钻探压力脉冲信号仿真器的制造方法
【专利说明】钻探压力脉冲信号仿真器
[0001]
技术领域
[0002]本发明涉及电子电路领域，具体地，涉及一种钻探压力脉冲信号仿真器。
【背景技术】
[0003]随着科学技术的发展，石油钻探行业也越来越多地利用高科技来开发各种高难度油气层，以便尽可能地提高产量。无线随钻就是一种用于石油钻井的高科技测量仪器。它的基本工作原理是:井下测量仪器模块对井底钻井参数(井斜、方位、温度、压力、电阻率等)进行测量采集，然后依据某种编码规则(如曼彻斯特编码)，将这些数据进行编码处理，变成一个脉冲序列，该编码序列驱动井下脉冲发生器，使电子脉冲序列转换成泥浆压力脉冲序列，泥浆压力脉冲传输到井口后，由地面信号处理设备采集，经过一系列复杂的数字滤波后，用数字信号处理的方法对脉冲序列进行译码，就得到了实时的井下参数。
[0004]在无线随钻系统的研制过程中，地面信号处理设备的研制是很重要的一个部分，关系到信号能否有效的译码，其中涉及到数模转换，滤波，译码等一系列的技术问题，为了解决这些问题，在研制过程中，需要使用很多方法来考察验证硬件线路，以及软件算法的有效性、可靠性和速度等。
【发明内容】
[0005]为提供一种钻探信号软硬件仿真验证装置，本发明公开了一种钻探压力脉冲信号仿真器。
[0006]本发明所述钻探压力脉冲信号仿真器，包括单片机，与单片机连接的RS232接口、晶振和电源，所述单片机还与数模转换器数据连接，所述数模转换器的输出端通过电压跟随器连接压流转换电路，还包括与数模转换器连接的基准电压源。
[0007]优选的，还包括与单片机连接的保护电路，所述保护电流包括过流检测电路和过压检测电路。
[0008]具体的，所述单片机为Atmegal28。
[0009]具体的，所述数模转换器为MAX541。
[0010]具体的，所述基准电压源为LM4040。
[0011]具体的，所述压流转换电路为XTRl 15。
[0012]本发明所述钻探压力脉冲信号仿真器，结构简单，使用方便，通过串口可以改变所仿真的信号的所有特性，该仿真器稍加改进即可仿真不同种类编码的泥浆压力脉冲信号。不仅可以用在开发过程中，也可以用在检修过程中。
【附图说明】
[0013]图1是本发明一种【具体实施方式】示意图。
【具体实施方式】
[0014]下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
[0015]本发明所述钻探压力脉冲信号仿真器，包括单片机，与单片机连接的RS232接口、晶振和电源，所述单片机还与数模转换器数据连接，所述数模转换器的输出端通过电压跟随器连接压流转换电路，还包括与数模转换器连接的基准电压源。
[0016]系统主要包括单片机、数模转换电路、电压跟随电路、压流变换电路、串行接口电路、电源及晶振电路、精密电压参考源七个部分。由系统结构图可以看出系统的工作原理:单片机将经过编码的泥浆压力脉冲数据通过SPI总线送给数模转换器，数模转换器将压力脉冲信号数字量转换成压力脉冲模拟量(电压信号)，该模拟信号经过电压跟随电路后，到达压流变换电路，模拟电压信号经过压流变换电路变换为标准工业传感器的4-20毫安电流环输出。
[0017]仿真器工作时，需要设置各种工作参数，通过RS232串行接口与计算机通讯来完成参数的设置(如:仿真器模拟的压力量程，噪声参数设置，信号参数设置，标准脉冲设置)
为了能够比较精确地模拟压力脉冲信号的波形和该波形上面迭加的各种噪声，单片机应具有速度快，程序容量大，接口方便等，为此我们选用了 AVR ATmegal28单片机。ATmegal28单片机是ATMEL公司推出的基于AVR RISC结构的高档FLASH型单片机，具有高达1MIPS/MHZ的数据吞吐率，运行速度比普通的CISC单片机高10倍，Atmegal28片内集成的众多系统级功能单元为控制系统的开发提供了很大便利。设计过程中，尽量通过软件编程简化硬件电路，有效缩短了开发周期。
