一种NEXT系列产品MSP430远距离通信系统的制作方法

本发明属于井下无线通信技术信领域的具体应用，尤其涉及一种next系列产品msp430远距离通信系统。

背景技术：

对于国家来说，居民的衣食住行、工业发展、农业发展、国防建设、经济调控，无一都离不开石油。获得丰富的石油是一个国家繁荣昌盛的重要资本，然而，石油是一种需求巨大的不可再生资源，如何在现有的油井资源条件下，改善采油效率，获取更多的石油资源，是国家能源建设的重要研究课题。

井下通信是油田测量领域的重要技术。井下通信技术能将油井下温度、压力、流量参数实时上传到井上，同时也可以将地面的控制信息发送到井下。应用井下通信系统，油田工作者可以实时掌握井下的工况，制定合理的采油方案以提高油田的生产效率；可以地面远程控制井下设备，有利于油田智能化建设。随着国家石油大量开采，油井的深度也在不断的增加，远距离井下通信技术迫切需要发展。远距离井下通信技术有助于勘探开发石油资源，探明石油油质，测试油井生产状态。研究远距离井下通信有助于提高油田采油效率和加速油田智能化建设。

自20世纪初以来，油田工作者一直在追寻一种可靠、稳定、高效的井下通信手段。然而，由于井下高温高压的工作环境以及其他不确定因素的干扰，井下通信技术的发展极为缓慢，在过去几十年里，随着通信技术的日益进步以及传感器技术突飞猛进的发展，井下通信领域获得了新的活力。井下通信的通信方式包括有线通信、泥浆压力脉冲通信、电磁波通信、声波通信。2002年大庆油田进行了深井声波传输实验，然而并没有成功接收到信息。2007年，美国圣地亚哥实验室优化了声波通信方式，提高了通信速率，然而使用条件十分有限，仅能应用在空气钻井和欠平衡井。

井下通信系统分为地上电路和井下电路两部分，地上电路的供电可以直接使用地面的电源；井下电路的供电只能采用电池的供电方法。井下空间狭小，电池体积非常有限，因此电池电量也比较少。实际采油工作中，设备由井口下放至井下深处，如无特殊情况，将一直工作至供电电池能量消耗殆尽。为了避免因为需要更换电池而造成油井停工的损失，井下电路最好能够常年稳定地工作。在实现基本通信功能的条件下，只有尽可能降低电路的功耗，才有可能满足实际井下工作需求。因此，设计过程中需要优化硬件设计，减少电路的工作功耗和静态功耗，并且制定合理的电源管理方案，进一步减少电量的损耗。

井口处温度可达50℃，井下温度高达至125℃。系统的温度对电路有较大影响，为了使研制设备可以正常工作，需要在电路设计、器件选择耐高温器件。井下空间十分有限，有限空间将给发射、接收电路的设计提出更为严格的要求。比如，水声传输方案发射换能器的设计就受井口直径的限制，为了能达到应有的功率和性能，只能考虑发射截面积不变，尽量增大换能器纵向长度，这造成低频下发射换能器可能过长。同样，接收端电路板设计只有元器件及布线更为紧密，通过增多层数达到设计要求。

我国在远距离井下通信领域的技术比较的落后，部分油井采用的通信方式仍然是传统的有线传输方式。有线传输方式需要铺设很长的线缆，通信系统的建立成本巨大，设备维护困难。另外，井下高温高压的恶劣环境，常常造成线缆损坏，导致通信中断。为满足目前采油工业低成本、稳定运营的需求，本发明应用压力脉冲和水声两种无线通信技术设计远距离井下通信系统。本发明具有结构简单，价格低廉，系统功耗低，性能稳定的特点。

技术实现要素：

为了进一步解决传统井下通信系统存在的弊端。本发明的目的在于提供一种next系列产品msp430远距离通信系统，该发明具有结构简单，价格低廉，系统功耗低，性能稳定的特点。

为了实现上述系统，本发明采取的技术方案是：

一种next系列产品msp430远距离通信系统，其特征在于该系统由压力脉冲通信系统、水声信号通信系统、上位机、井下电源组成，其中压力脉冲通信系统和水声信号通信系统通过井下总线双向连接，前者由压力信号发射系统和压力信号接收系统组成，后者由水声信号发射系统和水声信号接收系统组成；压力脉冲通信系统采用正压力脉冲的通信方式，通过增减压力泵的供给压力，使井筒内压力发生变化，压力泵通过人工操作增减压力来生成压力脉冲信号从而产生压力脉冲，位于井下的压力接收板接收、解调压力脉冲信号并根据实际情况开启和关闭其他电路板，在水声信号通信系统中，上位机将信息发送给水声数字板，水声数字板将信息按照一定规则调制，调制信号经由dac模块转化为模拟信号，模拟信号由功率放大器进行放大后送入水声换能器，水声换能器安装在油管的内部，且与油管内的液体充分接触，水声换能器可以将信号发送到信道中去，在井筒内的水声信号被接收换能器接收，转化为电信号，电信号经过滤波，放大，最后在井下的水声数字板中解调，从而得到地面发送的信息。

