旋轉導向單總線傳輸機制研究*

宋紅喜 崔 謙 曾義金 張 衛 米金泰 黃中偉

(1.中國石化石油工程技術研究院 2.頁巖油氣富集機理與有效開發國家重點實驗室 3.中國石油大學(北京))

0 引 言

旋轉導向系統是油氣井自動化鉆井的關鍵裝備[1-2]。由于該系統在井下高溫高壓這一特殊的環境中工作，所以其數據傳輸存在井下參數采集不準確、數據傳輸緩慢以及電氣導線在鉆鋌之間無法連接等問題[3-4]。單總線技術以單根線傳輸信號，完成數據的發送與接收[5-6]，可以實現井下信號的高效傳輸，是推靠式旋轉導向井下短節間和非接觸信號傳輸的關鍵技術。該技術的總線傳輸波形有效性和可行性一直是研究的焦點。為此，本文設計了正弦波和尖頂波2套總線波形傳輸方案，通過Saber仿真與實物試驗對比了幾種濾波運放器，發現尖頂波作為總線傳輸波形不易于實現，而正弦波作為總線傳輸波形易于實現，且可靠性高、穩定性與魯棒性強。單總線技術不僅可滿足旋轉導向鉆鋌之間的數據傳輸要求，大幅簡化所需鉆鋌的機械結構，而且可滿足旋轉導向非接觸傳輸要求單根信號線傳輸數據這一特殊要求，可為推靠式旋轉導向鉆井系統高效數據傳輸技術研發提供參考。

1 幾種總線協議對比與分析

當前常用的信號傳輸技術有單總線、RS-232、RS-485、I2C、CAN、Modbus和M-Bus等，這些傳輸技術主要使用2根以上的信號線，傳輸數據比較穩定[7-10]，但是鉆鋌連接空間和特點很難滿足較多信號導線的連接要求。常用傳輸技術對比如表1所示。

表1 常用傳輸技術對比Table 1 Comparison of commonly used transmission technologies

井下儀器設備一般工作在數千米的井中，環境溫度比較高、空間特別狹小，所以井下數據傳輸系統一般采取密封方式。針對該系統信號傳輸問題，設計了能搭載1根信號線的導電環。非接觸信號傳輸使用單根信號線[11]傳輸可靠性更好，不僅可避免多根信號線和1個變壓器傳輸過程中的電磁耦合與解耦問題，而且還可避免多根信號線和多個變壓器擠占井下儀器空間。通過對比常用的數據傳輸方法，確定了旋轉導向系統采用單根信號線的技術方法，設計了1套井下總線信號傳輸方案。

單根信號傳輸線成為井下信號傳輸的首選，特別是單總線單根信號線的數據傳輸優勢比較明顯，單總線技術和導電環機械結構這兩者不僅可滿足井下鉆鋌電氣連接要求，而且還滿足旋轉導向旋轉與非旋轉之間的非接觸信號傳輸要求，實現井下參數實時采集與傳輸。圖1為單總線鉆鋌間機械連接圖。

圖1 單總線鉆鋌間機械連接圖Fig.1 Mechanical connection diagram between 1-wire bus drill collars

2 單總線技術

2.1 技術分析

單總線技術(1-wire bus)是美國達拉斯公司研發并推出的總線技術，它以單根信號線實現了數據雙向傳輸，導線結構簡單，外圍搭建電路開發成本低，適合大規模使用。單總線集信號控制、發送、接收和存儲多功能于一體，適合主、從設備通信，主機是微控制器，從機是單總線器件，同時遵循主從機機制。只有一個從機時，可以按照單點系統操作方式；有多個從機時，系統則按照多點操作方式[12-13]。圖2為單總線設備連接示意圖。常用領域為DS18B20溫度傳感器和DHT11溫濕度傳感器等電子元器件。

圖2 單總線設備連接示意圖Fig.2 1-wire bus device connection

單總線通信協議包含程序初始化、寫間隙和讀間隙等3部分。第一部分初始化包含復位脈沖和從機應答脈沖；第二部分寫間隙包含寫0的時間隙和寫1的時間隙；第三部分拉低總線，并保持相應的時間釋放總線，必須在規定的時間讀取數據[14]。圖3為單總線傳輸信號應答與傳輸機制。

