泥浆正脉冲信号驱动系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种用于智能钻井工具钻井液正脉冲信号的驱动系统，特别是涉及一种泥浆正脉冲信号驱动系统。
【背景技术】
[0002]在智能钻井工具中，采用钻井液泥浆作为传输介质的无线传输方式以其可靠性好、传输距离远等优点已获得广泛应用。其中，泥浆正脉冲传输方式是通过控制泥浆脉冲发生器的针阀动作来改变泥浆流道的横截面积，由此产生压力脉冲信号。由于智能钻井工具在井底工作过程中存在剧烈的冲击、振动等现象，因此泥浆流量波动范围较大，采用泥浆涡轮发电机提供驱动力的泥浆脉冲发生器存在供电电压波动大，稳定性差，影响对脉冲信号发生器的驱动能力，造成泥浆脉冲传输过程中的丢帧、无信号的情况，从而导致地面解码错误甚至无法解码。
[0003]因此，设计一种基于单片机控制的智能钻井工具钻井液正脉冲信号驱动系统及方波脉冲调制方法，在井底恶劣工作条件下，保证对脉冲信号发生器有足够的驱动能力，保证探管测量、编码数据能够正确、稳定地上传，具有重要的意义。
【发明内容】
[0004]为了解决上述问题，本实用新型的目的在于提供一种泥浆正脉冲信号驱动系统。
[0005]为了达到上述目的，本实用新型提供的泥浆正脉冲信号驱动系统包括:泥浆涡轮发电机、整流滤波电路、电压采集电路、微处理器、电压转换电路、信号驱动电路和脉冲信号发生器；泥浆涡轮发电机通过整流滤波电路与电压采集电路的输入端连接、电压采集电路的输出端与微处理器连接，微处理器分别与电压转换电路和信号驱动电路连接，信号驱动电路与电压采集电路及脉冲信号发生器的输入端连接。
[0006]本实用新型的有益效果是，将整流滤波电路输出电压作为脉冲信号发生器的驱动电压，微处理器接收该电压信号，利用插值算法计算脉宽调制方波的占空比值，结构简单，易于实现，对于宽输入电压范围的泥浆发电电压，可保证脉冲信号发生器驱动电压的稳定性，提高脉冲信号发生器的驱动能力，降低编码脉冲传输时出现丢帧、无信号的风险。
【附图说明】
[0007]图1为本实用新型提供的泥浆正脉冲信号驱动系统的结构框图。
[0008]图2本系统中的微处理器所采用的方波脉宽调制方法流程图。
[0009]图3为基于单片机的泥浆正脉冲信号驱动系统一实施例工作时示波器截图。
[0010]图4为图3的局部放大图。
【具体实施方式】
[0011]下面结合附图和具体实施例对本实用新型提供的泥浆正脉冲信号驱动系统进行详细说明。
[0012]如图1所示，本实用新型提供的泥浆正脉冲信号驱动系统包括:泥浆涡轮发电机1、整流滤波电路2、电压采集电路3、微处理器4、电压转换电路5、信号驱动电路6和脉冲信号发生器7 ;泥浆涡轮发电机I通过整流滤波电路2与电压采集电路3的输入端连接、电压采集电路3的输出端与微处理器4连接，微处理器4分别与电压转换电路5和信号驱动电路6连接，信号驱动电路6与电压采集电路3及脉冲信号发生器7的输入端连接。
[0013]所述的泥浆涡轮发电机I产生低频交流电能，用于为整个驱动系统供电；
[0014]整流滤波电路2用于将泥浆涡轮发电机I产生的低频交流电能转换成直流电能；
[0015]电压采集电路3用于采样整流滤波电路2输出的直流电能信号，并将采样值送入微处理器4中；
[0016]微处理器4在探管上传有效信号期间产生一定占空比值的脉宽调制方波，并输出至信号驱动电路6中；
[0017]电压转换电路5的输入端与探管相连，用于对探管上传的信号进行电平转换，并输出至微处理器4中；
[0018]信号驱动电路6在探管上传有效信号期间采用整流滤波电路2的输出电压作为脉冲信号发生器7的驱动电压，驱动脉冲信号发生器7动作，产生泥浆脉冲信号；
