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基于自平衡超远距离油井测试系统研究 摘要：针对探测储油层参数深度不够及系统能耗过高的特点，本文探讨了一种超远距离实时采集井下压力和温度等参数的油井测试系统，提出了采纳自平衡收放线浮球无线转发结构，利用FPGA、MSP430、CC2420组成井底发送、浮球转发和井上监控系统3个部分，对系统的软硬件设计进行分析，并对实际效果进行测试，测试结果表明，该系统设计方法实现简便、合理有效。 关键词：FPGA MSP430 自平衡 超远距离 油井测试 中图分类号：TP274文献标识码：A文章编号：1017-9416(2022)07-0068-02 Self-balancing ultra-long-distance oil well test system Jinsheng qian，xuanyuan guan，feng li，fei wang (State Key Laboratory of Transient Physics,NUST,Nanjing 210194,China) Abstract：This article study a long distance real-time acquisition of downhole pressure and temperature parameters well test system,presents the self-balance retractable line float wireless forwarding structure.FPGA,MSP430,CC2420 up the bottom of the well to send,float forward and Inoue monitoring system.This paper to analyze the system"s hardware and software design,and test the actual effects.The test results show that the system design method is simple,rational and effective. Key Words：FPGA MSP430 Self-balancing long distance oil well test 1、引言 在石油开采这一生产活动中，刚好精确地获知油井的井温柔井压等参数是特别重要的。油井井下是一个高温高压、高腐蚀性的环境，目前国内主要采纳机械压力计、温度计，电子压力计，来完成此工作。智能化油井参数干脆传输系统的测量深度尚未突破2000米，且受采油井井况的影响较大，实际应用难度高，本文设计开发了3000米以上的油井参数传输系统。 本试验平台主要采纳FPGA，MPS430组建井下采集系统，CC2420和电脑组建地面接收限制系统。井下采集发送分系统主要包括4个模块：传感器模块、数据采集模块、FPGA数据处理模块和数据转换模块。井下浮球转发分系统主要包括三个模块：放大限幅模块、解调模块和无线转发模块。 2、油井参数传输系统设计 2.1 油井参数硬件接口设计方案 FPGA输入时钟为50MHz，配置PIN9为全局时钟输入管脚；PIN38、PIN40、PIN41为FPGA与D/A芯片的通信管脚，PIN32PIN35为FPGA与A/D通信管脚。系统采纳24V蓄电池为井底采集发送系统供电，DC-DC变换块把24V电压变为±12V电压，供放大器OP07的工作电压选用正负供电模式运用；再将电压转变为5V作为 A/D和D/A的工作电压。系统选用TI公司专为FPGA设计的电源芯片TPS73345和TPS73358供电。 AD7911作为系统A/D转换器。信号采集后先须要把电流型变量转变为电压型，同时进行低通滤波的处理，避开信号受到太大的干扰。AD7911是AD公司的12位高速、低功耗、2通道的逐次靠近式串行A/D转换器1，其限制信号和时钟信号由FPGA产生。当片选信号变为低电平常，AD7911起先转换数据；DOUT输出转换后为数字量；DIN是用来配置A/D对2路数据进行采样。 传感器获得的压力或温度信号产生电流，经过R20后变为电压信号。为隔离干扰信号同时增大输入阻抗减小输出阻抗，把电压信号经过电压跟随器输送给后级滤波电路。