石油仪器 ２０１０年第２４卷第２期 ＰＥＴＲＯＩ ＥＵＭ ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＳ ・开发设计・ 井下无线短传系统的研究 周 静 张伟强 付 浩 （西安石油大学井下测控研究所陕西西安） 摘 要：文章主要介绍了通过使用两块Ｃ８０５１Ｆ０６０单片机构成的电路板和无线收发电路组成的井下无线短传系统的 设计思路 系统对传感器输出的数据进行采集，并将采集结果显示在用户交互界面上，进行井下采集的实时显示。 关键词：井下无线短传；实时采集；单片机 中图法分类号：Ｐ６３】．８ ｌ３ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００４—９１３４（２０１０）０２—０００３—０３ ０引 言 嗲器 不 转套 ＸＴＣＳ井跟轨迹自动控制系统的关键部分中包括 电源砬节 接收、中路板 发射毛路板主 头 钻井地质及工程参数检测器、双向通道。在井眼轨迹 图１可控偏心器机械结构图 遥控系统中，造斜时主轴带动钻头旋转破岩，不旋转套 主轴的一端接钻头，另外一端接稳定器。在稳定器中 是通过上下两端轴承安装在主轴上，其上的翼肋在液 还有与ＭＷＤ连接的电源短节。近钻头的传感器和下 压系统的控制下以一定压力推靠到井壁上，使得不旋 位机电路板以及发射电路板安装在不旋转套内的电子 转套相对井壁不旋转，而传递井底测量及操作信息的 腔中，中控电路板和接收电路板安装在稳定器的电源 ＭＷＤ的电器接口在钻艇内，需要有无线双向通道完 短节中。 成液压控制系统与ＭＷＤ之间的信息交换。 在闭环钻井系统中，要求实时地把井下的信息传 ２井下无线短传系统原理 递到地面，以实施人工监控。通常情况下该任务由 井下无线短传系统的工作原理是将近钻头传感器 ＭＷＤ中泥浆压力脉冲发生器来完成。当使用井下动 送来的数据送入下位机主控板，由主控板的单片机进 力钻具组合时，近钻头传感器和ＭＷＤ被动力钻具隔 行采集后将采集后的数据送人无线发射板。无线发射 开。传感器无法用线缆与ＭＷＤ连接，因此要把传感 板采用ＦＳＫ调制方式，将单片机送人的数据进行调 器的信息传送给ＭＷＤ只能通过无线通信的方法。由 制，编码，放大后由天线发射出。此时位于传输信道另 此可见，井下无线短传不仅可用于ＸＴＣＳ系统，而且对 一端的接收电路板将传输过来的信号进行解码，解调 于闭环钻井也有着十分重要的意义ｌｌ Ｊ。本文选用电磁 后送入ＭＷＤ中控。再经ＭＷＤ将信号传送至地面。 波传输方式来实现近钻头数据的传输＿２ Ｊ。 无线短传系统的原理框图如图２所示。 １可控偏心器短传系统 ３无线短传系统设计要求 该无线短传系统的传输环境是较为复杂的，在理 ３．１无线发射接收电路 论上很难建模仿真研究。解决信号传输问题只能通过 本无线收发电路主要由Ｃ８０５１Ｆ０６０单片机和无线 试验来实现。本文中的试验都是在可控偏心器中完成 射频芯片ｎＲＦ９０５组成。系统组成框图如图３所示。 的，可控偏心器机械结构图如图ｌ所示。 ｎＲＦ９０５芯片是挪威Ｎｏｒｄｉｃ公司推出的单片射频 主轴通过轴承的耦合穿过不旋转套，在不旋转套 收发器。芯片工作电压ＤＣ１．９ Ｖ～３．６ Ｖ，３２引脚 上有电子腔、控制偏心位移矢量的定位总成和翼肋。 ＱＦＮ封装，内置硬件ＣＲＣ检错和点对多点通信地址控 第一作者简介：周静，女，１９６４年生，教授，１９８８年毕业于西安电子科技大学信号与处理专业。现为中国石油天然气集团公司（ＣＮＰＣ）重点实验 室井下测控研究室副主任，“井下控制工程环境模拟实验室”主任。