[0019]脉冲信号发生器7用于当探管上传有效编码信号时，在微处理器4控制下利用其上针阀的动作来改变泥浆流道的横截面积，产生压力脉冲信号。
[0020]所述的电压采集电路3采样整流滤波电路2的输出电压信号并送入微处理器4中，微处理器4在接收到电压转换电路5输出的有效信号时，根据该输出电压计算脉宽调制方波在一个周期内的占空比值，用以调整经过脉冲信号发生器7的平均电流不因泥浆流量的大范围波动而剧烈变化，保证脉冲信号发生器7工作的稳定性。
[0021]如图2所示，本实用新型提供的泥浆正脉冲信号驱动系统所采用的方波脉宽调制方法包括按顺序执行的下列步骤:
[0022]步骤一:微处理器4接收到有效信号时，驱动脉冲信号发生器7工作需较大电流，当脉冲信号发生器7动作而产生编码脉冲后，在有效信号时间T内，只需很小的电流即可保持该工作状态，前一时间段记为起始时间Tl，后一时间段记为保持时间T2，T = T1+T2，根据所述的整流滤波电路2输出电压的阈值范围分别建立插值表:
[0023]A [n] = {au a2,......，an}，η 为大于 I 的自然数
[0024]B [m] = {bi, b2,......，bm}，m 为大于 I 的自然数
[0025]其中，A为起始时间Tl内脉宽调制方波插值表，当i〈j时，有apaj，I彡i彡n，I彡j彡n，B为保持时间T2内脉宽调制方波插值表，当k〈l时，有ak>ai，l彡k彡m，I I m ；
[0026]步骤二:根据电压采集电路3测量得到的整流滤波电路2输出电压值计算该输出电压值对应的插值表序列的位置坐标:
[0027]i = *(p+(Vin-Vnin)/H)
[0028]其中，P为插值表序列的起始地址，Vin为整流滤波电路2输出电压值，V_为整流滤波电路2输出电压的阈值下限，H为常数，计算方法为:
[0029]H= (Vnax-Vnin)/n
[0030]其中，V_为整流滤波电路2输出电压的阈值上限；
[0031]步骤三:根据步骤二中得到的整流滤波电路2输出电压值对应的插值表序列的位置坐标计算占空比值:
[0032]D= (PffMPER-A[i] XPffMPER/100)/PffMPERX 100%
[0033]其中，D为脉宽调制波形的占空比值，PffMPER为占空比值量化上限；
[0034]步骤四:当微处理器4接收到电压转换电路5输出的有效信号时，在Tl时间段内，根据步骤二至步骤三查询起始时间Tl内脉宽调制方波插值表A计算输出脉宽调制方波的占空比值，在T2时间段内，根据步骤二至步骤三查询保持时间T2内脉宽调制方波插值表B计算输出脉宽调制方波的占空比值，驱动脉冲信号发生器7正常动作；当微处理器4未接收到电压转换电路5输出的有效信号时，无脉宽调制方波输出，脉冲信号发生器7无动作。
[0035]本系统的工作原理如下:如图1所示，泥浆涡轮发电机I产生的低频三相交流电能经整流滤波电路2转换成直流电能输出，将该直流电能作为脉冲信号发生器7的驱动电压，同时，该直流电能经电压采集电路3采样后进入微处理器4中；电压转换电路5负责对探管测量数据进行编码后的脉冲信号采样，当微处理器4接收到电压转换电路5输出的有效编码脉冲时，根据插值算法计算脉宽调制方波在一个周期内的占空比值，在有效编码脉冲时间段内，向信号驱动电路6发送脉宽调制方波序列，驱动脉冲信号发生器7动作产生编码脉冲信号，以钻井液泥浆为传输介质，传输至地面立管，经信号解调后供地面人员对井下智能钻井工具状况进行分析决策。
