集大量信息，并傳送給地面解碼控制儀；但井下電子壓力計(jì)到地面解碼控制儀這段信道的傳輸距離較長(zhǎng)且環(huán)境惡劣，常用的NRZ碼不適合在這樣的信道里傳輸，而且NRZ碼含有豐富的直流分量，容易引起滾筒的磁化。曼徹斯特編碼方式使得信號(hào)以串行脈沖碼的調(diào)制方式在數(shù)據(jù)線上傳輸，和最常用的NRZ碼相比，消除了NRZ碼的直流成分，具有時(shí)鐘恢復(fù)和更好的抗干

6、擾性能，這使它更適合于從井下到井上的信道傳輸，因而在井下電子壓力計(jì)和地面解碼控制儀之間選用曼徹斯特編碼使數(shù)據(jù)傳輸可靠性更高、傳輸距離更遠(yuǎn)。 四、曼徹斯特碼編碼軟硬件設(shè)計(jì) 每一周期井下電子壓力計(jì)需將采集到的壓力和溫度兩個(gè)參數(shù)分別進(jìn)行曼徹斯特編碼方式輸出，井下電子壓力計(jì)與地面解碼控制儀之間按如下通訊協(xié)議進(jìn)行。 a) 壓力與溫度均以字為單位進(jìn)行傳送，先發(fā)送壓力字，后發(fā)送溫度字，一個(gè)壓力字和一個(gè)溫度字的組合稱為一個(gè)消息； b) 每一個(gè)字由20位組成，第13位為3個(gè)起始位，第419位為16個(gè)數(shù)據(jù)位，第20位為奇偶校驗(yàn)位； c) 壓力字3個(gè)起始位電平為先高后低，溫度字起始位為先低后高，高低電平均各占一位半

7、，壓力字與溫度字校驗(yàn)位均采用奇校驗(yàn)； d) 傳輸?shù)牟ㄌ芈剩?.7292 kbps（175s/位），傳輸一個(gè)消息共耗時(shí)3.5ms。為保證數(shù)據(jù)傳輸可靠性，井下電子壓力計(jì)同一消息在一個(gè)采樣周期內(nèi)重復(fù)發(fā)送兩次，地面解碼控制儀根據(jù)校驗(yàn)位判斷每個(gè)字的正確性。 由單片機(jī)編程輸出兩路I/O控制信號(hào)，經(jīng)過濾波電路、運(yùn)放電路、整型電路后，產(chǎn)生曼徹斯特編碼雙相電平信號(hào)，并經(jīng)單芯鎧裝電纜送至地面解碼控制儀。為滿足曼徹斯特編碼格式及井下電子壓力計(jì)與地面解碼控制儀之間的通訊協(xié)議，井下電子壓力計(jì)軟件采用如下的編程方式輸出波形。 a）壓力字同步頭為262.5s高電平后跟隨262.5s低電平，溫度字同步頭為262.5s低電平后

8、跟隨262.5s高電平； b）若數(shù)據(jù)位為邏輯0，則在87.5s低電平后跟隨87.5s高電平； c）若數(shù)據(jù)位為邏輯1，則在87.5s高電平后跟隨87.5s低電平； d）校驗(yàn)位的波形產(chǎn)生方式與數(shù)據(jù)位相同。 五、曼徹斯特碼解碼軟硬件設(shè)計(jì) 地面解碼控制儀需將井下電子壓力計(jì)輸出的曼徹斯特碼進(jìn)行解碼，并按通訊協(xié)議用軟件將接收到的曼徹斯特碼數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為井下電子壓力計(jì)測(cè)得的壓力和溫度數(shù)據(jù)，即地面解碼控制儀中的解碼過程為井下電子壓力計(jì)編碼過程的逆過程。曼徹斯特碼解碼過程可分為如下三部分： a) 同步字頭檢測(cè)，并辨別其為溫度數(shù)據(jù)還是壓力數(shù)據(jù)。 b) 對(duì)曼碼形式的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，從曼徹斯特碼波形中分離出同步時(shí)鐘，并將時(shí)

9、鐘和數(shù)據(jù)進(jìn)行處理使曼碼數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為非歸零二進(jìn)制數(shù)據(jù)。 c) 將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為并行數(shù)據(jù)，并進(jìn)行奇偶校驗(yàn)，以檢驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。 經(jīng)過幾千米鎧裝電纜傳輸上來的數(shù)據(jù)，幅度衰減到毫伏級(jí)，因此井上需要精密的解碼電路，才能保證數(shù)據(jù)傳輸無(wú)誤碼率。井下傳輸上來的數(shù)據(jù)經(jīng)過濾波電路、精密運(yùn)算放大器、雙D觸發(fā)器輸出曼碼波形給單片機(jī)，經(jīng)過單片機(jī)的程序轉(zhuǎn)化為井下的壓力與溫度數(shù)字量。 六、試驗(yàn)結(jié)果 直讀式電子壓力計(jì)首臺(tái)產(chǎn)品完成廠內(nèi)試驗(yàn)后，到油田用8000m的鎧裝電纜連接井下電子壓力計(jì)和地面解碼控制儀，將電子壓力計(jì)下放到井下6500m的深度，在溫度高達(dá)150、壓力為3060 MPa的油井中測(cè)試壓力和溫度。在三次連續(xù)5個(gè)小時(shí)的測(cè)試過程中，數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確可靠，沒有出現(xiàn)丟點(diǎn)現(xiàn)象，誤碼率為零。 七、結(jié)束語(yǔ) 試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，本文研究結(jié)果解決了直讀式電子