旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向單總線傳輸機制研究*

宋紅喜 崔 謙 曾義金 張 衛(wèi) 米金泰 黃中偉

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

0 引 言

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)是油氣井自動化鉆井的關(guān)鍵裝備[1-2]。由于該系統(tǒng)在井下高溫高壓這一特殊的環(huán)境中工作，所以其數(shù)據(jù)傳輸存在井下參數(shù)采集不準確、數(shù)據(jù)傳輸緩慢以及電氣導(dǎo)線在鉆鋌之間無法連接等問題[3-4]。單總線技術(shù)以單根線傳輸信號，完成數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收[5-6]，可以實現(xiàn)井下信號的高效傳輸，是推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向井下短節(jié)間和非接觸信號傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)。該技術(shù)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(shè)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(fā)現(xiàn)尖頂波作為總線傳輸波形不易于實現(xiàn)，而正弦波作為總線傳輸波形易于實現(xiàn)，且可靠性高、穩(wěn)定性與魯棒性強。單總線技術(shù)不僅可滿足旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆鋌之間的數(shù)據(jù)傳輸要求，大幅簡化所需鉆鋌的機械結(jié)構(gòu)，而且可滿足旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向非接觸傳輸要求單根信號線傳輸數(shù)據(jù)這一特殊要求，可為推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)高效數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)研發(fā)提供參考。

1 幾種總線協(xié)議對比與分析

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

表1 常用傳輸技術(shù)對比Table 1 Comparison of commonly used transmission technologies

井下儀器設(shè)備一般工作在數(shù)千米的井中，環(huán)境溫度比較高、空間特別狹小，所以井下數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)一般采取密封方式。針對該系統(tǒng)信號傳輸問題，設(shè)計了能搭載1根信號線的導(dǎo)電環(huán)。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(shù)據(jù)傳輸方法，確定了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)采用單根信號線的技術(shù)方法，設(shè)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?shù)氖走x，特別是單總線單根信號線的數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)勢比較明顯，單總線技術(shù)和導(dǎo)電環(huán)機械結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)導(dǎo)向旋轉(zhuǎn)與非旋轉(zhuǎn)之間的非接觸信號傳輸要求，實現(xiàn)井下參數(shù)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(shù)

2.1 技術(shù)分析

單總線技術(shù)(1-wire bus)是美國達拉斯公司研發(fā)并推出的總線技術(shù)，它以單根信號線實現(xiàn)了數(shù)據(jù)雙向傳輸，導(dǎo)線結(jié)構(gòu)簡單，外圍搭建電路開發(fā)成本低，適合大規(guī)模使用。單總線集信號控制、發(fā)送、接收和存儲多功能于一體，適合主、從設(shè)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(tǒng)操作方式；有多個從機時，系統(tǒng)則按照多點操作方式[12-13]。圖2為單總線設(shè)備連接示意圖。常用領(lǐng)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(shè)備連接示意圖Fig.2 1-wire bus device connection

單總線通信協(xié)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(fù)位脈沖和從機應(yīng)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(yīng)的時間釋放總線，必須在規(guī)定的時間讀取數(shù)據(jù)[14]。圖3為單總線傳輸信號應(yīng)答與傳輸機制。

圖3 單總線傳輸信號應(yīng)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(shè)備外殼作為公共地，設(shè)備間只有一根連接線纜，大大降低了結(jié)構(gòu)實現(xiàn)難度，具有設(shè)計簡單、傳輸穩(wěn)定和可靠的優(yōu)點。它通過通信載波技術(shù)將信號疊加在電源線上，實現(xiàn)各子系統(tǒng)間的通信，采用多級濾波技術(shù)濾除電源上的噪聲，使用功率切換技術(shù)避免發(fā)送電路與接收信號的衰減，實現(xiàn)多節(jié)點掛接，主要完成數(shù)據(jù)的請求、發(fā)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(shù)據(jù)傳輸路線圖。