圖3 單總線傳輸信號應答與傳輸機制Fig.3 1-wire bus transmission signal response and transmission mechanism

單總線電路采用設備外殼作為公共地，設備間只有一根連接線纜，大大降低了結構實現難度，具有設計簡單、傳輸穩定和可靠的優點。它通過通信載波技術將信號疊加在電源線上，實現各子系統間的通信，采用多級濾波技術濾除電源上的噪聲，使用功率切換技術避免發送電路與接收信號的衰減，實現多節點掛接，主要完成數據的請求、發送和接收等傳輸功能，在非接觸信號傳輸中起到“橋梁”作用[11]。圖4為單總線數據傳輸路線圖。

圖4 單總線數據傳輸路線圖Fig.4 1-wire bus data transmission route

2.2 電路設計

依據單總線協議，整個單總線電路由芯片最小系統、發射信號部分和接收信號部分等組成。芯片最小系統中的主控芯片發出有效的方波信號；發射信號部分對發射信號進行處理：發射信號經過有源濾波器轉換為模擬信號，再由功率放大，通過信號發射端口發送出模擬信號；接收信號部分對接收的模擬信號進行處理：接收的模擬信號經過保護電路、去噪聲等電路，再經過有源濾波器，還原回方波信號，后期經過鎖相環的二進制分頻信號，整形電路和反相器等環節，最終返回到主控芯片，實現整個單總線電路信號控制過程[15]。圖5為單總線電路信號控制框圖。

圖5 單總線電路信號控制框圖Fig.5 1-wire bus circuit signal control block diagram

單總線電路是完成命令的上傳下達，同時配置、診斷和檢測系統的核心電路，屬于總線控制電路的一部分，也是實現旋轉導向信號傳輸的關鍵部分。單總線在總線傳輸的模擬信號波形也是研究的重點和難點。常見的總線波形有方波、三角波、鋸齒波、尖頂波和階梯波等。本文主要對模擬電子電路中常用的方波、正弦波和尖頂波這3種波形發生電路的組成、工作原理、波形分析和主要參數[16-17]，以及波形變換電路的原理進行研究和試驗驗證，以期選取合適的總線波形完成單總線的技術開發。

依據上述分類，對總線傳輸的模擬信號波形設計了2套方案：①方波轉換為尖頂波，此時總線上傳輸的模擬信號就是尖頂波，再由尖頂波還原回方波；②方波轉換為正弦波，此時總線上傳輸的模擬信號就是正弦波，再由正弦波還原回方波。針對這2種電路設計方案分別設計相應的濾波器，并且在實驗室仿真和試驗驗證這2種技術方案。

3 仿真與試驗

對上述2種總線波形設計方案進行了仿真分析[18]，同時進行了實物板試驗。設置了仿真和試驗參數，以驗證仿真與試驗理論分析的有效性和可行性。圖6為單總線電路板實物圖。

3.1 仿真分析

3.1.1 方案一

方波轉換到尖頂波，再從尖頂波還原到方波[17]。圖7為二階有源帶通濾波電路。采用該電路目的是輸入方波，輸出尖頂波，實現方波到尖頂波的變換。仿真試驗結果表明，該二階有源帶通濾波電路能實現方波到尖頂波的變換。仿真波形如圖8所示。

圖7 二階有源帶通濾波電路Fig.7 Second-order active band-pass filter circuit

圖8 二階有源帶通濾波電路仿真波形Fig.8 Simulation waveform of the second-order active band-pass filter circuit

圖9為壓控電壓源二階帶通濾波電路[18]。采用該電路主要目的是輸入尖頂波，預期輸出方波。仿真試驗結果表明，該電路輸出的是2.5 V的電平，尖頂波轉換為方波并沒有很好地實現(見圖10)，說明尖頂波信號在總線傳輸的不可操控性，不滿足單總線電路信號發射與信號接收要求。

圖10 壓控電壓源二階帶通濾波仿真波形Fig.10 The simulation waveform of the second-order band-pass filter of the voltage-controlled voltage source

