井下电磁传输发射装置设计研究

田家兴，尹洪东，闫景富（中国石油大学（北京）北京102249）

井下电磁传输发射装置设计研究

田家兴，尹洪东，闫景富
（中国石油大学（北京）北京102249）

为了合理的开采地下油气资源，往往需要准确完整的获得井下待测地层压力和温度的数据，从而去评价其经济价值和确定增产措施。本文通过建立电磁传输地面模拟测试平台，分析了井下电磁传输系统的可行性及其信号幅频特性，采用电磁感应传输原理，设计出基于单片机的数据采集系统和基于DDS的信号发射装置，将数字信号调制为450 kHz和600 kHz的正弦波2FSK信号，其码元传输速率可达9 600 Bd。通过对地面模拟测试平台信号幅频特性的测试，分析了井下电磁传输系统的规律特性，介绍了针对井下电磁无线传输设计的数据采集和信号发射装置。

数据采集；电磁传输；DDS；调频

在油气开采过程中，通常需要将井下的温度、压力等测试数据实时、准确地传输到地面上来进行处理分析[1]。目前国内外生产的电缆地面直读电子压力计，由于关井阀等井下工具的存在，必须对井下测试工具做出特殊的改造，设置特殊的压力通道或者电气连接通道，将测试阀下方的压力温度数据传到测试阀上方，再经过电缆将井底压力数据传送到地面[2]，由于需要对测试工具进行改造，这在很大程度上限制了它们在实际现场中的应用和推广。

在这种背景下，研发出一种基于电磁感应原理的无线通信系统，将传感器采集到的测试阀下部压力温度信息，以无线方式传输到测试阀上部的接收器中，再通过电缆传输到地面上进行处理，具有传输稳定性高、速率快、精度高等特点，从而选择恰当的施工措施，提高测试作业实效，为现场施工提供准确可靠的科学决策依据[3]。

1 模拟系统地面测试平台

模拟传输系统地面测试平台的建立，为探求电磁感应无线传输的可行性奠定了基础。无线信道在传输的过程中通常会呈现带通滤波器的特性，只有通频带范围内的信号才能在无线信道上传输且衰减相对较低[4]，因此确定系统通频带变得尤为重要。

模拟传输系统测试平台设计以套管为基体，油管作为中介，将油管悬空放入套管之内并保证套管与油管之间没有直接接触，以模拟井下真实环境；以信号发生器作为信号源，模拟经过调制的井下温度、压力数据，再将信号进行功率放大以后送入发射线圈，有用信号在电磁感应信道中传输，最后以示波器作为接收器接到接收线圈上，观察并记录所得信息。

地层测试信息通过数据采集装置将完整的数据以数字信号的形式传入调制装置，再经过滤波、功率放大等调理后传入发射线圈；当接受线圈接收到数据之后经过信号放大和滤波以后传入解调装置，最终重新得到完整的数字信号数据。电磁传输系统结构示意图，如图1所示。

图1电磁传输系统结构示意图

2 传输信号幅频特性试验

实验前准备：

1）对实验相关设备进行组装，将发射线圈和功率放大器套装在油管上，并进行固定；将信号发生器两接头与发射线圈两端分别相连，示波器与接收线圈相连；相关设备采用市电供电，并注意所用设备和功率放大器等要严格共地，否则检测到的有用信号会被淹没在噪声中[5]；用万用表检测设备是否有短路状况，并通电。

2）载波波形的选择。前期实验中发现，当发射信号为方波信号时，接收端收到为脉冲信号，且振荡衰减的速度会与发射信号的频率相关，这种现象会导致在判决时产生码间串扰现象，从而造成误码[6]。而我们知道正弦信号，无论积分还是微分，只有相位发生变化，综合考虑载波波形确定为正弦波。

3）传输方式的选择。常用的二进制数字调制中，是通过载波的幅度、相位和频率产生对应的两种变化来传递信息。相应的调制方式有二进制振幅键控（2ASK）、二进制相移键控（2PSK）和二进制频移键控（2FSK）。由于发射和接收线圈在等效电路中以电感和电阻的形式存在，又由于分布电容和杂散电容等存在[7]，使回路形成串联谐振现象，无线信道便具有了带通特性。前期的试验可以确定接收到的信号会产生相位的搬移，因此不能使用2PSK方式。又考虑到随参信道存在频率选择性衰落现象，目前最常用的数字调制方式是相干2DPSK和非相干2FSK，2DPSK主要用于高速数据传输，而2FSK则适用于衰落信道传输和中、低速数据传输中[8]。而且在2FSK解调过程中，判决器是根据两支路解调输出的样值来设定判决门限的，因此对信道的变化不敏感，更适用于无线传输。最终决定传输方式为2FSK，即将压力、温度等信息转换为两种频率不同的正弦波传输信号。

