测井电缆

测井电缆传输系统关键技术

摘 要：阐述了正交频分复用技术和正交幅度调制技术在测井电缆传输系统中的应用。同时，对测井系统中的CAN总线和DTB总线作了简要介绍。

关键词：测井系统； 电缆通信； 数据传输； 总线

引 言

随着科学技术的发展，石油地球物理测井中电缆通信技术有了长足的进步，从传输数据的速度、传输数据的容量以及传输效率方面都有质的飞跃。本文对测井电缆传输系统中采用的正交频分复用技术和正交幅度调制技术进行了较详细介绍。同时，对CAN总线和DTB总线在测井系统中的应用作了简要介绍。

测井传输作为测井系统的一个重要组成部分，其传输速率直接影响测井仪器和装备的发展。随着测井新理论和新方法的不断出现，要求实时上传的数据量越来越大。如何提高测井数据传输系统的速率已成为测井仪器装备研制开发的关键问题之一。因此，为了满足社会生产实践的需求，开发高效率的测井电缆数据传输系统已成为测井技术的一个研究方向。

1． OFDM技术

OFDM 技术是将速率很高的信息码流分成许多低速码流, 在一组正交的子信道上进行并行传输。采用 OFDM 技术可以扩展子信道传输符号的宽度, 从而大大简化接收机中均衡器的设计。相对于传统的单载波技术, OFDM 技术利用子载波之间的正交性, 有效提高了频谱利用率。随子载波数目增加, 理论上 OFDM 系统可能实现近 100% 的频谱效率,

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并且可以根据每个子信道的传输条件进行自适应的比特和能量( 功率) 分配, 以充分利用信道容量, 提高传输效率。OFDM 技术频谱利用率高和抗窄带干扰能力强, 能够充分利用系统的带宽资源, 可以在带宽受限的测井电缆信道上实现数据的高速传输。因此, 采用 OFDM 技术作为测井电缆高速数据传输系统的调制技术。

1.1 高速数据传输系统

测井电缆可用频带窄, 在频带有限的情况下要提高数据传输速率, 采用 OFDM 调制方法是非常好的选择。在基于 OFDM 技术的测井电缆高速数据传输系统中, 地面调制解调器和井下调制解调器是其核心模块, 用来完成地面部分和井下仪器之间大量数据的高速、 实时和准确传输。地面调制解调器和井下调制解调器的调制解调过程相同。数据流程工控机发出的采集指令首先经随机化处理, 处理后的数据依次进行RS 编码和交织处理。对 QAM 映射的频域星座点进行 IFFT 变换后即为时域信号, 加入循环前缀后即生成为待传输的时域 OFDM 信号, 经数模变换后生成为基带模拟信号, 再经功率放大和带通滤波滤除倍频分量后便发送到测井电缆。井下仪器采集的地层信息经井下调制器调制后生成的基带模拟信号, 经测井电缆送往地面部分后,首先进行功率放大和低通带外噪声滤除, 然后进行模数转换生成数字信号。经同步校正和去除循环前缀后, 进行 FFT 变换, 再经信道均衡和 QAM 解映射处理, 即可依次进行解交织、 RS 译码、 解随机化处理, 从而得到井下仪器上传的用户数据信息。调制过程中采用 RS 编码和交织来纠正信号传输过程中的突发错误、 改善系统的误码性能, 实现数据可靠传输。在解调过程中, 信道均衡分别在时域

和频域进行, 时域采用固定系数的均衡器, 用于消除电缆信道的时延扩展, 而频域则采用判决反馈的盲均衡技术, 来跟踪信道参数的缓慢变化。

1.2 OFDM参数设计

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由文献可知, 当信号频率大于 270 kHz 时,7 600 m长的测井电缆信道衰减严重, 无法检测。在低频端, 由于测井电缆的两端分别通过变压器与地面和井下数据传输单元耦合, 在变压器耦合时, 频率小于1 kHz的低频信号衰减严重。 因此, 在基于OFDM 技术的测井电缆高速数据传输系统中, 把7 000 m测井电缆信道看成 1~ 270 kHz 的带通信道。根据7 000 m测井电缆的信道传输特性和时延特性, 设计出了测井电缆高速数据传输系统的OFDM 基本参数: 有效符号长度为 819.2 us, 循环前缀长度为 409.6 us, 子信道数目为 222, 子信道间隔为 1.22 kHz, FFT 长 度为 256, 导频 频率 为43. 956 kHz。

