高頻脈沖式載波通信在電動(dòng)液壓橋塞座封工具上的應(yīng)用

朱 炎，韓志富，白玉新，王 恒，張 磊

(1．北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所 北京 100076；2．航天鈞和科技有限公司 北京 100076)

·開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)·

高頻脈沖式載波通信在電動(dòng)液壓橋塞座封工具上的應(yīng)用

朱 炎1，韓志富2，白玉新2，王 恒1，張 磊1

(1．北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所 北京 100076；2．航天鈞和科技有限公司 北京 100076)

在電動(dòng)液壓橋塞座封工具的使用過(guò)程中，位于地下數(shù)千米深的工具需要與地面設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。無(wú)線電磁波無(wú)法穿透千米深的大地或泥漿，所以只能使用有線通信。電力線載波通信技術(shù)是以現(xiàn)有的供電纜線為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ偶夹g(shù)。使用電力線載波通信技術(shù)可以讓一根單芯纜線既傳輸電能也能傳輸數(shù)據(jù)，這樣避免了增加信號(hào)線，降低了成本。載波通信技術(shù)有很多種調(diào)制方式，傳統(tǒng)的載波通信技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸速率相對(duì)較低，而脈沖式載波通信技術(shù)能更高速率地傳輸數(shù)據(jù)。井下環(huán)境空間有限而且溫度較高，對(duì)芯片的體積與耐高溫能力有較高要求。基于HJ394A芯片對(duì)高頻脈沖式的載波通信技術(shù)進(jìn)行了闡述，分析其原理、傳輸途徑和噪聲干擾。試驗(yàn)證明該芯片在井下環(huán)境中數(shù)據(jù)傳輸可靠，滿足了電動(dòng)液壓橋塞的需求。

載波通信；脈沖；橋塞

0 引 言

橋塞是油氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中的不可缺少的井下封堵工具，電動(dòng)液壓橋塞座封工具因具有可定位、可回收等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用。地面上借助電纜和電纜絞車(chē)將橋塞和座封工具運(yùn)送到油管固定深度，由座封工工具上的自然伽馬測(cè)試儀或者磁定位器進(jìn)行校深，然后進(jìn)行座封。地下的橋塞工具實(shí)時(shí)地把數(shù)據(jù)上傳到地面以監(jiān)控工具的工作狀態(tài)和深度，地面也需要將指令下傳到井下的橋塞，因此橋塞和地面設(shè)備需要可靠的雙工通信。因?yàn)橛凸懿牧蠟殇撹F，本身屏蔽無(wú)線電信號(hào)，而且電磁波難以穿透數(shù)千米的土壤或者泥漿，所以橋塞和地面之間無(wú)法使用無(wú)線電磁波通信，只能使用有線通信。傳統(tǒng)有線通信至少需要四根線：兩根電源線、兩根信號(hào)線，實(shí)際生產(chǎn)中為了方便和節(jié)約成本，電動(dòng)液壓橋塞采用單芯電纜供應(yīng)直流電，電纜作為正極，以油管和大地作為電路接地，如果額外地增加信號(hào)線進(jìn)行有線通信，那么會(huì)導(dǎo)致成本極大地增加。載波通信技術(shù)可以在不額外增加纜線的情況下，借助現(xiàn)有的供電纜線傳輸數(shù)據(jù)。本文分析了高頻脈沖式載波通信的原理，硬件結(jié)構(gòu)和噪聲干擾，并且試驗(yàn)證明它的可靠性。

1 高頻脈沖式載波通信

1.1 與傳統(tǒng)井下載波通信的對(duì)比

高頻脈沖式載波通信使用高頻脈沖作為信號(hào)的調(diào)制方式，而不是傳統(tǒng)的ASK、FSK、PSK等調(diào)制方式，相對(duì)于FSK等調(diào)制方式，脈沖式載波通信能更高速率地傳輸數(shù)據(jù)，因?yàn)樗恍枰粋€(gè)脈沖就可以確定一比特的數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)井下載波通信技術(shù)一般使用的帶寬為40～500 kHz，因?yàn)樵趥鬏斁嚯x很遠(yuǎn)時(shí)，電纜線本身相當(dāng)于一根長(zhǎng)天線，載波信號(hào)容易被空氣中的高頻無(wú)線電信號(hào)干擾，電纜中的高頻信號(hào)也容易發(fā)射到空氣中，所以載波通信技術(shù)所使用的載波頻率很低，頻帶帶寬很窄，在這么小的帶寬內(nèi)傳輸速率自然也很低，大部分傳統(tǒng)井下載波通信只能達(dá)到9.6 Kb/s左右。雖然地面上存在高頻的載波通信設(shè)備，其數(shù)據(jù)傳輸速度可達(dá)1 Mb/s甚至更高，但是這種設(shè)備存在傳輸距離很短或者是設(shè)備體積龐大的問(wèn)題，而且一般地面使用的載波通信芯片最高工作溫度為85℃，無(wú)法在井下使用。高頻脈沖式載波通信的數(shù)據(jù)傳輸速率在試驗(yàn)中最高達(dá)到500 Kb/s，相對(duì)于傳統(tǒng)井下載波通信有著很大提升。