圖4 單總線數(shù)據(jù)傳輸路線圖Fig.4 1-wire bus data transmission route

2.2 電路設(shè)計

依據(jù)單總線協(xié)議，整個單總線電路由芯片最小系統(tǒng)、發(fā)射信號部分和接收信號部分等組成。芯片最小系統(tǒng)中的主控芯片發(fā)出有效的方波信號；發(fā)射信號部分對發(fā)射信號進行處理：發(fā)射信號經(jīng)過有源濾波器轉(zhuǎn)換為模擬信號，再由功率放大，通過信號發(fā)射端口發(fā)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(jīng)過保護電路、去噪聲等電路，再經(jīng)過有源濾波器，還原回方波信號，后期經(jīng)過鎖相環(huán)的二進制分頻信號，整形電路和反相器等環(huán)節(jié)，最終返回到主控芯片，實現(xiàn)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(tǒng)的核心電路，屬于總線控制電路的一部分，也是實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向信號傳輸?shù)年P(guān)鍵部分。單總線在總線傳輸?shù)哪M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(fā)生電路的組成、工作原理、波形分析和主要參數(shù)[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(shù)開發(fā)。

依據(jù)上述分類，對總線傳輸?shù)哪M信號波形設(shè)計了2套方案：①方波轉(zhuǎn)換為尖頂波，此時總線上傳輸?shù)哪M信號就是尖頂波，再由尖頂波還原回方波；②方波轉(zhuǎn)換為正弦波，此時總線上傳輸?shù)哪M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(shè)計方案分別設(shè)計相應(yīng)的濾波器，并且在實驗室仿真和試驗驗證這2種技術(shù)方案。

3 仿真與試驗

對上述2種總線波形設(shè)計方案進行了仿真分析[18]，同時進行了實物板試驗。設(shè)置了仿真和試驗參數(shù)，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(zhuǎn)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(xiàn)方波到尖頂波的變換。仿真試驗結(jié)果表明，該二階有源帶通濾波電路能實現(xiàn)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(yù)期輸出方波。仿真試驗結(jié)果表明，該電路輸出的是2.5 V的電平，尖頂波轉(zhuǎn)換為方波并沒有很好地實現(xiàn)(見圖10)，說明尖頂波信號在總線傳輸?shù)牟豢刹倏匦?，不滿足單總線電路信號發(fā)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換為很平滑的正弦波，說明方案二電路設(shè)計的有效性和可行性。方案二為了實現(xiàn)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(zhuǎn)換為很平滑的正弦波，說明正弦波信號在總線傳輸?shù)目刹倏匦约半娐穲D設(shè)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(zhuǎn)換到尖頂波和尖頂波轉(zhuǎn)換到方波2種仿真試驗，由圖15a預(yù)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(zhuǎn)換為尖頂波的目標；由圖15b預(yù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換為方波在實際試驗中并不易實現(xiàn)。從仿真和試驗結(jié)果來看，方案一并沒有達到預(yù)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(zhuǎn)換到正弦波和正弦波轉(zhuǎn)換到方波2種仿真試驗，由圖16a預(yù)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(zhuǎn)換為正弦波的目標。由圖16b預(yù)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(yù)期效果，驗證了正弦波在單總線傳輸信號理論設(shè)計的可行性。

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

4 結(jié) 論

(1)單總線技術(shù)是一種有效的數(shù)據(jù)傳輸方式，可實現(xiàn)井下工具串各個短節(jié)之間的數(shù)據(jù)傳輸和應(yīng)答。該技術(shù)所需機械設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，可應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)中。

(2)單總線在信號發(fā)射部分使用了無限增益負反饋有源二階帶通濾波器，實現(xiàn)了方波到正弦波的轉(zhuǎn)換，后續(xù)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(jīng)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(xiàn)正弦波還原到方波的信號，完成數(shù)字信號到模擬信號、再到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，驗證了單總線技術(shù)在總線上使用正弦波傳輸數(shù)據(jù)方案的可行性和有效性。

(3)單總線以單根信號線即可實現(xiàn)時鐘和數(shù)據(jù)的雙向發(fā)送，機械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)難度降低，便于操控，既可滿足井下鉆鋌之間的數(shù)據(jù)傳輸要求，也滿足推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向的非接觸數(shù)據(jù)傳輸這一特殊要求。

(4)單總線數(shù)據(jù)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(fā)數(shù)據(jù)的誤碼率，具有易于實現(xiàn)、結(jié)構(gòu)簡單、傳輸穩(wěn)定和可靠等優(yōu)點，便于大規(guī)模推廣應(yīng)用。

(5)單總線技術(shù)可靠性高，不僅可為旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)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。