双向远程控制试井系统研究

本文介绍的试井系统借助下井控制器与井下探测器，通过无线传输方式实现无差错的双向交互通信，能够实时提取井下存储数据，有效提高测井的时效性和传输速率，并很好地满足不同井深及井下各种恶劣环境的测试需要。

　　1 系统硬件结构概述

　　

　　硬件部分如图1所示，主要包括地面控制系统、下井控制器和井下控制器三部分。地面控制系统有三种工作模式：地面模式、中转模式、直接模式。地面模式下主要功能是进行压力计的地面配置和测试。中转模式下，地面控制系统是PC机和井下控制器的连接单元，本身不主动发送指令，但可以进行实时的数据显示。直接模式下地面控制器可以独立控制井下系统，无需PC机参与操作，大大提高了油井现场操作的便携性，主要功能包括井下实时数据计算显示，下井命令发送，井下命令接收和相应井下数据的回传存储。下井控制器是针对下井压力计的功能设计的，主要实现下井过程中的压力实时跟踪，完成压力计的连接保持和压力数据回传。井下控制器是针对井下压力计设计的，主要功能是接收并执行地面控制系统发出的操作指令，完成压力计的电源管理、模式切换、数据回读等一系列功能。

　　2 远距离数据传输原理

　　本文所述方法具有许多技术难点，其中之一是长距离数据传输。井下和下井压力计、电路板工作于距离地面4000～6000m的油井中，井下压力、温度、湿度、噪声与地面有很大不同，此外，由于传输距离太长，传输线的分布电阻和分布电容较大，对所承载的信号衰减很大，另外还存在阻抗调制、脉冲噪声、等幅震荡波干扰等不利因素，难以达到高速传输。为此模拟长线传输做了大量的实验，并在现场用实际电缆做实验，最终采用较为可靠的扩频通信(Spread Spectrum Conummicadon)作为传送命令和数据的方式。

　　扩频通信指传输系统中用于传送信息的信号带宽远大于信息本身带宽的通信方式，即将待传送基带信号用扩频序列发生器产生的伪随机编码进行扩频调制从而将频谱扩展，形成扩展带宽的低功率谱密度信号进行传输。接收端采用同样伪随机编码通过相关处理恢复成窄带信号，再解调数据恢复出原始信号数据。

　　从香农公式我们可以了解扩频通信的理论来源，在受到加性高斯白噪声的信道中，信道容量由下式描述：

　　

　　在给定的信道容量下可以用不同带宽和信噪比的组合来传输，若减小其中一项则势必要增大另一项以平衡信道固有的容量。因此，当信噪比太小不能保证通信质量时，常采用宽带系统，即用增加带宽(展宽频谱)来提高信道容量，扩展信号频谱降低功率谱密度，从而使信号幅度降低且隐蔽性好以改善通信质量，这就是通常所谓用带宽换取功率的通信方法。

本文所述系统扩频信号采用一系列短促的、可自同步的扫描频率chirps作为载波，每个chirps一般持续100 μs，代表最基本的通信符号时间。由于chirps信号的线性扫描带宽比信号带宽要大得多，其线性加速度较高，而等幅振荡干扰的频率加速度一般较稳定，因此设计特定角加速度信号的滤波器可以将该干扰消除。此外chirps波形还具有很强的自相关特性，这种模糊逻辑相关性决定了所有通信系统中的设备，可以同时识别通信系统中任意设备发出的这种独特波形，并且不需要在发送和接收设备间进行同步。图2所示为扩频载波chirps一个周期的波形图。

　　

　　系统所选通讯接口控制器是一个高度集成化的收发器和信道存取接口，采用扩频载波(Spread Spectrum Carrier)技术，适用CEBus接口标准，具有很强的抗干扰能力。通信物理层采用振幅移位键控(ASK)和反相键控(PRK)两种载波调制方式，如图3所示，其中ASK调制用于信息包的前同步码，分别由高电平、低电平表征chirps的有无。已编码数据段采用PRK调制方式，利用相差180°的两其中模拟电路部分的主要功能为经低通滤波处理滤除经电缆传输后压力计信号中的高频分量，并将模拟信号进行数字化处理。

　　数字电路部分考虑到长线传输的系统频带限制，及压力计信号输出采用的部分响应基带传输方式，所以原始信号需经过硬件电路处理恢复出数据信号供主处理器处理。

　　数字信号首先经过去除毛刺后分成两路，一路未进行任何处理，另一路经过由两片FIFO寄存器和一片移位寄存器构成的移位电路，经过精确位移的信号与原信号进行异或操作，恢复出数据信号，再经过滤波处理然后直接送给主处理器进行相关处理，并在指定端口处发送出去。该电路中配备一定频率的振荡器，经分频后作为队列寄存器和移位寄存器的驱动时钟信号。

电源管理模块提供了系统各个模块所需的工作电压，并具有高温保护功能，当温度过高时电源自动断电，并在掉电时将滤波电路的反馈