本文使用的載波通信芯片為HJ394A，最高工作溫度可達(dá)125℃，體積為20 mm×11.5 mm×3.2 mm，較小的體積和耐高溫適合井下環(huán)境。

1.2 高頻脈沖的產(chǎn)生

HJ394A內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，VCC和GND代表電源正和地，HJ394A采用+5 V供電，DI和DO分別為輸入和輸出的數(shù)據(jù)，使用TTL電平，TX和RX分別為輸出和接收的脈沖，VTP和VTN分別為正脈沖閾值和負(fù)脈沖閾值，R/T為芯片發(fā)送或者接收模式的選擇。

圖1 HJ394A的結(jié)構(gòu)

如圖1中所示，脈沖轉(zhuǎn)換其實(shí)是兩個(gè)單穩(wěn)態(tài)電路，一個(gè)在輸入數(shù)據(jù)DI上升沿時(shí)產(chǎn)生正脈沖，一個(gè)在DI下降沿時(shí)產(chǎn)生負(fù)脈沖，利用正負(fù)兩種脈沖傳輸數(shù)據(jù)比只使用一種脈沖傳輸數(shù)據(jù)要更可靠。理論上脈沖如圖2所示，實(shí)際HJ394A的輸入DI和產(chǎn)生脈沖波形TX如圖3所示，實(shí)際產(chǎn)生的脈沖峰值1.8 V，持續(xù)時(shí)間1 ms左右，不過(guò)由于脈沖尾部存在一定的振蕩，加上振蕩總持續(xù)時(shí)間為1.4 ms左右。TX和供電的單芯電纜之間使用一個(gè)電容耦合，以防止高壓直流電損壞芯片，同理接收方RX也得使用一個(gè)電容和單芯電纜耦合。

圖2 理論上的脈沖

圖3 實(shí)際產(chǎn)生的脈沖

1.3 高頻脈沖的接收

接收到的脈沖信號(hào)RX如圖1中所示，會(huì)經(jīng)過(guò)一個(gè)放大器，放大器原理如圖4所示，從單芯電纜經(jīng)過(guò)耦合電容去除直流分量后得到RX，RX會(huì)進(jìn)入信號(hào)放大器，放大倍數(shù)為R1/R2，內(nèi)置電阻R1大約為5 kΩ，放大倍數(shù)越大越能檢測(cè)到微弱的信號(hào)，那么傳輸距離就變大了，但是同時(shí)也可能把噪聲放大當(dāng)成信號(hào)增大了誤碼率。放大倍數(shù)可以通過(guò)調(diào)節(jié)R2的阻值調(diào)整，最好根據(jù)實(shí)際需要選擇合適的放大倍數(shù)。

圖4 信號(hào)放大器

由于芯片是+5 V供電，VTP和VTN都為正值，而負(fù)脈沖幅值為負(fù)，實(shí)際VTP、VTN和2.5 V相減后才是真正的閾值。接收到的脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后，借助兩個(gè)比較器和正脈沖負(fù)脈沖閾值比較。一旦DI電壓大于正脈沖閾值或小于負(fù)脈沖閾值，兩個(gè)比較器會(huì)分別輸出一個(gè)高電平，通過(guò)RS鎖存器把DO變?yōu)檫壿?或者邏輯0，如果沒(méi)有后續(xù)的脈沖，輸出電平DO會(huì)一直保持最后一次改變的電平。閾值VTP和VTP可根據(jù)實(shí)際需要調(diào)節(jié)，閾值越低越容易檢測(cè)到信號(hào)，不過(guò)也越容易被噪聲干擾。

值得注意的是接收部分僅僅以比較器做閾值判定，并沒(méi)有濾波電路，因?yàn)槊}沖波形并不像正弦波一樣集中在頻域的某一段，使得傳統(tǒng)的濾波技術(shù)不能較好地分離噪聲和信號(hào)。脈沖式載波通信對(duì)信道要求較高，只要噪聲達(dá)到一定幅值就可能導(dǎo)致誤碼，這點(diǎn)和傳統(tǒng)通信技術(shù)并不一樣。傳統(tǒng)通信技術(shù)可以使用濾波器把高頻和低頻部分過(guò)濾，只留下需要的頻段的信號(hào)，和信號(hào)頻率相差較大的噪聲不會(huì)對(duì)通信造成影響。幸運(yùn)的是在電動(dòng)液壓橋塞使用過(guò)程中的噪聲有限，后文會(huì)對(duì)噪聲進(jìn)行具體分析。

