一种井下单总线通讯系统测试平台和方法与流程

1.本发明涉及油气开采技术领域，具体的，涉及一种井下单总线通讯系统测试平台和方法。


背景技术：

2.在钻井井下测量工具中，井下仪器各部件间的电源和信号传输，由于施工方式、环境、结构等方面的限制，井下仪器各部件间通常采用单总线连接方式，以仪器钻铤外壳为公共地，各部件间只有一根线缆，利用单根线缆既传输电能又进行信息交互。采用单总线方式，使各部件间的连接线缆只有一根，大大降低了实现难度和需要付出的成本。但是这种方式的采用，对单总线通讯相关技术的性能和可靠性提出了更高要求。如果能为井下单总线通讯的开发、验证、优化提供科学化的测试方法，那么技术人员便可依据此方法设计试验流程，研制试验设备，乃至搭建智能化试验平台，这些工作将会促进单总线通讯相关技术发展和应用，同时降低开发风险和试错成本。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于解决现有技术存在的上述不足中的至少一项。例如，本发明的目的之一在于提供一种井下单总线通讯系统测试平台，本发明另一目的在于提供一种井下单总线通讯系统测试方法。
4.为了实现上述目的，本发明一方面之一提供了一种井下单总线通讯系统测试平台，所述测试平台包括直流稳压电源、阻波器、载波发送模块、计算机、载波接收模块和至少两个负载网络，其中，所述直流稳压电源被配置为模拟单总线系统的直流电平；所述载波发送模块被配置为产生载波信号并将信号耦合到电源线上；所述载波接收模块被配置为拾取总线上的信号、处理以及解码还原出原始信息；所述负载网络被配置为模拟单总线通讯系统中的不同负载应用场景；所述计算机被配置为向单总线系统发送数据或从单总线系统接收解码后数据显示。
5.为了实现上述目的，本发明一方面之二提供了一种井下单总线通讯系统测试平台，所述测试平台包括直流稳压电源、阻波器、载波发送模块、计算机、载波接收模块、阻波器和阻性负载，其中，所述直流稳压电源被配置为模拟单总线系统的直流电平；所述载波发送模块被配置为产生载波信号并将信号耦合到电源线上；所述载波接收模块被配置为拾取总线上的信号、处理以及解码还原出原始信息；所述计算机被配置为向单总线系统发送数据或从单总线系统接收解码后数据显示；所述阻波器被配置为变换与阻性负载之间的阻抗关系；所述阻性负载被配置为模拟单总线的纯阻性工作情况。
6.为了实现上述目的，本发明一方面之三提供了一种井下单总线通讯系统测试平台，所述测试平台包括直流稳压电源、阻波器、载波发送模块、计算机、载波接收模块、阻波器和容性负载，其中，所述直流稳压电源被配置为模拟单总线系统的直流电平；所述载波发送模块被配置为产生载波信号并将信号耦合到电源线上；所述载波接收模块被配置为拾取
总线上的信号、处理以及解码还原出原始信息；所述计算机被配置为向单总线系统发送数据或从单总线系统接收解码后数据显示；所述阻波器被配置为变换与阻性负载之间的阻抗关系；所述容性负载被配置为模拟单总线的纯容性工作情况。
7.在本发明一方面的一个示例性实施例中，所述测试平台还可包括干扰信号产生装置，所述干扰信号产生装置被配置为模拟实际使用环境下的信号干扰。
8.在本发明一方面的一个示例性实施例中，所述直流稳压电源可为220v或任意井下单总线通讯系统使用到的电压值。
9.在本发明一方面的一个示例性实施例中，所述负载网络可包括阻波器和负载，所述负载为容性负载和/或阻性负载。
10.本发明另一方面提供了一种井下单总线通讯系统测试方法，所述测试方法包括步骤：
11.针对所要开发的单总线通讯系统工作模型，搭建相应的测试平台；
12.进行测试，重点测试阻性负载、容性负载和外部干扰输入对单总线通信的影响，验证单总线电路的主要功能和主要性能参数情况。
13.在本发明另一方面的一个示例性实施例中，所述测试方法还可包括在进行阻性负载测试或容性负载测试过程中对重要影响因素进行调整，确定合适的单总线通讯系统匹配参数，所述重要影响因素包括阻波器参数、单总线信号载波频率和单总线载波信号波形。