在电缆信道的通频带内, 为了在低频端抑制来自仪器供电和开关腿的电源干扰, 上传数据和下发命令之间需要预留一定的信道带宽作为隔离带。因此, 在基于 OFDM 技术的测井电缆高速数据传输系

统中, 电缆信道通频带内划分的 222 个子信道只有部分用于数据传输。

1.3 系统实现方案

由于测井数据传输的可用带宽有限、 测井电缆和双绞线缆物理特性的差异, 利用 ADSL 芯片意味着将有限的电缆信道带宽留出一部分为本不需要的语音传输, 可用的子信道数目也将受到影响。因此, 在基于 OFDM 技术的测井电缆高速数据传输系统中, 选用 DSP 实现两端的调制解调器功能, 设计选用的 DSP 为 TI 公司的 T MS320C64XX 系列。

地面调制 DSP接收地面终端接口传来的工控机采集命令, 对其进行 OFDM 调制, 然后送至数据转换器中, 按照 D/ A转换器的采样频率连续地将数据送至 D/ A 转换器进行数模变换, 输出的模拟信号在调制 DSP 和调制PGA 控制电路的控制下通过 PGA 进行

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放大, 再经BPF 滤波和功率放大后送至测井电缆。调制FLASH用于存储地面调制器的程序。地面调制器 D/ A 转换器的采样频率与地面解调器 A/ D 转换器的采样频率相同, 并且都由 OFDM 调制端数据转换器产生。调制和解调 PGA 控制和数据转换器均选用Altera 公司的 Cyclone FPGA 实现, 调制和解调PGA 可选用 Analog 公司的 AD883B。地面 OFDM 解调器的工作过程: 来自电缆的信号送至抑制地面调制信号的电路模块后, 对 OFDM调制器输出至电缆的信号进行抑制, 以降低该信号对 OFDM 解调器的影响。经 LPF 滤波后的信号送到解调PGA 中, 在解调 DSP 和解调 PGA 控制电路的控制下对接收到的滤波信号进行放大, 放大后的信号送至 A/ D 转换器中按照 D/ A 转换器的采样频率进行模数转换, 最后在解调数据转换器的控制下将 A/ D 转换器变换后的数字信号送至解调 DSP 进行 OFDM 解调, 并将解调后的信号送至地面终端接口进行进一步的处理。解调 FLASH 用于存储解调DSP 的程序。

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2 QAM

2.1 高速遥传系统

高速遥传系统的主要目的是将井上控制设备的命令传输给井下仪器控制器，再由井下仪器控制器根据控制信息控制井下设备；将井下仪器测得的数据透明的传送给井上控制器，通过 Versamodel Eurocard 总线送给地面仪。 根据测井电缆的传输特性，本系统电缆连接方式采用 T5 模式，井下电源采用幻相供电，采用的调制解调技术为 QAM ，根据上行和下行数据量的非对称性，我们选用不对称的数字用户环路（ ADSL ）技术，由于向下传输的命令是比较少的，而大量的数据是从井下传送到井上，因而与普通不对称的数字用户环路（ ADSL ）技术是反向的。

2.2 QAM调制解调算法

在实际应用中，调制方式的选择是实现高效率通信的关键。 虽然正交频分复用（ OFDM ）是一种高效调制技术，但是它的灵活性和高性能是靠设备复杂度换取的，正交幅度调制（ QAM ）是一种频谱利用率很高的调制方式，能充分利用带宽，设备简单，成本低，本次设计采用 16QAM 调制方法，即 16 进制调制系统，输入数据按四个比特一组（ 2^4 =16 ）起作用，数据在经过成型滤波器，会产生不同延时的数据，模拟在电缆上的群延时效果。

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3 CAN总线

伴随石油测井仪器组合化的发展趋势, 国内大多数测井系统遥测传输速度也由 100 kbit/ s 升级到 300kbit/s 或 500 kbit/ s, 测井仪器井下系统常用的 DTB 总线( 100 kbit/ s) 已不能满足快速组合测井平台数据传输的要求。所以, 有必要对测井仪器井下系统的总线结构进行升级。CAN 总线是目前较为流行的现场总线之一, 也是近年来发展较快的一种现场总线, 在石油测井仪器领域有广泛的应用前景。