在该msp430远距离通信系统中，压力脉冲通信系统采用正压力脉冲的通信方式，通过增减压力泵的供给压力，使井筒内压力发生变化，压力泵通过人工操作增减压力来生成压力脉冲信号从而产生压力脉冲。水声数字板将信息按照一定规则调制，调制信号经由dac模块转化为模拟信号，模拟信号由功率放大器进行放大后送入水声换能器，在井筒内的水声信号被接收换能器（水听器）接收，转化为电信号；电信号经过滤波，放大，最后在井下的水声数字板中解调，从而得到地面发送的信息。

在该msp430远距离通信系统中，压力脉冲通信系统由压力信号发射系统和压力信号接收系统组成，包括压力泵和井下的压力接收板，压力脉冲通信系统采用正压力脉冲的通信方式，通过增减压力泵的供给压力，压力信号接收系统包括压力传感器，放大电路，唤醒电路，接收板处理器以及用于通信、供电的总线接口；所述压力传感器选用龙翔天力公司的ltp-j12a型薄膜压力变送器，量程范围0-100mpa，响应时间≤1毫秒，输出阻抗1500±50ω；所述放大电路芯片选择仪表放大器ad8227，ad8227是一款耐高温、低功耗的芯片，增益调节范围5~1000，电压范围可达2.2v到36v，静态电流350ua，工作带宽为250khz；所述接收板处理器选用msp430g2332型芯片，电流230ua，内置10位adc以及多个支持adc的i/o引脚，串口通信模式包括i²c，uart，spi；所述压力接收板总线接口引脚用于压力接收板与水声数字板之间的通信，水声数字板的电源使能端通信以及电池组连接，其通信协议为i²c。

在该msp430远距离通信系统中，所述水声信号发射系统包括：水声信号数字板，数模转换器，功率放大器和水声换能器；所述水声信号数字板采用tms320c28346型耐高温数字信号处理芯片，兼容了水声信号发生器和水声信号解调的电路板的功能，该芯片主频300mhz，ram大小256k，具备2个spi模块、3个uart模块，内部集成i²c总线，工作温度在-40℃至125℃之间；所述数模转换器选择ad5453型数字模拟变换器，正常工作电压2.5v至5.5v之间，具有spi，microwire数字信号处理芯片的接口，信号频率高达50mhz，并具有10mhz的带宽，为了减小数模转换器的输出阻抗，从ad5453输出的模拟信号需要经过一个电压稳压器之后，再送入功率放大器板；所述信号首先经过功率放大器的第一级同向/反向放大器做了一定倍数的平衡放大，两者输出幅值相等、相位差180度的放大信号，然后把两路输出的信号再进行第二级放大，最后连接至换能器将信号发射出去，第一级放大电路的芯片采用ad8031，该芯片的工作带宽较宽，半功率点在80mhz，在5v电源的供电条件下，功耗不超过5mw，第二级放大电路芯片选用mp118，最高可以输出的信号强度可达100w；所述水声换能器抗压力70~80mpa，频率10khz，接收灵敏度大于-180db，能抵抗5m/s沙粒流冲蚀，考虑到高压存在可能导致的换能器弹射出井造成的不安全因素，本发明通过采用发射换能器侧面打孔、螺母固定的方式将换能器倒悬在井口，换能器面朝下与水介质直接接触，电线可由换能器尾部直接引出，也可从侧面留孔处引出，外加保护盖抗高压保护，中间截面变化部分使用软垫避免由于声波纵向震动引起的传感器与壳体的碰撞，从而保证信号稳定可靠。

在该msp430远距离通信系统中，所述水声信号接收系统包括：接收换能器，模拟板，水声信号数字板；其中水声换能器、水声信号数字板如前述；所述模拟板由滤波器，adc模块，程控增益放大器构成，模拟板功能为调理接收换能器的信号并将调理后的信号转化为数字信号，最后数字信号由模拟板接口送入dsp模块；滤波器采用多级结构，前端使用无源滤波器做低通滤波，后端使用有源滤波器做带通滤波，系统信号的中心频率在10khz左右，滤波器的通带在9k~11k之间，而阻带在25khz左右衰减40db；程控增益放大器的芯片选用lmp8358，放大倍数0到1000倍，支持单电源供电，静态电流为1.8ma，工作带宽8mhz，电信号经由两个程控放大器后，信号分成两路，一路直接传入到adc中采样得到数字信号，一路经过检波电路得到波形峰值，dsp会根据峰值调整程控增益放大器的增益；adc模块芯片选择ad7476，最大采样速率1msps，供电电压为2.7~5.25v，功耗4.5mw，静态电流1ua，支持spi通信，可以与dsp进行高速通信。