14.在本发明另一方面的一个示例性实施例中，所述主要功能包括但不限于：发送功能，接收功能，串口通讯功能，发送使能及禁止功能。
15.在本发明另一方面的一个示例性实施例中，所述主要性能参数包括但不限于：通讯速率，载波频率，单总线误码率，发送信号幅值，负载阻抗，阻波电路参数，单总线直流电压范围，最大稳定通讯挂接节点数，最大稳定通讯传输距离。
16.与现有技术相比，本发明的有益效果包括：
17.本发明的井下单总线通讯系统测试平台能够在不依赖于实际系统和真实工作情况的条件下进行单总线通讯相关功能及性能验证和优化，成本低、方便有效。
附图说明
18.通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和/或特点将会变得更加清楚，其中：
19.图1示出了本发明一个示例性实施例的阻性负载情况下单总线通讯功能测试模型；
20.图2为未加负载情况下通讯总线信号波形；
21.图3为负载网络为5ω电阻加1000μh隔离电感时总线波形；
22.图4为负载网络为5ω电阻加100μh隔离电感时总线波形；
23.图5示出了本发明一个示例性实施例的容性负载情况下单总线通讯功能测试模型；
24.图6为负载网络为470μf电容加1000μh隔离电感时总线波形；
25.图7为负载网络为470μf电容加100μh隔离电感时总线波形；
26.图8示出了本发明一个示例性实施例的单总线通讯抗干扰性能测试模型；
27.图9为干扰信号为50khz时总线波形；
28.图10为干扰信号为100khz时总线波形。
具体实施方式
29.在下文中，将结合示例性实施例来详细说明本发明的一种井下单总线通讯系统测试平台和方法。
30.需要说明的是，“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等仅仅是为了方便描述和便于区分，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
31.在本发明的第一示例性实施例中，井下单总线通讯系统测试平台包括直流稳压电源、阻波器、载波发送模块、计算机、载波接收模块和至少两个负载网络。
32.其中，所述直流稳压电源被配置为模拟单总线系统的直流电平。
33.载波发送模块被配置为产生载波信号并将信号耦合到电源线上。
34.载波接收模块被配置为拾取总线上的信号、处理以及解码还原出原始信息。
35.负载网络被配置为模拟单总线工作系统中的不同负载应用场景。这里，不同负载应用场景包括纯阻性负载情况、纯容性负载情况以及阻性负载和容性负载同时存在的情况。
36.计算机被配置为向单总线系统发送数据或从单总线系统接收解码后数据显示。
37.在本示例性实施例中，所述测试平台还可包括干扰信号产生装置，所述干扰信号产生装置被配置为模拟实际使用环境下的信号干扰(如旋转变压器工作频率、电机驱动pwm频率等)。
38.在本示例性实施例中，所述直流稳压电源可为220v或任意井下单总线通讯系统使用到的电压值。这里，220v只是一种总线电源电压实例，进行模拟试验时，此电压可根据需要调整为任意电压值，例如，360v。
39.在本示例性实施例中，所述负载网络可包括阻波器和负载，所述负载为容性负载和/或阻性负载。
40.在本发明的第二示例性实施例中，井下单总线通讯系统测试平台包括直流稳压电源、阻波器、载波发送模块、计算机、载波接收模块、阻波器和阻性负载。
41.其中，直流稳压电源被配置为模拟单总线系统的直流电平。
42.载波发送模块被配置为产生载波信号并将信号耦合到电源线上。
43.载波接收模块被配置为拾取总线上的信号、处理以及解码还原出原始信息。
44.计算机被配置为向单总线系统发送数据或从单总线系统接收解码后数据显示。
45.阻波器被配置为变换与阻性负载之间的阻抗关系。
46.阻性负载被配置为模拟单总线的纯阻性工作情况，例如，在单总线上某一结点为一个电阻式发热装置。