邮编：７１００６５ 石油仪器 ＰＥＴＲ０ＬＥＵＭ ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＳ ２０１０年ｏ４月 图２无线短传系统原理框图 图３无线收发电路系统组成框图 制，工作在４３３／８６８／９１５ ＭＨｚ ３个ＳＭ频段，频段之问 收发模式切换时间＜６５０ ｓ。 Ｃ８０５１Ｆ０６０是Ｓｉｌａｂｓ公司的一款精确混合信号单 片机，片内有８通道１６ｂｉｔ的Ｓ—Ｄ型ＡＤＣ，１２８倍 ＰＧＡ，电流型ＤＡＣ，ＶＲＥＦ等模拟外设，可以方便地和 温度压力等传感器直接连接。使用电流型ＤＡＣ对传 感器进行激励，传感器的输出信号经片内１２８倍ＰＧＡ 放大后进行Ａ／Ｄ转换，无需额外的信号调理电路。片 内８ＫＦＬＡＳＨ，可在线编程和改写，传感器的标定参数 可以在ＦＬＡＳＨ中存储，节省片外存储器。 ３．２无线发射电路天线的选择 本系统的无线发射接收电路主要利用ｎＲＦ９０５与 外围器件构成的电路组成，其主要部分是天线，简而言 之，就是一个特定形状的导体，它可以将电流转化为射 频能量并以电波形式发射出去，或将无线电波接收进 来。任何一个无线系统都有天线，天线设计的好坏直 接影响无线系统。 考虑到发射和接收装置安装在电子腔和电源短节 中，因而如果选择市面上购买ｎＲＦ９０５时所带的ＰＣＢ 天线，在四周由金属封闭的环境下，将会极大的影响通 讯的质量甚至会对电磁波信号产生屏蔽的效果。因而 我们在ｎＲＦ９０５的信号输出端引出馈线，该馈线选择 的同轴电缆传输线。同轴电缆的两根导线分别为芯线 和屏蔽铜网，因铜网接地，两根导体对地不对称，因此 叫做不对称式或不平衡式传输线ｌ３］。同轴电缆工作频 率范围宽，损耗小，对静电耦合有一定的屏蔽作用。馈 线的另一头分别接发射和接收线圈。发射线圈装在电 子腔不旋转套的上部，接收线圈则安装在钻铤上部。 ４软件设计 ４．１通信协议 本无线短传系统采取以其中一个单片机作为主 机，另外一个单片机作为从机，通过串行通信模拟实际 ＭＷＤ中的数据传输。主机首先发送地址帧命令为 ８８Ｈ，然后再以数据帧发送本帧长度字节０４Ｈ、扩展命 令０１Ｈ／０ＡＨ以及该帧的累加和校验码８ＤＨ／９６Ｈ这３ 个数，如图４所示。 加和校验码 帧头字节 图４主机向从机发送的命令图 当从机收到这４个字节命令后，马上向主机返回 相应的数据，如图５、图６所示。 帧 图５从机向主机返回数据１ 帧头本帧长扩展 实际数据共２Ｏ个 该帧的累加 字节度字节命令 字节包括全套ｌ０个参数 和校验码 图６从机向主机返回全套数据２ 当从机收到主机发送的数据后，对扩展命令进行 判断，若第３个数据为０１Ｈ则返回图５所示的数据， 若第３个数据为ＯＡＨ则返回图６所示的数据。累加 和为前面所有字节累加起来的结果。应当注意的是 ８８Ｈ这个帧头字节为地址帧，而后面３个字节均为数 据帧。 ４．２上下位机的通信 上下位机两个单片机之间的通信属于多机通信， 本次通信使用的是ＵＡＲＴＯ中的方式３可变波特率通 信方式。方式３操作使用１１位：一个起始位、８个数 据位（ＬＳＢ在先）、一个可编程的第九位和一个停止位。 通过使用第九数据位和内置ＵＡＲＴ０地址识别硬件支 持一个主处理器与一个或多个从处理器之间的多机通 信。当主机想要向一个或从机发送数据时，它先发送 一个用于选择目标从机的地址字节【 、５ Ｊ。地址字节与 数据字节的区别是：地址字节的第九位为逻辑１；数据 字节的第九位总是设置为逻辑０。图７为上位机程序 流程图。 当主机向从机发送数据时，发送的８８Ｈ为地址 帧，所以需要对第九位置１，即ＴＢ８０＝１；而当发送数 据帧０４Ｈ、０１Ｈ、８ＤＨ时，对第九位置０，即ＴＢ８０＝０。 