2 載波通信模型

在實(shí)際生活當(dāng)中，為了防止電源電壓不穩(wěn)，大部分電路板會(huì)在電源附近并聯(lián)0.1 μf或者更高容值的電容，高頻的脈沖波形可以通過(guò)電容，這樣相當(dāng)于脈沖信號(hào)短路了，為了防止脈沖波形消失，同時(shí)不影響直流電，電纜上需要串聯(lián)電感，如圖5所示，芯片的供電使用DCDC將電源和負(fù)載的高壓直流電轉(zhuǎn)換為5 V直流電，為了方便理解，圖5以一對(duì)一單向數(shù)據(jù)傳輸為例，假設(shè)靠近電源方為發(fā)送端，靠近負(fù)載方為接收端，發(fā)送端使用電腦接 USB轉(zhuǎn)RS232/422/485轉(zhuǎn)換器，接收端直接連接單片機(jī)。實(shí)際上HJ394A為半雙工通信芯片，實(shí)際橋塞使用過(guò)程中也是使用的雙工通信，不過(guò)需要使用單片機(jī)或者DSP編寫(xiě)協(xié)議，以免發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)錯(cuò)過(guò)了需要接收的數(shù)據(jù)。

圖5 載波通信示意圖

圖6為圖5簡(jiǎn)化的高頻脈沖部分電路圖，L3和R1為電纜的等效電感和等效電阻，R2為油管的等效電阻，本次試驗(yàn)時(shí)使用300 m長(zhǎng)盤(pán)起來(lái)的電纜，因此電纜本身有2 mH左右的電感，如果把電纜拉直那么電感會(huì)隨之減小，本次試驗(yàn)中R1和R2加起來(lái)都只有幾歐姆，可忽略不計(jì)。TX和RX分別發(fā)送脈沖波形和接收脈沖波形，C5、C6為耦合電容，用來(lái)分離直流分量，本次試驗(yàn)使用的是1 uf電容。C1、C2為電源和負(fù)載的穩(wěn)壓電容，為了避免它們對(duì)信號(hào)產(chǎn)生影響，添加了L1、L2兩個(gè)電感串聯(lián)在電纜上，理論上L1和L2越大則電路可以承受的L3、R1和R2越大，也就是說(shuō)電纜可以更長(zhǎng)，但是電感越大在直流電斷電時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也越大，有可能對(duì)元器件和人員造成危害，所以需要根據(jù)實(shí)際的情況，選擇合適的電感值。

圖6 脈沖部分簡(jiǎn)化電路

如圖7所示為實(shí)際示波器測(cè)量的波形，圖7從上到下為輸入數(shù)據(jù)DI的波形、發(fā)送脈沖TX的波形、接收脈沖RX的波形、接收到的數(shù)據(jù)DO的波形，為了方便理解，以一個(gè)周期高電平一個(gè)周期低電平作為幀頭，一個(gè)周期高電平作為幀尾，沒(méi)添加校驗(yàn)位，圖7中使用串口在波特率256 K時(shí)發(fā)送0X 12 34的波形，實(shí)際圖7中從左到右波形代表的數(shù)據(jù)順序?yàn)?1 43。實(shí)際HJ394A可接受的波特率可為任意值，只要不超過(guò)HJ394A的脈沖響應(yīng)頻率的上限就行，本次測(cè)量HJ394A可發(fā)送和接收的波特率極限為500 K。此時(shí)串口的電平只有高低兩種狀態(tài)，所以波特率等于比特率，也就是說(shuō)極限速率為500 Kb/s。實(shí)際編碼為了防誤碼，幀頭和幀尾也會(huì)更長(zhǎng)，還會(huì)使用CRC等校驗(yàn)方式，不過(guò)需要額外添加單片機(jī)或者DSP，因?yàn)镠J394A芯片本身不涉及運(yùn)算。電纜長(zhǎng)約300 m，所以圖7接收方相對(duì)發(fā)送方延遲了1 μs左右。

圖7 數(shù)據(jù)與脈沖波形

3 噪聲分析

脈沖式載波通信對(duì)信道有著較高的要求，因?yàn)闆](méi)有濾波，任何頻段的噪聲只要幅值達(dá)到了一定程度都會(huì)造成誤碼。幸運(yùn)的是井下的特殊環(huán)境使得噪聲有限。