[0036]如图2所示，系统上电后，微处理器4首先进行I/O端口初始化和PffM参数初始化，设置电压信号的采样时间间隔，启动定时器并允许中断，当设定的采样间隔到来时，由电压采集电路3进行整流滤波电路2输出电压的采样，微处理器4接收采样电压并计算起始时间段Tl占空比值，输出脉宽调制波形，若未到设定的采样时间间隔，则检测电压转换电路5是否输出有效信号，若未检测到，则关闭脉宽调制方波输出，脉冲信号发生器7停止工作，若检测到有效信号，则判断是否处于起始时间段Tl内，若是，则根据计算的起始时间段Tl占空比值输出脉宽调制波形，驱动脉冲信号发生器7工作，若不是，则计算保持时间段T2占空比值并输出脉宽调制波形，使脉冲信号发生器7的状态得以保持。
[0037]图3为本实用新型的一实施例示波器显示图像，由信号发生器模拟探管上传信号波形，示波器通道I连接信号发生器方波脉冲输出，示波器通道2连接微处理器4的脉宽调制波形输出引脚，示波器通道3连接整流滤波后输出电压，示波器通道4连接脉冲信号发生器7，由图可见，在有效编码脉冲时间段内，微处理器4输出脉宽调制方波，驱动脉冲信号发生器7工作，在起始时间段Tl内，脉冲信号发生器7需要较大的驱动电流，其两端电压值较高，在保持时间段T2内，脉冲信号发生器7需较小电流即可保持状态，其两端电压值较低。
[0038]图4为图3的局部放大图，由图可见，在起始时间段Tl内，脉冲信号发生器7需要较大的驱动电流，故微处理器4输出的脉宽调制方波占空比值较高，在保持时间段T2内，脉冲信号发生器7只需较小的电流值即可保持驱动状态，故微处理器4输出的脉宽调制方波占空比值较低。
[0039]本实用新型的目的在于针对泥浆脉冲信号传输过程中存在的丢帧、无信号等问题，提出一种泥浆脉冲发生器的驱动方法，根据接收到的探管测量、编码数据，由单片机采用插值算法产生一定占空比值的脉宽调制波，用于在有效数据到来的时间段内，驱动脉冲信号发生器7产生编码脉冲。
[0040]以上仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。
【主权项】
1.一种泥浆正脉冲信号驱动系统，其特征在于:所述的泥浆正脉冲信号驱动系统包括:泥浆涡轮发电机(I)、整流滤波电路(2)、电压采集电路(3)、微处理器(4)、电压转换电路(5)、信号驱动电路(6)和脉冲信号发生器(7);泥浆涡轮发电机⑴通过整流滤波电路(2)与电压采集电路(3)的输入端连接、电压采集电路(3)的输出端与微处理器(4)连接，微处理器⑷分别与电压转换电路(5)和信号驱动电路(6)连接，信号驱动电路(6)与电压采集电路(3)及脉冲信号发生器(7)的输入端连接。
【专利摘要】一种泥浆正脉冲信号驱动系统。系统包括泥浆涡轮发电机、整流滤波电路、电压采集电路、微处理器、电压转换电路、信号驱动电路和脉冲信号发生器；泥浆涡轮发电机通过整流滤波电路与电压采集电路的输入端连接、电压采集电路的输出端与微处理器连接，微处理器分别与电压转换电路和信号驱动电路连接，信号驱动电路与电压采集电路及脉冲信号发生器的输入端连接。本实用新型效果：将整流滤波电路输出电压作为脉冲信号发生器的驱动电压，微处理器接收该电压信号，利用插值算法计算脉宽调制方波的占空比值，结构简单，易于实现，对于宽输入电压范围的泥浆发电电压，可保证脉冲信号发生器驱动电压的稳定性，提高脉冲信号发生器的驱动能力。
【IPC分类】E21B21/08
【公开号】CN204782868
【申请号】CN201520523810
【发明人】李绍辉, 魏春明, 韩晓文, 魏庆振, 郭佳, 白大鹏, 金平, 张猛, 李志广
【申请人】中国石油集团渤海钻探工程有限公司
【公开日】2015年11月18日
【申请日】2015年7月17日