在系统试验过程中，采用信号发生器作为信号源，发出正弦交流信号，在保证输出电压恒定的情况下，从50 kHz开始逐渐增加传输信号的频率，通过观察并记录示波器中接收到的感应线圈的信号频率，绘制相关信道的幅频特性曲线，分析电磁传输过程中信号的衰减情况。本实验分别对5米和10米长度的电磁感应信道进行对比分析，耦合器采用单根导线绕成的螺线管，获得分别在不同传输距离、不同电压、不同频率下系统的信道特性，如图2所示。

图2接收线圈幅频特性曲线

由图可知，在不同信号源电压其它条件相同下，接收信号端的幅频特性曲线变化情况基本一致，衰减倍数和通带频率基本相同：信号在400～1 600 kHz频率内传输衰减幅度比较小，即信道的通频带在400～1 600 kHz之间，中心频率1.1 MHz左右；基带载波频率和幅度相同时，传输信道长度越长，接收到的信号衰减越严重。但由于1M以上高频信号传输受制于电路设计、单片机的处理速度和芯片的选型等，根据信道幅频特性，综合考虑取信号在450 kHz 到700 kHz的频带范围内传输影响较小。

3 无线传输装置发射电路设计

3.1 基于单片机的数据采集装置

数据采集装置采用美国微芯科技公司的PIC18F4520单片机作为主控制器，该芯片具有较宽的温度范围和丰富的外设接口，最多可支持13路通道的10位模数转换模块，具有功耗管理模式，处于空闲模式时仅打开外设，电流可降至5.8 μA，处于休眠模式时电流最低可降至0.1 μA，大大降低了井下电路的功耗，提高了装置的一次性工作时长。采集装置由数据采集单元、存储单元、通讯单元组成。井下数据采集装置结构框图，如图3所示。

图3 数据采集装置结构框图

1）温度采集装置

温度采集装置采用DS18B20数字温度传感器，它具有功耗低、接线方便、测温准确等特点，测温范围为-55～125℃，测试结果以9～12位数字量串行传输，最低分辨率可达0.062 5℃。它以独特的“一线式”接入CPU，仅需要一根I/O口无需其他额外电源即可方便的进行温度测量。硬件电路设计时，只需在单片机通信的数据位DQ上，上拉一个10 kΩ的电阻即可[9]。其硬件开销较小的代价即是其实现程序的编写相对较为繁琐，串行数据传输的特点决定了它进行读写操作时，必须严格按照要求保证程序读写时序，否则无法读出测量结果。由于发出温度转化命令后，程序需要等待芯片的返回命令，如果传感器连接不好或者中断，在程序读取时，将等不到反馈命令，程序进入死循环，因此在对该传感器进行相关软件编程时要注意反馈的判断[9]。

2）压力采集装置

压力采集装置使用KELLER8系压阻式压力传感器。该传感器采用浮动O型圈密封安装方式，避免了因封装而导入的外壳应力[10]。整个传感器由压阻式硅片、玻璃脚支架、不锈钢隔离膜片和不锈钢外壳构成，并向其中注入硅油作为压力传递介质。外界压力源与不锈钢隔离膜片接触，通过元件内部的硅油将信号传导到压阻硅片上完成信号转换。

KELLER8系中高温压力传感器，压力最大可达600 bar，耐温最高可达150℃，每一个传感器都附带了一个校验证书，在所有的标准压力范围内，典型的在1 mA电源激励下，输出为0.322 mV/bar，最高为193.1 mV电压模拟型号，再经过A/D转换后再与单片机通信。

A/D转换电路选用美国ADI公司的AD7712来实现。该芯片是一款采用技术的24位无失码模拟前端，适合低频测量应用，具有两路模拟输入通道，能够接收来自传感器的高低电平信号，并转换为串行数字信号输出。AD7712可以通过软件控制输入信道的选通，设置增益和信号极性，其双向串行接口也更适合于微控制器系统应用中[11]。AD7712提供多种封装形式，同时还具有低功耗模型，最低功耗可降至100 μW，十分适用于井下数据测量应用。

3）实时时钟

为了达到准确记录井下数据采集时间的目的，电路上设计采用PCA8565时钟芯片。该芯片采用32.768 KHz晶振，IIC总线接入单片机，运行稳定准确，最高+125℃的工作温度满足井下环境高温的要求。

4）井下通信接口

由于在设计数据无线传输的同时，要求系统能够将井下数据准确存储，方便取出地面以后存入计算机进行数据对比，所以在井下采集和传输系统中必须设计通讯接口可以与计算机进行通信。单片机的接口是TTL电平，而电脑的串口是RS232电平，两者之间互相通信需要电平转化电路。PIC18F4520单片机内部集成了USART模块，设计采用MAX232电平转换芯片进行电平转换，只需三线连接串口进行通信[12]。这样当装置从井下取出时，只需要一根数据线就可以与电脑连接，将数据准确回读并与无线传输数据进行对比分析。

