井上泥浆压力脉冲信号的无线高速采集与传输系统*

解 庆 白玉新 罗 翔 程召江

(北京精密机电控制设备研究所 北京 100076)



·开发设计·

井上泥浆压力脉冲信号的无线高速采集与传输系统*

解 庆 白玉新 罗 翔 程召江

(北京精密机电控制设备研究所 北京 100076)

为了实现接收与解调井下旋转导向工具上行传输的泥浆脉冲信号，设计了一种复合型泥浆压力采集与传输系统。该系统具备高精度、高速率、抗干扰及高可靠的信号采集性能，不仅兼容电压型和电流型压力传感器两种采集模式，同时也兼容无线型和有线型两种数据传输模式。

旋转导向；泥浆脉冲信号；高速采集；无线传输

0 引 言

旋转导向钻井工具在井下工作时需要实时地与地面进行双向数据通信，数据的上传和下传是根据专用的通信协议调整钻井管道中的泥浆压力的脉冲频率来实现的。一方面，井下钻井工具通过改变泥浆压力脉冲频率不间断地向地面传输井下工具的各种状态参数；另一方面，地面通过改变泥浆压力脉冲频率对井下工具进行指令的下传。

由于从井下几千米的深井向地面传送的泥浆压力脉冲信号很微弱并且受到很多谐波干扰，地面的接收设备需要具备高分辨率、高性能滤波、抗干扰的泥浆压力脉冲采集能力，并且采集到的数据需要高速率、高可靠、无丢包地从井上现场向远程监控中心传送，再经过解码和数据处理后由操作人员实施监控。

针对井上泥浆压力脉冲信号的采集与传输，设计了一种具备无线信号远程传输能力的高精度、高速率、抗干扰的泥浆压力采集与传输系统。

1 总体方案设计与技术指标

1.1 总体方案设计

本文所述的井上泥浆压力无线高速采集系统也可以被称为“电压/电流复合型收发一体系统”，是电流型和电压型、无线型和有线型一体化集成采集系统，不仅兼容了电压型传感器和电流型传感器两种采集模式，也集成了无线传输和有线传输两种数据传输形式，实现泥浆压力脉冲信号的采集、发送和接收的通用一体化，根据井上现场环境和需求来进行选择和搭配。

系统的各项功能指标见表1。

1.2 电压型无线采集方式

如图1所示，电压型泥浆压力传感器安装在井口的泥浆管道上，作为发射机的无线高速采集系统放置在泥浆压力传感器附近，通过短电缆与之相连接，另一台无线高速采集系统作为接收机放置在远处的监控中心里与PC通过USB相连接。两台无线高速采集系统通过天线进行无线数据传输。

表1 技术指标

图1 电压型无线高速采集传输方式

泥浆压力转换为0.5 mV～4.5 V的电压信号后通过电缆进入无线高速采集系统，系统内部的电压跟随器和6阶低通滤波器进行数据滤波，去除谐波干扰，然后经过24 bitADC模数转换器进行高速采样和数字量化，输出达到50 Hz的24位高精度数字信号[1]，再经SPI总线传输给单片机数据处理单元进一步进行软件滤波和数据调度，最后通过UART串行传输方式发送给433 M射频发送器进行无线数据的远距离传输。

监控中心里的无线高速采集系统任务是接收到433 M射频信号后通过UART传输给单片机数据处理单元进行数据解调和调度，然后发送给TTL—USB转换器转换为USB信号给PC进行数据监控[2]。

1.3 电流型有线采集方式

如图2所示，电流型泥浆压力传感器安装井口的泥浆管道上，通过一条长屏蔽电缆与远处监控中心里的无线高速采集系统相连接，此方式只需一台无线高速采集系统就可完成采集与传输任务。

电流型压力传感器将泥浆压力转换为4 mA～20 mA的电流信号后通过屏蔽电缆进入远处监控中心里的无线高速采集系统，经过内部电流采集电路和6阶低通滤波器进行数据滤波去除谐波干扰，然后经过24 bitADC模数转换器进行高速采样和数字量化，输出达到50 Hz的24位高精度数字信号[1]，再经SPI总线传输给单片机数据处理单元进一步进行软件滤波和数据调度，最后通过TTL—USB转换器转换为USB信号给PC进行数据监控。

图2 电流型有线高速采集传输方式

2 电路设计

无线高速采集系统由大容量锂电池组、电池管理电路、单片机处理单元、433 M无线射频电路、24 bitADC模数转换器、2通道6阶低通滤波器、USB-TTL转换电路、5 V-15 VDCDC模块、双高边开关电路构成，系统内部功能如图3所示。