因?yàn)閱涡倦娎|部分處于油管內(nèi)，而油管埋在地下且本身為金屬材質(zhì)，油管有較好的信號(hào)屏蔽作用，油管外的電纜盤(pán)在一起，不同于高壓電線一樣拉成一條很長(zhǎng)的直線，整個(gè)載波通信環(huán)節(jié)可以忽略外部電磁波對(duì)載波通信的干擾，高頻脈沖式載波通信的噪聲主要有兩點(diǎn)來(lái)源：1)產(chǎn)生脈沖時(shí)本身存在一定的振蕩。2)負(fù)載的功率存在一定的變化，實(shí)際上的直流電并不是一點(diǎn)振蕩都沒(méi)有的。

芯片產(chǎn)生脈沖時(shí)脈沖本身有一定的振蕩，如圖3中所示，這個(gè)振蕩必然存在，不過(guò)它的幅值和持續(xù)時(shí)間要小于脈沖，所以可以通過(guò)調(diào)節(jié)接收部分的放大倍數(shù)和閾值來(lái)防止它對(duì)信號(hào)的干擾，在能接收到信號(hào)的前提下縮小放大倍數(shù)和增大閾值可以改善因本身脈沖振蕩產(chǎn)生的誤碼。如果放大倍數(shù)過(guò)大且閾值過(guò)低，錯(cuò)誤地把脈沖后的震蕩當(dāng)成了脈沖本身，有可能造成DO與DI電平完全相反，接收數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。

電源和負(fù)載雖然使用的是直流電，但是由于功率的變動(dòng)，直流電的電流會(huì)有一定的變化，再加上串聯(lián)的L1、L2兩個(gè)電感，單芯電纜上的直流電電壓會(huì)隨機(jī)產(chǎn)生一定的低頻振蕩，如圖8所示，低頻振蕩疊加在脈沖信號(hào)上，這種隨機(jī)的低頻振蕩也可能導(dǎo)致誤碼的產(chǎn)生，在直流電源和負(fù)載的正負(fù)極之間并聯(lián)電容可以解決此現(xiàn)象，也就是加大C1、C2，理論上振蕩越大所需的電容容值越大，本次試驗(yàn)在負(fù)載功率50 W左右時(shí)出現(xiàn)圖8中的振蕩，在直流電源和負(fù)載兩端分別并聯(lián)了33 μf的電容后低頻振蕩消失。

圖8 低頻振蕩

4 結(jié) 論

高頻脈沖式載波通信具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、耐高溫、供電方便、體積小、功耗低、傳輸速率快以及不需要額外線路等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)也存在只能在直流電源上使用、抗干擾能力較差的缺點(diǎn)。在本次試驗(yàn)使用盤(pán)起來(lái)的300 m電纜模擬2 km直線電纜，實(shí)際上高頻脈沖式載波通信最遠(yuǎn)可以傳播5 000 m左右。本次試驗(yàn)中L1、L2的電感值最低可取300 mH，最高的單向數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)500 kb/s。可見(jiàn)其各方面都滿足過(guò)油管橋塞電動(dòng)液壓座封工具的需求，目前高頻脈沖式載波通信已經(jīng)在電動(dòng)液壓橋塞上取得應(yīng)用，并且在井下工具還有著廣泛的應(yīng)用空間。

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Application of High Frequency Pulse Carrier Communication in Electrohydraulic Bridge Plug

ZHU Yan1, HAN Zhifu2, BAI Yuxin2, WANG Heng1, ZHANG Lei1

(1.BeijingResearchInstituteofPreciseMechanicalandElectronicControlEquipment,Beijing100076,China；2.AerospaceConservoTechnologyCo.Ltd.,Beijing100076,China)

The electrohydraulic bridge plug require data transmission with the computer on the ground. Electromagnetic waves can not reach the earth thousands meters underground, so the wired communication has to be used. The existing power line is adopted as signal channel to realize the data transmission in the power line communication technology, and the single core cable can both supply power and send message, which avoids increasing other line to transport message and decreasing the cost. There are many ways of modulation, pulse modulation is used with the chip named HJ394A. Compared with traditional ways of modulation, the pulse modulation can transmit data at a higher speed. The downhole environment is limited for the space taken by the chip and requires higher working temperature. How the pulse is created, transported,

and the noise disturbance are explained in this paper. The test results show that the data transmission by the chip is reliable, and the pulse carrier communication can meet the demand of electrohydraulic bridge plug.

power line communication; pulse; bridge plug

朱 炎，男，1993年生，在讀碩士研究生，主要研究井下數(shù)據(jù)傳輸。E-mail:444238112@qq.com

TN76

A

2096-0077(2017)03-0034-04

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.03.008

2016-12-20 編輯：韓德林)