5）存储单元

数据存储采用ISSI公司的IS25LP064大容量FLASH。该芯片是一款SPI串行接口的大容量闪存芯片，最高工作温度可达+125℃，供电电压为2.3 V 至3.6 V，并具有低功耗模式，芯片进入休眠模式时，最低功耗仅为 5 μA。设计电路时将 WP#位和HOLD#位拉高，禁用写保护和重置功能，简化电路和程序的编写。

3.2 基于DDS的信号调制装置

由于数字信号无法直接在信道中传输，系统设计采用专用的数字调制芯片AD9837，将数字信号转换为2FSK信号，调制后的信号经过OPA552进行功率放大以后，传入电磁感应信道进行无线传输。该芯片是一款低功耗、可编程的波形发生器，参考时钟为16 MHz时，频率分辨率可达0.06 Hz，且具有休眠功能，以将功耗降至最低，最高可达+125℃的工作温度也更适用于井下数据的传输。AD9837采用直接数字合成技术（DDS），主要由四部分组成：相位累加器、正弦查找表（ROM）、数模转换器和参考时钟[13]，结构框图如图4所示。

图4DDS结构框图

AD9837通过向两个频率控制寄存器写入频率控制字，达到控制对应频率输出的目的，其内部频率控制寄存器为28位；输出信号相位控制通过内置的两个12位的相位寄存器进行。频率控制寄存器允许用串行输入的方式装载频率控制字，而相位累加器根据频率控制字进行相位累加，然后输入到正弦查找表的地址中映射成对应正弦波幅度的离散值，再驱动D/A进行转化输出模拟信号。寄存器每经过一次时钟后恢复初始状态，这样一个循环即输出一个正弦波[14]。正弦波的频率控制字:

其中fclk为时钟频率，fout为所需正弦波频率。

常用的DDS芯片均是以电流信号输出，输出端接取样电阻转化为电压信号。AD9837由于内部集成了一个200 Ω电阻，因此管脚直接输出为电压信号，输出信号范围为37 mV到0.645 V，若需要更大的输出电压，后级可以接运放进行放大，但要注意要有足够的带宽。

AD9837通过三线制串行接口写入数据，与DSP、SPI等标准接口兼容。只需将FSYNC、SCLK、SDATA三位与单片机相接，通过单片机写入频率控制字进行频率控制，电路连接如图5所示。

图5 基于AD9837的信号调制装置

数据在串行同步时钟SCLK的控制下以16bit一个字（D15位到D0位）写入器件，28位的数据需要2次写入完成，先写入低14位再写入高14位，D13位置1时，允许一个完整字节在两个连续的写入操作写入寄存器内。D15D14=01时，将频率控制字写入频率控制寄存器0；当D15D14=10时，表示将频率控制字写入频率控制寄存器1。在信号输出时，通过D11位控制选通起作用的频率寄存器进行输出，D11=0选通频率控制寄存器0在SCLK控制下进行输出，D11=1选通频率控制寄存器1进行输出。

在设计程序时，首先要对单片机和AD9837进行初始化设置，然后将频率控制字分别写入两个频率控制寄存器，选择寄存器控制方式为外部引脚控制。在对AD9837进行初始化时，通常会将D8位置1，启用RESET功能，这样可以避免在初始化过程中产生的杂散信号输出，直至芯片设置好准备输出有用信号再将该为置0[15]。

4 结 论

通过建立模拟传输系统地面测试平台，完成了对信道幅频特性的分析，同时确定通过2FSK方式将数字信号转换为450 kHz和600 kHz的正弦波进行电磁传输的方案。基于单片机的数据采集装置采用耐高温的PIC18系单片机，将井下数据转化为数字信号，相关外设基本具备低功耗模式，更适用于井下采用电池供电的系统。基于DDS的信号发射装置能够稳定输出2FSK正弦波信号。该装置具优良的频率准确性和稳定性，而且体积小、功耗小、操作简便。

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Research on the transmitting device for down-hole wireless electromagnetic transmission

TIAN Jia-xing，YIN Hong-dong，YAN Jing-fu
（China University of Petroleum（Beijing），Beijing 102249，China）

To exploit the down-hole oil and gas resource reasonably，and to evaluate its economic value and determine the stimulation，measurement signals need to be transmitted from the bottom to the ground in real time，such as temperature and pressure.This paper analysis the feasibility of down hole electromagnetictransmission system and signalamplitudefrequencycharacteristicsthrough the electromagnetic transmission ground simulation test platform，and designs a data acquisition system based on MCU and DDS based signal transmitting device using electromagnetic induction transmission principle，digital signal modulation is 450 kHz and 600 kHz sine wave of 2FSK signal，the symbol transmission rate up to 9 600 Bd.

data acquisition；electromagnetic transmission；DDS；frequency modulation

TN99

A

1674－6236（2017）07-0066-04

2016-04-11稿件编号：201604108

田家兴（1990—），男，辽宁鞍山人，硕士研究生。研究方向：信号检测与处理。