本发明的有益效果是：

一种next系列产品msp430远距离通信系统，其特征在于，系统由压力脉冲通信系统、水声信号通信系统、上位机、井下电源组成，其中压力脉冲通信系统和水声信号通信系统通过井下总线双向连接，前者由压力信号发射系统和压力信号接收系统组成，后者由水声信号发射系统和水声信号接收系统组成；在本发明中，压力脉冲通信系统采用正压力脉冲的通信方式，通过增减压力泵的供给压力，使井筒内压力发生变化，压力泵通过人工操作增减压力来生成压力脉冲信号从而产生压力脉冲，放大电路芯片选择仪表放大器ad8227，接收板处理器选用msp430g2332型芯片，通信协议为i²c。水声信号数字板采用tms320c28346型耐高温数字信号处理芯片，数模转换器选择ad5453型数字模拟变换器，第一级放大电路的芯片采用ad8031，第二级放大电路芯片选用mp118；本发明具有结构简单，价格低廉，实时性强，性能稳定的特点，系统功耗低，性能稳定的特点。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的解释说明。

图1是next系列产品msp430远距离通信系统总体框架图；

图2是压力接收板系统框图；

图3是放大电路原理图；

图4是msp430g2332连接图；

图5是水声信号发射框图；

图6是水声信号数字板结构图；

图7是功放电路板系统框图；

图8是水声信号接收系统结构框图。

具体实施方式

本发明的具体实施方式为：所述的一种next系列产品msp430远距离通信系统，压力脉冲通信系统采用正压力脉冲的通信方式，通过增减压力泵的供给压力，使井筒内压力发生变化，压力泵通过人工操作增减压力来生成压力脉冲信号从而产生压力脉冲，位于井下的压力接收板接收、解调压力脉冲信号并根据实际情况开启和关闭其他电路板，在水声信号通信系统中，上位机将信息发送给水声数字板，水声数字板将信息按照一定规则调制，调制信号经由dac模块转化为模拟信号，模拟信号由功率放大器进行放大后送入水声换能器，水声换能器安装在油管的内部，且与油管内的液体充分接触，水声换能器可以将信号发送到信道中去，在井筒内的水声信号被接收换能器接收，转化为电信号，电信号经过滤波，放大，最后在井下的水声数字板中解调，从而得到地面发送的信息。

图1是next系列产品msp430远距离通信系统总体框架图，该系统由压力脉冲通信系统、水声信号通信系统、上位机、井下电源组成，其中压力脉冲通信系统和水声信号通信系统通过井下总线双向连接，前者由压力信号发射系统和压力信号接收系统组成，后者由水声信号发射系统和水声信号接收系统组成；上位机与水声信号通信系统双向连接，用于系统的控制和交互；井下电源与压力脉冲通信系统和水声信号通信系统通过导线连接，用于系统井下的供电；压力信号发射系统与压力信号接收系统分别由压力泵和压力接收板构成，之间通过油管连接；水声信号发射系统由水声信号数字板，数模转换器，功率放大器和水声换能器组成，水声信号接收系统由接收换能器，模拟板，水声信号数字板组成，水声信号发射系统和水声信号接收系统之间通过油管连接。

图2是压力接收板系统框图，压力接收板是压力接收系统的核心，压力接收板的结构包括：压力传感器，放大电路，唤醒电路，msp430g2332处理器以及用于通信、供电的总线接口。在本发明中，压力传感器选用龙翔天力公司的ltp-j12a型薄膜压力变送器，量程范围0-100mpa，响应时间≤1毫秒，输出阻抗1500±50ω；在本发明中，接收板处理器选用msp430g2332型芯片，电流230ua，内置10位adc以及多个支持adc的i/o引脚，串口通信模式包括i²c，uart，spi；在本发明中，压力接收板总线接口引脚用于压力接收板与水声数字板之间的通信，水声数字板的电源使能端通信以及电池组连接，其通信协议为i²c。

图3是放大电路原理图，在本发明中，放大电路芯片选择仪表放大器ad8227，ad8227是一款耐高温、低功耗的芯片，增益调节范围5~1000，电压范围可达2.2v到36v，静态电流350ua，工作带宽为250khz，图中，2、3脚为放大器输入端，6脚为放大器输出端，1、8脚之间的电阻为rg。