47.在本示例性实施例中，所述测试平台还可包括干扰信号产生装置，所述干扰信号产生装置被配置为模拟实际使用环境下的信号干扰(如旋转变压器工作频率、电机驱动pwm频率等)。在复杂工作状态下，同时存在阻性负载和外部干扰信号影响等多因素状态。
48.在本示例性实施例中，所述直流稳压电源可为220v或任意井下单总线通讯系统使用到的电压值。这里，220v只是一种总线电源电压实例，进行模拟试验时，此电压可根据需
要调整为任意电压值，例如，360v。
49.在本发明的第三示例性实施例中，井下单总线通讯系统测试平台包括直流稳压电源、阻波器、载波发送模块、计算机、载波接收模块、阻波器和容性负载。
50.其中，直流稳压电源被配置为模拟单总线系统的直流电平。
51.载波发送模块被配置为产生载波信号并将信号耦合到电源线上。
52.载波接收模块被配置为拾取总线上的信号、处理以及解码还原出原始信息。
53.计算机被配置为向单总线系统发送数据或从单总线系统接收解码后数据显示。
54.阻波器被配置为变换与阻性负载之间的阻抗关系。
55.容性负载被配置为模拟单总线的纯容性工作情况，如单总线上某一结点为一个电容式充电装置。
56.在本示例性实施例中，所述测试平台还可包括干扰信号产生装置，所述干扰信号产生装置被配置为模拟实际使用环境下的信号干扰(如旋转变压器工作频率、电机驱动pwm频率等)。在复杂工作状态下，同时存在阻性负载和外部干扰信号影响等多因素状态。
57.在本示例性实施例中，所述直流稳压电源可为220v或任意井下单总线通讯系统使用到的电压值。这里，220v只是一种总线电源电压实例，进行模拟试验时，此电压可根据需要调整为任意电压值，例如，360v。
58.在本发明的第四示例性实施例中，井下单总线通讯系统测试方法，所述测试方法包括步骤：
59.针对所要开发的单总线通讯系统工作模型，搭建相应的测试平台；
60.进行测试，重点测试阻性负载、容性负载和外部干扰输入对单总线通信的影响，验证单总线电路的主要功能和主要性能参数情况。
61.在本示例性实施例中，所述测试方法还可包括在进行阻性负载测试或容性负载测试过程中对重要影响因素进行调整，确定合适的单总线通讯系统匹配参数，所述重要影响因素包括阻波器参数、单总线信号载波频率和单总线载波信号波形。
62.在本示例性实施例中，所述主要功能包括但不限于：发送功能，接收功能，串口通讯功能，发送使能及禁止功能。
63.在本示例性实施例中，所述主要性能参数包括但不限于：通讯速率，载波频率，单总线误码率，发送信号幅值，负载阻抗，阻波电路参数，单总线直流电压范围，最大稳定通讯挂接节点数，最大稳定通讯传输距离。
64.下面结合具体示例对本发明的上述示例性实施例做进一步的说明和阐述。
65.示例1
66.图1为本发明的阻性负载情况下单总线通讯功能测试模型。该测试模型由直流稳压电源、阻波器、载波发送模块、计算机、载波接收模块和阻性负载组成。该测试模型重点在于测试阻性负载对单总线通讯的影响，在测试过程中可对重要影响因素如阻波器参数等进行调整，从而确定合适的单总线系统匹配参数。图2为未加负载情况下通讯总线信号波形；图3为负载网络为5ω电阻加1000μh隔离电感时总线波形；图4为负载网络为5ω电阻加100μh隔离电感时总线波形。
67.本示例中，试验内容可安排如下：
68.(1)单总线不接入直流电源时，此时无隔离电感、无负载电阻。
69.(2)接入直流电源，直流电源隔离电感为1000uh，负载电阻为10ω，负载电阻隔离电感为1000uh。
70.(3)接入直流电源，直流电源隔离电感为470uh，负载电阻为10ω，负载电阻隔离电感为470uh。
71.(4)接入直流电源，直流电源隔离电感为100uh，负载电阻为10ω，负载电阻隔离电感为100uh。
72.(5)接入直流电源，直流电源隔离电感为1000uh，负载电阻为5ω，负载电阻隔离电感为1000uh。
73.(6)接入直流电源，直流电源隔离电感为470uh，负载电阻为5ω，负载电阻隔离电感为470uh。
74.(7)接入直流电源，直流电源隔离电感为100uh，负载电阻为5ω，负载电阻隔离电感为100uh。