3.1.2 方案二

方波轉換到正弦波，再從正弦波還原到方波。使用無限增益負反饋有源二階帶通濾波器[18]，將方波轉換為正弦波。圖11為無限增益負反饋有源二階帶通濾波器電路圖。圖12為其仿真波形。

圖11 無限增益負反饋有源二階帶通濾波器電路Fig.11 Infinite gain negative feedback active second-order band-pass filter

從圖12可以看出，二階帶通濾波器可把方波轉換為很平滑的正弦波，說明方案二電路設計的有效性和可行性。方案二為了實現正弦波還原到方波功能，使用了有源同比例微分放大器[18-19]，其電路如圖13所示。圖14為其仿真波形。從圖14可以看出，二階帶通濾波器可把方波轉換為很平滑的正弦波，說明正弦波信號在總線傳輸的可操控性及電路圖設計的有效性和可行性。

圖12 無限增益負反饋有源二階帶通濾波器仿真波形Fig.12 Simulation waveform of the infinite gain negative feedback active second-order band-pass filter

圖13 有源同比例微分放大器電路Fig.13 Active same-proportional differential amplifier

圖14 有源同比例微分放大器仿真波形Fig.14 Simulated waveform of the active same-proportional differential amplifier

3.2 實物驗證

3.2.1 方案一實物驗證

針對方案一的方波轉換到尖頂波和尖頂波轉換到方波2種仿真試驗，由圖15a預期輸入電壓Uin1方波與輸出電壓Uout1尖頂波的波形可知，方案一的二階有源帶通濾波器完成了方波轉換為尖頂波的目標；由圖15b預期輸入電壓Uin2尖頂波與輸出電壓Uout2方波的波形可知，方案一的壓控電壓源二階帶通濾波器未完成方波轉換為尖頂波的目標，電壓Uout2

圖15 方案一試驗波形Fig.15 Experimental waveform of the Scheme 1

僅僅輸出了2.5 V的電平，尖頂波轉換為方波在實際試驗中并不易實現。從仿真和試驗結果來看，方案一并沒有達到預期效果，尖頂波并不是理想的單總線傳輸信號。

3.2.2 方案二實物驗證

針對方案二的方波轉換到正弦波和正弦波轉換到方波2種仿真試驗，由圖16a預期輸入電壓Uin3方波與輸出電壓Uout3正弦波的波形可知，方案二無限增益負反饋有源二階帶通濾波器完成了方波轉換為正弦波的目標。由圖16b預期輸入電壓Uin4正弦波與輸出電壓Uout4方波的波形可知，方案二有源同比例微分濾波器也完成了正弦波還原回方波的目標。因此，方案二達到了預期效果，驗證了正弦波在單總線傳輸信號理論設計的可行性。

圖16 方案二試驗波形Fig.16 Experimental waveform of the Scheme 2

4 結 論

(1)單總線技術是一種有效的數據傳輸方式，可實現井下工具串各個短節之間的數據傳輸和應答。該技術所需機械設計結構簡單，可應用于旋轉導向系統中。

(2)單總線在信號發射部分使用了無限增益負反饋有源二階帶通濾波器，實現了方波到正弦波的轉換，后續的功率放大電路使得信號抗干擾能力更強；信號接收部分的信號經過保護電路和去噪聲電路，使用有源同比例微分放大器電路實現正弦波還原到方波的信號，完成數字信號到模擬信號、再到數字信號的轉換，驗證了單總線技術在總線上使用正弦波傳輸數據方案的可行性和有效性。

(3)單總線以單根信號線即可實現時鐘和數據的雙向發送，機械結構實現難度降低，便于操控，既可滿足井下鉆鋌之間的數據傳輸要求，也滿足推靠式旋轉導向的非接觸數據傳輸這一特殊要求。

(4)單總線數據以多組正弦波的形式在總線上進行傳輸，使得正弦波比尖頂波傳輸抗干擾能力和魯棒性更強，降低了收發數據的誤碼率，具有易于實現、結構簡單、傳輸穩定和可靠等優點，便于大規模推廣應用。

(5)單總線技術可靠性高，不僅可為旋轉導向系統提供信號傳輸功能，也可為井下隨鉆測量和隨鉆測井等高端儀器提供公用模塊，使儀器低故障率得到有效保障。