当从机接到地址帧为８８Ｈ时，产生串行中断，进 ２０１０年第２４卷第２期 周静等：井下无线短传系统的研究 人串行中断子程序，关闭多机通信使能位（ＳＭ２０＝０） 和第九位发送位（ＴＢ８０：０）并且关闭串行中断的使能 位（ＥＳ０＝０），然后接收主机继续发送过来的３个字节 的数据帧，再根据判断返回图２或者图３中所对于的 数据。从机发送了数据，主机也应该同时接收到这些 数据，由于从机返回的第一位数据为地址帧，而后为数 据帧，所以主机在接收时也应该先以地址接收一个数 据，再接收剩余的１３／２３个数据。 图８钻井参数无线数据检测软件界面 图８中参数１至参数１５分别是图５和图６中对 应的实际测井参数的模拟电压值，其中包括压力，温 度，湿度，Ｇｘ，Ｇｙ，ｃｚ以及翼肋位移等等，这些值将会传 输给ＭＷＤ中的定向测量短节。 ５结论 通过使用两块Ｃ８０５１Ｆ０６０单片机构成的电路板 和无线收发电路模拟井下无线短传系统的设计思路， 为随钻测量钻井参数的短距离数据传输提供了一种设 计思想，该井下无线短传系统已在旋转导向智能钻井 ＸＴＣＳ系统中得以应用。 团 参考文献 图７上位机程序流程图 ［１］ 李林．随钻测量数据的井下短距离无线传输技术研究 ４．３用户界面的设计 ［Ｊ］．石油钻探技术，２００７，３５（１） 用户交互界面主要作用是模拟井上地面软件，用 ［２］刘修善．电磁随钻测量技术现状及发展趋势［Ｊ］．石油钻 来实时显示近钻头传感器输出，将相应的量化台阶数 探技术，２００６，３４（５） 或者模拟电压值较为直观的表现出。本软件采用 ［３］周静，王慧梅，南洋．井下声波短传系统中的解码方 ＶＢ６．０进行界面设计。通过串口０问主机要数，主机 法［Ｊ］．石油仪器，２００８，２２（６） 对用户界面发送的数据进行判别后，再将相关命令通 ［４］荚庆，王代华，张志杰．基于ｎＲＦ９０５的无线数据传输 系统［Ｊ］．国外电子元器件，２００８，（１） 过串口１发送至从机，同时从机将采集后的结果返回 ［５］何成．无线通信与网络［Ｍ］．北京：清华大学出版社， 给主机，并通过主机的串口０将对应数据在用户界面 ２００５ 上显示出。如图８所示。 （收稿日期：２００９—０９—２６编辑：高红霞） （上接第２页） 技术的应用、仪器测量模板的建立以及耐高温高压成 压仪器应向适应小直径、复杂井况、超高温、超高压方 像测井仪探头的研制。 向发展。 成像测井是为适应裂缝、薄互层、各向异性等复杂 参考文献 油气藏的勘探开发而发展起来的ｌ４］，成像测井对于深 ［１］ ＣＰＥＩＡ网．我国深井超深井钻井＿Ｔ程技术发展概况［ＤＢ／ 井超深井的地质构造解释、沉积学解释、裂缝识别、地 ＯＬ］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｐｅｉａ．ｏｒｇ．ｃｎ／ｚｗ／ｇｈｙｃ—ｓｙｚｃ．０９０５１４０１． 应力方向确定和薄层解释等具有常规测井仪器不可替 ｈｔｍｌ，２００９．０５．１４ 代的作用，高温高压成像测井仪器的研发将是今后相 ［２］ 中国石油网．发展超深井钻井势在必行［ＤＢ／ＯＬ］．２００５． 当长时期测井仪器发展的又一主要方向。 ０８ 高温小直径测井仪器和高温成像测井仪器作为今 ［３］Ｂａｋｅｒ Ａｔｌａｓ．Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｇｕｉｄｅ．２００２（资料） ［４］陈琼，王伟，葛辉．成像测井技术现状及进展［Ｍ］． 后国内高温仪器发展的攻关课题，其关键技术在于高 国外测井技术，２００７，２２（３） 温元器件的选择、高温小直径保温瓶的研制、电路集成 （收稿日期：２００９—１２—３１编辑：姜婷）