大容量锂电池组采用6根松下可充电式18650-3 100 mAh锂电池并联组成，由电池管理电路进行电源稳压处理对系统内部各个功能组件供电；单片机处理单元采用Microchip公司的PIC18F25K80微处理器作为核心控制单元，对系统内部的各个模块起到总线通信、数据调度、开关控制和软件滤波等的作用[3]；高精度24 bit模/数转换器采用TI公司ADS1216高精度模/数转换微处理器作为核心单元，对0.5 V～4.5 V压力脉冲的电压信号或0～20 mA压力脉冲的电流信号进行24位精确数字量化[4]；低通滤波器采用TI公司OPA2333运算放大器配合阻容元件设计为截止频率5 Hz的6阶低通滤波器，有效滤除脉冲信号的低频杂波和干扰；高边开关由P沟道和N沟道MOS管组成，由单片机控制对电流型或电压型进行采集切换；433 M无线收发器应用TI公司的433 MHz中频超低功耗的无线方案，采用CC1101射频收发器作为核心处理器，传输功率等级达到+10 dBm，最大功率只有10 mW，且空中速率达到15 kbps，最大传输距离达到500 m，满足脉冲信号的高速率射频传输需求[2]；USB-TTL转换电路将单片机处理完毕的数据转换为USB信号传给PC进行监控；5 V～15 V DCDC模块为电流型压力传感器供电。

无线高速采集系统上电时需要通过PC进行系统初始化，通过软件将无线高速采集系统配置为电流型采集系统或者电压型采集系统，并且将电压型采集系统进一步配置为发射机或者接收机。初始化配置完毕后连接相应的电缆即可进入到相应的工作状态，当电池容量下降到一定程度时会有提示报警，及时充电或者更换另一台无线高速采集系统以满足井上长时间工作。

图3 无线高速采集系统内部功能图

3 实验结果

将旋转导向钻井工具下入1 000 m实验井，将3台高速采集系统组合配置为两种不同模式：电压型无线采集方式和电流型有线采集方式，通过PC上的测试软件同时对不同方式下采集到的泥浆信号进行对比。

无线收发系统：将一台配置为“无线发送系统”，安置在泥浆管道处与电压型压力传感器相连接，另一台配置为“无线接收系统”，安置在监控中心里与PC连接。

有线传输系统：将一台配置为“电流型有线传输系统”，安置在监控中心里与PC连接，并通过长距离电缆与泥浆管道处的电流型压力传感器连接。

图4与图5分别表示电流型有线采集方式和电压型无线采集方式采集到的泥浆压力信号。可以看出，两种方式都可以清晰得到泥浆压力信号，分辨率都能满足要求。但在抗干扰性方面，电流型有线采集方式要更加优于电压型无线采集方式，因为无线射频通信更易受到井场复杂电磁环境的干扰。

图4 电流型有线采集方式下采集到的泥浆压力信号

图5 电压型无线采集方式下采集到的泥浆压力信号

4 结束语

分析了复合型泥浆压力采集与传输系统的工作原理与参数设计，并给出实验结果，不仅适合旋转导向钻井工具、垂直钻井工具的上传数据接收和解调，还可以广泛应用在其他需要采集压力脉冲信号的高端智能钻具的井上泥浆压力采集上，是具备远程无线传输能力的高精度、高速率、抗干扰的泥浆压力采集与传输系统。

目前本系统已应用在自主研发的8.5 in旋转导向钻井工具和16 in、12 in垂直钻井工具中，成功进行了井下实验。

[1] 李 彩,柯天存,卢桂新,等. 新型8通道24位模数转换器ADS1216及其应用[J]. 国外电子元器件，2004,10(4)：26-38.

[2] 李快快,张 东.一种433MHz无线传感器网络的设计与应用[J].信息技术，2014，37(1)：56-59.

[3] 龚黎明,辜承林.基于PIC18F系列单片机的嵌入式系统设计[J].微计算机信息，2004，20(8)：38-40.

[4] 周 超,李春茂.新型8通道24位Δ-Σ型模数转换器ADS1256的原理及应用[J].国外电子元器件， 2005,11(6)：20-22.

Wireless Acquisition and Transmission System for Mud Pulse Signals

XIE Qing BAI Yuxin LUO Xiang CHENG Zhaojiang

(BeijingResearchInstituteofPreciseMechanicalandElectronicControlEquipment;Beijing100076,China)

In order to receive and demodulate the mud pulse signals of rotary steerable tool in downhole, We developed a compound mud pressure acquisition and transmission system. The system is not only compatible with voltage type and current type pressure sensors, but also compatible with wireless and wired data transmission mode.

rotary steerable tool， mud pulse signal， high speed data acquisition， wireless transmission

国家科技重大专项大型油气田及煤层气开发(5021-001)

解 庆，男，1984年生，硕士研究生，2009年毕业于四川工业学院机械电子工程专业，现在北京精密机电控制设备研究所从事研发工作。E-mail：olgyefeng@163.com

TN

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2096-0077(2015)01-0020-03

2014-07-31 编辑：姜婷)