雙向遠程控制試井系統研究

　　1 系統硬件結構概述

　　硬件部分如圖1所示，主要包括地面控制系統、下井控制器和井下控制器三部分。地面控制系統有三種工作模式：地面模式、中轉模式、直接模式。地面模式下主要功能是進行壓力計的地面配置和測試。中轉模式下，地面控制系統是PC機和井下控制器的連接單元，本身不主動發送指令，但可以進行實時的數據顯示。直接模式下地面控制器可以獨立控制井下系統，無需PC機參與操作，大大提高了油井現場操作的便攜性，主要功能包括井下實時數據計算顯示，下井命令發送，井下命令接收和相應井下數據的回傳存儲。下井控制器是針對下井壓力計的功能設計的，主要實現下井過程中的壓力實時跟蹤，完成壓力計的連接保持和壓力數據回傳。井下控制器是針對井下壓力計設計的，主要功能是接收并執行地面控制系統發出的操作指令，完成壓力計的電源管理、模式切換、數據回讀等一系列功能。

　　2 遠距離數據傳輸原理

　　本文所述方法具有許多技術難點，其中之一是長距離數據傳輸。井下和下井壓力計、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，另外還存在阻抗調制、脈沖噪聲、等幅震蕩波干擾等不利因素，難以達到高速傳輸。為此模擬長線傳輸做了大量的實驗，并在現場用實際電纜做實驗，最終采用較為可靠的擴頻通信(Spread Spectrum Conummicadon)作為傳送命令和數據的方式。

　　擴頻通信指傳輸系統中用于傳送信息的信號帶寬遠大于信息本身帶寬的通信方式，即將待傳送基帶信號用擴頻序列發生器產生的偽隨機編碼進行擴頻調制從而將頻譜擴展，形成擴展帶寬的低功率譜密度信號進行傳輸。接收端采用同樣偽隨機編碼通過相關處理恢復成窄帶信號，再解調數據恢復出原始信號數據。

　　從香農公式我們可以了解擴頻通信的理論來源，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，若減小其中一項則勢必要增大另一項以平衡信道固有的容量。因此，當信噪比太小不能保證通信質量時，常采用寬帶系統，即用增加帶寬(展寬頻譜)來提高信道容量，擴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。

本文所述系統擴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定，因此設計特定角加速度信號的濾波器可以將該干擾消除。此外chirps波形還具有很強的自相關特性，這種模糊邏輯相關性決定了所有通信系統中的設備，可以同時識別通信系統中任意設備發出的這種獨特波形，并且不需要在發送和接收設備間進行同步。圖2所示為擴頻載波chirps一個周期的波形圖。

　　系統所選通訊接口控制器是一個高度集成化的收發器和信道存取接口，采用擴頻載波(Spread Spectrum Carrier)技術，適用CEBus接口標準，具有很強的抗干擾能力。通信物理層采用振幅移位鍵控(ASK)和反相鍵控(PRK)兩種載波調制方式，如圖3所示，其中ASK調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。已編碼數據段采用PRK調制方式，利用相差180°的兩