雙向遠(yuǎn)程控制試井系統(tǒng)研究

　　1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)概述

　　硬件部分如圖1所示，主要包括地面控制系統(tǒng)、下井控制器和井下控制器三部分。地面控制系統(tǒng)有三種工作模式：地面模式、中轉(zhuǎn)模式、直接模式。地面模式下主要功能是進(jìn)行壓力計(jì)的地面配置和測試。中轉(zhuǎn)模式下，地面控制系統(tǒng)是PC機(jī)和井下控制器的連接單元，本身不主動發(fā)送指令，但可以進(jìn)行實(shí)時的數(shù)據(jù)顯示。直接模式下地面控制器可以獨(dú)立控制井下系統(tǒng)，無需PC機(jī)參與操作，大大提高了油井現(xiàn)場操作的便攜性，主要功能包括井下實(shí)時數(shù)據(jù)計(jì)算顯示，下井命令發(fā)送，井下命令接收和相應(yīng)井下數(shù)據(jù)的回傳存儲。下井控制器是針對下井壓力計(jì)的功能設(shè)計(jì)的，主要實(shí)現(xiàn)下井過程中的壓力實(shí)時跟蹤，完成壓力計(jì)的連接保持和壓力數(shù)據(jù)回傳。井下控制器是針對井下壓力計(jì)設(shè)計(jì)的，主要功能是接收并執(zhí)行地面控制系統(tǒng)發(fā)出的操作指令，完成壓力計(jì)的電源管理、模式切換、數(shù)據(jù)回讀等一系列功能。

　　2 遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸原理

　　本文所述方法具有許多技術(shù)難點(diǎn)，其中之一是長距離數(shù)據(jù)傳輸。井下和下井壓力計(jì)、電路板工作于距離地面4000～6000m的油井中，井下壓力、溫度、濕度、噪聲與地面有很大不同，此外，由于傳輸距離太長，傳輸線的分布電阻和分布電容較大，對所承載的信號衰減很大，另外還存在阻抗調(diào)制、脈沖噪聲、等幅震蕩波干擾等不利因素，難以達(dá)到高速傳輸。為此模擬長線傳輸做了大量的實(shí)驗(yàn)，并在現(xiàn)場用實(shí)際電纜做實(shí)驗(yàn)，最終采用較為可靠的擴(kuò)頻通信(Spread Spectrum Conummicadon)作為傳送命令和數(shù)據(jù)的方式。

　　擴(kuò)頻通信指傳輸系統(tǒng)中用于傳送信息的信號帶寬遠(yuǎn)大于信息本身帶寬的通信方式，即將待傳送基帶信號用擴(kuò)頻序列發(fā)生器產(chǎn)生的偽隨機(jī)編碼進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制從而將頻譜擴(kuò)展，形成擴(kuò)展帶寬的低功率譜密度信號進(jìn)行傳輸。接收端采用同樣偽隨機(jī)編碼通過相關(guān)處理恢復(fù)成窄帶信號，再解調(diào)數(shù)據(jù)恢復(fù)出原始信號數(shù)據(jù)。

　　從香農(nóng)公式我們可以了解擴(kuò)頻通信的理論來源，在受到加性高斯白噪聲的信道中，信道容量由下式描述：

　　在給定的信道容量下可以用不同帶寬和信噪比的組合來傳輸，若減小其中一項(xiàng)則勢必要增大另一項(xiàng)以平衡信道固有的容量。因此，當(dāng)信噪比太小不能保證通信質(zhì)量時，常采用寬帶系統(tǒng)，即用增加帶寬(展寬頻譜)來提高信道容量，擴(kuò)展信號頻譜降低功率譜密度，從而使信號幅度降低且隱蔽性好以改善通信質(zhì)量，這就是通常所謂用帶寬換取功率的通信方法。

本文所述系統(tǒng)擴(kuò)頻信號采用一系列短促的、可自同步的掃描頻率chirps作為載波，每個chirps一般持續(xù)100 μs，代表最基本的通信符號時間。由于chirps信號的線性掃描帶寬比信號帶寬要大得多，其線性加速度較高，而等幅振蕩干擾的頻率加速度一般較穩(wěn)定，因此設(shè)計(jì)特定角加速度信號的濾波器可以將該干擾消除。此外chirps波形還具有很強(qiáng)的自相關(guān)特性，這種模糊邏輯相關(guān)性決定了所有通信系統(tǒng)中的設(shè)備，可以同時識別通信系統(tǒng)中任意設(shè)備發(fā)出的這種獨(dú)特波形，并且不需要在發(fā)送和接收設(shè)備間進(jìn)行同步。圖2所示為擴(kuò)頻載波chirps一個周期的波形圖。

　　系統(tǒng)所選通訊接口控制器是一個高度集成化的收發(fā)器和信道存取接口，采用擴(kuò)頻載波(Spread Spectrum Carrier)技術(shù)，適用CEBus接口標(biāo)準(zhǔn)，具有很強(qiáng)的抗干擾能力。通信物理層采用振幅移位鍵控(ASK)和反相鍵控(PRK)兩種載波調(diào)制方式，如圖3所示，其中ASK調(diào)制用于信息包的前同步碼，分別由高電平、低電平表征chirps的有無。已編碼數(shù)據(jù)段采用PRK調(diào)制方式，利用相差180°的兩