3.1 CAN 总线特点

CAN ( Controller Area Network) 即控制器局域网络, 是一种具有国际标准的现场总线。由于其高可靠性、灵活性以及独特的设计, CAN 总线越来越受到人们的重视并被广泛应用于航海、航空、医疗及工业现场领域。CAN 总线的特点:

( 1) 通信方式灵活。可以采用多主通信方式, 也可以采用单主多从的通信方式;

( 2)CAN 总线采用非破坏性仲裁技术, 从而大大节省了总线冲突仲裁时间;

( 3) 通过报文滤波即可实现点对点、 点对多点及全局广播等几种方式传送接收数据, 无需专门的调度;

( 4) 通信速率最高可达1Mbps( 通信距离最长为40 m) ;

( 5) CAN 上的节点数主要取决于总线驱动电路, 目前可达 110 个。

测井仪器系统是一种分布式实时测控系统, 而CAN 总线自身的特点使 CAN 总线能

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够有效地支持分布式实时测控系统。结合 CAN 总线在分布式实时测控系统中的成功应用经验以及测井仪器系统的特点,将 CAN 总线应用于测井仪器系统具有较大的优势。

3.2 CAN 总线在测井仪器中的应用

在测井仪器中, 高速电缆遥传与井下仪器之间采用高速 CAN 总线协议方式通信, 通信速率可以达到1 Mbps。其中高速电缆遥传由井下调制 MOD/ 解调DEMOD 单元及井下 CAN 总线主控制单元组成, 二者通过双口 RAM 相连接； 为了井下仪器与高速电缆遥传的CAN 通信, 每支井下仪器必须配备相应的 CAN总线子节点接口。

C8051F040内部的 CAN 只是一个协议控制器, 它并不提供物理层的驱动。CAN 控制器有 32 个可以被用来构成发送或传输数据的消息目标。接收到的数据、 消息目标和识别码全部存储在消息RAM 中。CAN内核通常不能直接访问消息, 而必须通过 RAM 接口寄存器 IF1 或 IF2 来访问。所有的协议功能( 如数据的传输和接收滤波等) 由CAN控制器完成, 而不是CIP- 51MCU。用这种方法, 只需要 CPU 较少的带宽就可以实现 CAN 通信。在 CAN 控 制器里只有三个寄存器可通过 CIP- 51 中的特殊功能寄存器直接访问, 其它的寄存器只能通过 CAN0ADR 和 CAN0DATH、 CAN0DATL 寄存器以地址索引的方式间接访问。其中 CAN0ADR 用来指出要访问寄存器的地址, 这时就相当于 CAN0DATH 、 CAN0DATL 要访问的 16 位寄存器的高、 低字节的映射寄存器, 而对它们的读写则相当于对所指向寄存器的读写。

基于 C8051F040 的 CAN 总线智能节点具有集成度高、 性能稳定、 抗电磁干扰能力强等特点。在通信波特率设置为 500 kbps 时通信顺畅, 实现了测井仪器地面系统与井下仪器间通信的可靠性、 实时性、 灵活性,是目前测井系统地面和井下仪器之间实现实时通信的较佳的总线结构, 具有较好的应用前景。

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4 DTB总线

在电缆遥测系统中，井下遥测短节通过DTB三总线与井下仪器之间进行数据交换，这三条总线是下行信号线DSIG、上行时钟线UCLK和上行数据线UDATA/GO。下行指令信号以三种电平的形式出现，即0V、+1.2V、-1.2V，周期是10us，这种三电平下行信号既包含了指令内容又包含了下行时钟，井下仪的接口电路把这两部分信息分开并分送到不同的部位。上行时钟线上提供井下仪器上传所需要的时钟UCLK，井下仪器在UCLK的下降沿把数据逐位移出，其高电平的幅值为+1.2V，周期也为10 us。上行数据线UDATA／GO是双向的，遥测短节先发出幅值为+3.6V，脉宽为20us的GO脉冲，320us后，上行时钟线下发UCLK，井下仪开始上传数据，数据高电平为+1.2V、低电平为0V，每位宽10us。

该模块中高速单片机采用STC系列的51单片机，该系列单片机为单时钟／机器周期，指令代码完全兼容传统51单片机。若使用12M晶振，其机器周期为1／12us，通过延时程序完全能满足DTB数据位宽的要求。