图4是msp430g2332连接图，处理器是压力接收板的核心，其功能是压力信号采集、解码，系统唤醒。该模块对处理数据的速度、ram空间要求不高，因此处理器最好选用具有adc模块、支持i²c通信、低功耗、体积小、工作频率不高的芯片。msp430g2332有如下特性：在运行模式下，它的电流仅为230ua（1mhz，2.2v供电）；芯片体积较小，封装尺寸为6.5mm*6.5mm；可以在-40摄氏度到150摄氏度的温度环境下工作；内置10位adc，多个支持adc的i/o引脚；4kb的闪存和256字节的随机存储器；串口通信模式包括i²c，uart，spi；具有内置的16位定时器；从待机模式唤醒消耗的时间不到1us；具有5种节能模式，msp430g2332内部设有10位adc电路，可以片上直接采样，参考电压选用芯片内部的1.5v电压。

图5是水声信号发射框图，位于地面的水声信号发射系统包括水声信号数字板（dsp），数模转换器（dac），功率放大器和水声换能器，系统通过高性能信号处理器dsp解析发送的信号，对信号进行调制、加同步处理得到将要发送的数字信号，在通过数字模拟转换器模块将数字信号转化成模拟信号，再经过功率放大器放大功率，最后通过发射换能器将模拟信号转化为声信号发送出去。

图6是水声信号数字板结构图，水声信号数字板兼容了水声信号发生器和水声信号解调的电路板的功能。水声信号数字板的核心是数字信号处理芯片，在搭载dac电路板时，它可以作为水声信号发生器；在搭载adc电路板，它可以作为水下信号解调电路板。tms320c28346是一款低功耗、耐高温的数字信号处理芯片，主频300mhz；ram大小256k，2个spi模块，3个uart模块，内部集成i²c总线；工作温度在-40℃至125℃之间。本发明中选用is64wv6416bll作为外接随机存储器，数字板通过模拟板接口可以与模拟板dac相连，dsp的数字信号从接口传输到dac模块，本发明中电源转换芯片使用高效率的tps62420，本发明选用三星公司的k9f1g08u0m作为存储器件。

图7是功放电路板系统框图，功率放大器在系统中的位置处于水声信号发生器和换能器之间，其功能是对水声信号发生器产生的信号进行放大。本发明中的功率放大器用于将dac输出的模拟信号放大，增加信号传播距离。首先信号经过第一级同向/反向放大器做了一定倍数的平衡放大，两者输出幅值相等、相位差180度的放大信号；然后把两路输出的信号再进行第二级放大，最后连接至换能器将信号发射出去。第二级放大电路的供电电源需要正负100伏的直流电源，第一级放大电路需要正负5v的直流电源。因此，功率放大版需要设计两个独立的供电模块。交流信号转化为直流信号过程是变压、整流、稳压、滤波，为了保护电路，电路中都要串联保险丝。第一级放大电路的芯片采用ad8031，该芯片的工作带宽较宽，半功率点在80mhz，在5v电源的供电条件下，功耗不超过5mw，第二级放大电路芯片选用mp118，最高可以输出的信号强度可达100w

图8是水声信号接收系统结构框图，水声信号接收系统包括：接收换能器，模拟板，水声信号数字板（dsp）。其中模拟板由滤波器，adc模块，程控增益放大器构成；水声信号经过接收换能器转化为电信号，电信号经过滤波模块除去高频及低频的噪声；经过滤波处理的信号在程控增益放大器中放大；adc模块对放大信号进行采样，得到数字信号；dsp模块读取adc的转化结果，至此，实现水声信号的接收。模拟板的功能是调理接收换能器的信号并将调理后的信号转化为数字信号，最后数字信号由模拟板接口送入dsp模块。滤波器采用多级结构，前端使用无源滤波器做低通滤波，后端使用有源滤波器做带通滤波，系统信号的中心频率在10khz左右，滤波器的通带在9k~11k之间，而阻带在25khz左右衰减40db；程控增益放大器的芯片选用lmp8358，放大倍数0到1000倍，支持单电源供电，静态电流为1.8ma，工作带宽8mhz，电信号经由两个程控放大器后，信号分成两路，一路直接传入到adc中采样得到数字信号，一路经过检波电路得到波形峰值，dsp会根据峰值调整程控增益放大器的增益；adc模块芯片选择ad7476，最大采样速率1msps，供电电压为2.7~5.25v，功耗4.5mw，静态电流1ua，支持spi通信，可以与dsp进行高速通信。

除了上述以外本发明所属技术领域的普通技术人员也都能理解到，在此说明和图示的具体实施例都可以进一步变动结合。虽然本发明是就其较佳实施例予以示图说明的，但是熟悉本技术的人都可理解到，在所述权利要求书中所限定的本发明的精神和范围内，还可对本发明做出多种改动和变动。