依据2阶滤波器的传递函数和二阶巴特沃斯低通滤波器的多项式2，选定R22，R24和R20的阻值，满意AD7911允许输入电压要求。 FPGA分析完采集数据，须要生成的2FSK信号，通过D/A转换后还原成我们要求的正弦信号。我们选用10位串行DAC芯片AD5451。SYNC下降沿触发，输入移位寄存器将移入一位SDIN的数据，在第16个时钟后，SYNC信号变为高电平，此时移位寄存器中的数据将放入输入锁存器中，然后送入DAC寄存器，进行D/A转换。AD5451输出为电流信号，第一阶运放U5将信号变为电压信号，其次阶运放U6在这里是用来进行信号偏置输出电压。 2.2 数据调制和解调方案 井下的恶劣环境要求调制方式简洁有效并减小多普勒效应等误差。通过对数字振幅调制、数字频率调制和数字相位调制三种方式进行比较分析，系统选用二进制频移键控进行信号传输、处理3。数字频移键控是用所传送的数字信息限制载波的频率。作为已调的FSK信号的频率只能有有限个取值。2FSK抗多径干扰实力强，且调制设备和解调设备实现简洁，适用于油井信号测控。系统采纳幅度/相位转换方法生成频率f1和f2。2FSK信号便是符号“1”对应于载频f1，而符号“0”对应于载频f2的已调波形，而且f1与f2之间的变更是瞬间完成的。为了保证对应幅值采纳查表输出，系统选用4个f1正弦波表示基带信号“0”， 8个f2正弦波表示基带信号“1”。 2.3 井底发送系统设计 井下发送系统软件实现在FPGA中进行，调试工具选用Xilinx公司的ISE Design Suit 12.4，程序设计语言我们选用Verilog HDL语言，并进行Modelsim仿真。软件设计主要包括三个部分：数据采集模块、2FSK调制模块和D/A数模转换模块，如图1所示。 FPGA系统采纳DDS进行频移键控调制4，在FPGA存储单元中存储周期正弦信号在各个相位点对应的量化幅值。波形存储器中存储一个完整余弦波的128个相位点的幅值，且每一个相位点幅值都表达成10位2进制数。依据DDS合成频率法原理，在此把频率限制字K用1和2来代替，当K为1时输出f1的正弦波，当为2时输出f2的正弦波，相位累加器由7位加法器和7位累加寄存器组成。 AD5451输入的16位数据位：DB15和DB14为2位限制位，DB3DB0为4为无效位，DB13DB4为数据位。其中DB15和DB14用来限制装载和更新DAC数据的模式。系统复位后，FPGA内部的寄存器先进行初始化，然后推断是否有从ROM表中读数据的信号，若没有则说明没有要进行D/A变换的数据；否则推断sync_reg计数器的值，当大于16则说明从ROM表中查找的数据已送入DAC寄存器中，将DAC使能信号置高，同时内部计数器sync_reg的值也置为最大值1Fh；若sync_reg小于16，说明须要转换的数据还没有完全送入输入移位寄存器中，时钟驱动送入DAC的DIN引脚，同时sync_reg计数器值加1，等待下一次数据读取。 3、试验分析 为了测试系统的性能，设计的平台进行了实际的试验，试验模拟标准2000米电缆传输，传感器分别放置不同水温、压强容器中，传输数据如图2。此为示波器采集数据，左图为井底发送系统放射信号，右图为传输后2000米，有线浮球转发系统接受信号。实际证明1.3KHz和2.6KHz信号有不同程度衰减，但信号处于有效范围内，满意系统要求的指标参数。 图2 井底发送与MSP430转发实际收发信号 4、结语 通过对该平台的试验可知，本文中所提出的基于自平衡的超远距离油井测试试验平台满意设计所提出的指标参数，有效传输距离可以达到3000米，较目前的1500-2000米有较大提高。系统能实时显示油井的压力和温度值，油上系统操作限制整个系统处于休眠或唤醒模式，有效降低了系统的功耗。在该平台的搭建过程中遇到的问题，通过分析找到了相对应的解决方法。试验表明，改进通信调制方式，能够有效减小误码率，取得了良好的测试效果。 参考文献 1 Analog Devices Inc. 2-Channel,2.35V to 5.25V 250kSPS,10-/12-Bit ADCsR.2004. 2 李辉.数字信号处理及Matlab实现M.机械工业出版社,2022.02. 3 王兴亮.通信系统原理教程M.西安电子科技高校出版社,2022.11. 4 田耕,徐文波,张延伟.无线通信FPGA设计M.电子工业出版社,2022.2. 第7页 共7页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页