4.1 DTB三总线接口电路

4.1.1 下行信号DSIG接口的设计

DTB系统中，DSIG信号线上的格式如图所示。

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图1 DSIGN信号格式

信号以三种电平的形式出现，即0、+V、-V(V=(1．2土10％)V)，周期TD为10 us，+V(3TD／8)后跟着0V表示逻辑1，-V(3TD／8)后跟着0V表示逻辑0，0V且持续时间比5TD／8长表示没有信号。

在本模块中，通过让单片机控制选通门让正负5V交替导通来实现正负1．2V电平，并且通过编程延时来保持三种电平的持续时间。该部分电路如图2所示。

74HC405l为模拟开关，其13、14、15脚分别接+5V、．5V和地，当命令位为l时，通过给单片机P3口置0x00，让+5V选通，通过R12与底鼻电阻分压得到+1．2v,且延时3．75／xs，让DSIGN线上维持3．75儿s的+1．2V电平，然后再将P3口置0x10，让0V选通，再延时6．25I．ts，让DSIGN线上维持6．25I．ts的0电平，这样命令“1”就得以实现；当命令位为0时，通过给单片机P3口置OxOl，让-5V选通，通过R12与底鼻电阻分压得到-1．2V,且延时3．751xs，让DSIGN线上维持3．75}ts的一1．2V电平，然后再将P3口置0x10，让0V选通，再延时6．25j_ts，让DSIGN线上维持6．25“s的0电平，这样命令“0”就得以实现。如此循环32次，一帧命令便下发完毕。

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图2 DSIG产生电路

4．2 上行时钟UCLK接口的设计

本模块以井下仪器一帧上传1个字为例，通过给单片机位P3．5口交替置高低电平可实现，该部分电路如图3所示。先将P3．5口置l，延时5us，Q3导通，12v通过R10和底鼻电阻分压，在UCLK线上维持5ps的1．2v电平，然后再将P3．5口置0，延时5us，Q3截止，UCLK线上维持5Bs的0电平，如此循环16次，便可实现所需要的上行时钟。

4．3 上行数据线UDATA／GO接口的设计

上行数据线UDATA／Go接口的设计将单片机P3．6口置1，延时20ps，这样Q1导通，Q2截止，R4与底鼻电阻X寸+12V分压，于是在总线上得到幅度+3．6V，宽20ps的GO脉冲。

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然后再将P3．6口置0，Q1截止，Q2导通，延迟300Bs后编程让单片机产生时钟UCLK，这样井下仪在UCLK的下降沿将数据送到总线上，R5与底鼻电阻并联分压，得到+1．2v的数据电压，U3是一级比较器电路，比较电平设计为0．6v,抑制O．6V以下的干扰噪声，数据经过比较器后在U3的l脚输出5v电平，再送给移位寄存器U6。

U6与U5设计成级联方式，其1l脚所接的移位时钟是P3．5口反相后所得，这样就与UCLK反相，当UCLK下降沿时，井下仪数据移出到总线上经比较器后输出到U6的14端，此时U6的11脚所接的移位时钟刚好是上升沿,该上升沿将14端的数据移进U6内部寄存器中。

图3 UCLK产生电路

经过16个UCLK后，总线上的一帧数据便经串并转换进入了U6和U5的内部寄存器中，然后单片机给U6分配地址0xfe00，给U5分配地址0xfd00，当单片机访问地址0xfe00时，U6被选通，其1 3为低电平，将内部寄存器中的数据输出到QO～Q7引脚上，单片

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机通过p0口即可读取该八位数据；当单片机访问地址0xfd00时，U5被选通，其1 3为低电平，将内部寄存器中的数据输出到Q0～Q7引脚上，单片机通过p0 口即可读取该八位数据。因此单片机可分时读取完一帧数据。

通过上井实验发现磁记号曲线正常采集，信号明显，发挥了校正电缆深度的作用。从而实现磁记号曲线的录取，为后来测井资料提供真实深度提供重要的参考依据，从而降低由于深度有误差时二次上井验证的情况，提高了工作效益。

总结

科技飞速发展, 通信领域更是突飞猛进, 先进的通信技术应用于石油测井行业, 使得测井仪器、 测井技术有了长足的发展, 更新速度也非常快。国际上各大知名测井公司推出的新一代测井系统应用了最新的通讯传输技术后, 大大提高了测井数据的传输速度, 提高了测井的时效性。各种关键技术的应用，使测井电缆传输系统的发展更为迅猛。

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