[0018]在系统中，Atmegal28要模拟各种几十HZ的噪声信号,要求Atmegal28高速运行，因此单片机用14.7456MHZ的晶振。内部的EEPROM用于保存各种设置参数。外部接口用到了 SPI和USARTl，单片机经过计算模拟产生的压力脉冲数据经过SPI总线送到DAC中，单片机的SPI工作在主模式。单片机的USARTl的波特率为9600，8位元数据位，I位停止位，无校验。USARTl的串口信号经MAX232转换RS232电平，直接和计算机通讯，完成仿真器工作参数的设置。
[0019]数模转换器将单片机计算模拟产生的压力脉冲数据数字量转换为模拟电压量输出，为了能够得到准确的精细的模拟压力波形信号，选用了 16bit的数模转换器MAX541。MAX541是16位串行输入、电压输出数模转换器，+5V单电源供电。MAX541的飘移误差很低，输出范围为OV至VREF，采用SPI串行通信协议。MAX541昀高可以获得500X10 3采样点/秒的通过率，能够满足系统的要求。
[0020]为使MAX541获得高分辨率和高精度，使用LM4040_2.5提供高精度的+2.5V低阻抗基准电压源。为了消除高频和低频干扰，在REF引脚与模拟地之间接入退耦电容。由于AX541的数字输入DIN与TTL/CM0S逻辑电平兼容，因此，可以与ATmegal28的SPI接口直接连接。在MAX541的输出端接入电压跟随型运算放大器MAX495，起到缓冲、隔离、提高带载能力。
[0021]为了模拟工业现场使用的压力传感器信号，经过DAC变换得到的0-2.5V的模拟电压信号要变换为4-20mA的电流信号，S卩0-2.5V对应变换到4_20mA，这部分选用了XTR115JTR115其特点是能完成电压/电流转换，适配各种传感器构成测试系统、工业程控系统等。
[0022]为了增加系统的可靠性设计了保护电路。保护电路兼有反向电压保护与正向过压保护两种功能。
[0023]在实际的钻井现场，无线随钻的地面信号处理设备接受的压力信号是由多种信号迭加混合而成，其中有经过编码的压力脉冲信号，这是我们需要的有用信号，也有各种其它的噪声，为了模拟不同的信号和噪声，仿真器的软件中分别设计了(I)编码脉冲信号合成与输出计算模块、(2)泥浆泵噪声合成与输出计算模块、(3)泥浆马达噪声合成与输出计算模块、(4)随机噪声合成与输出计算模块。使用总信号合成模块计算合成昀后的输出信号，输出信号=编码脉冲信号+泥浆泵噪声+泥浆马达噪声+随机噪声。
[0024]系统上电复位后，先进行初始化，读取工作参数，然后调用各个模块分别计算各个信号，昀后调用总信号合成计算模块得到昀后的输出信号序列，此信号序列通过SPI接口连续输出信号。。
[0025]如上所述，可较好的实现本发明。
【主权项】
1.钻探压力脉冲信号仿真器，其特征在于，包括单片机，与单片机连接的RS232接口、晶振和电源，所述单片机还与数模转换器数据连接，所述数模转换器的输出端通过电压跟随器连接压流转换电路，还包括与数模转换器连接的基准电压源。2.根据权利要求1所述的钻探压力脉冲信号仿真器，其特征在于，还包括与单片机连接的保护电路，所述保护电流包括过流检测电路和过压检测电路。3.根据权利要求1所述的钻探压力脉冲信号仿真器，其特征在于，所述单片机为Atmegal28。4.根据权利要求1所述的钻探压力脉冲信号仿真器，其特征在于，所述数模转换器为MAX541。5.根据权利要求1所述的钻探压力脉冲信号仿真器，其特征在于，所述基准电压源为LM4040。6.根据权利要求1所述的钻探压力脉冲信号仿真器，其特征在于，所述压流转换电路为 XTR115。
【专利摘要】本发明所述钻探压力脉冲信号仿真器，包括单片机，与单片机连接的RS232接口、晶振和电源，所述单片机还与数模转换器数据连接，所述数模转换器的输出端通过电压跟随器连接压流转换电路，还包括与数模转换器连接的基准电压源。本发明所述钻探压力脉冲信号仿真器，结构简单，使用方便，通过串口可以改变所仿真的信号的所有特性，该仿真器稍加改进即可仿真不同种类编码的泥浆压力脉冲信号。不仅可以用在开发过程中，也可以用在检修过程中。
【IPC分类】G05B19/042
【公开号】CN105511338
【申请号】CN201410552774
【发明人】廖蓉
【申请人】廖蓉
【公开日】2016年4月20日
【申请日】2014年10月19日