75.(8)接入直流电源，直流电源隔离电感为1000uh，负载电阻为3ω，负载电阻隔离电感为1000uh。
76.(9)接入直流电源，直流电源隔离电感为470uh，负载电阻为3ω，负载电阻隔离电感为470uh。
77.(10)接入直流电源，直流电源隔离电感为100uh，负载电阻为3ω，负载电阻隔离电感为100uh。
78.图2为未加负载情况下通讯总线信号波形；图3为负载网络为5ω电阻加1000μh隔离电感时总线波形；图4为负载网络为5ω电阻加100μh隔离电感时总线波形。通过对比不同负载网络电阻和隔离电感情况下总线波形，可对总线电阻特性进行优化设计。
79.示例2
80.容性负载情况下单总线通讯功能测试模型如图5所示。该测试模型由直流稳压电源、阻波器、载波发送模块、计算机、载波接收模块和容性负载组成。
81.本示例中，试验内容可安排如下：
82.(1)20个点，每个点1000uh电感串470uf电容接地。(等效负载阻抗6ω)。
83.(2)20个点，每个点1000uh电感串100uf电容接地。
84.(3)20个点，每个点1000uh电感串47uf电容接地。
85.(4)20个点，每个点680uh电感串470uf电容接地(等效负载阻抗4ω)。
86.(5)20个点，每个点680uh电感串100uf电容接地。
87.(6)20个点，每个点680uh电感串47uf电容接地。
88.(7)20个点，每个点470uh电感串470uf电容接地(等效负载阻抗2.8ω)。
89.(8)20个点，每个点470uh电感串100uf电容接地。
90.(9)20个点，每个点470uh电感串47uf电容接地。
91.(10)20个点，每个点100uh电感串470uf电容接地(等效负载阻抗0.6ω)。
92.(11)20个点，每个点100uh电感串100uf电容接地。
93.(12)20个点，每个点100uh电感串47uf电容接地。
94.图6为负载网络为470μf电容加1000μh隔离电感时总线波形；图7负载网络为470μf电容加100μh隔离电感时总线波形。通过对比不同负载网络电容和隔离电感情况下总线波
形，可对总线电容特性进行优化设计。
95.示例3
96.单总线通讯抗干扰性能测试模型如图8所示。该测试模型由直流稳压电源、阻波器、载波发送模块、计算机、载波接收模块、干扰信号产生装置和负载网络组成。每一个节点的负载网络均由阻波器和负载组成。
97.本示例中，试验内容可安排如下：
98.(1)干扰信号频率10hz、100hz、1khz、50khz、100khz(形式为方波)，400khz及2mhz(形式为正弦波)，幅值1v，耦合电容为1uf。
99.(2)干扰信号频率10hz、100hz、1khz、50khz、100khz(形式为方波)，400khz及2mhz(形式为正弦波)，幅值0.5v，耦合电容为1uf。
100.(3)干扰信号频率10hz、100hz、1khz、50khz、100khz(形式为方波)，400khz及2mhz(形式为正弦波)，幅值0.1v，耦合电容为1uf。
101.图9为干扰信号为50khz时总线波形；图10为干扰信号为100khz时总线波形。通过对比不同频率干扰信号情况下总线波形，可分析系统干扰源影响，并可对采取措施进行验证。
102.综上所述，本发明的优点可包括以下内容：
103.本发明针对所要开发的单总线通讯系统工作模型，搭建测试平台。测试平台根据单总线技术研发和应用特点可包括但不限于：直流稳压电源、阻波器、载波发送模块、计算机、载波接收模块、干扰信号产生装置和各节点负载。直流稳压电源用于模拟单总线系统直流电平，阻波器用于变换与节点负载之间的阻抗关系，载波发送模块用于产生载波信号并将信号耦合到电源线上，载波接收模块用于拾取总线上的信号、处理以及解码还原出原始信息，计算机用于向单总线系统发送数据或从单总线系统接收解码后数据显示，干扰信号产生装置由于模拟实际使用环境下的信号干扰(如旋转变压器工作频率、电机驱动pwm频率等)，各节点负载(如容性负载、阻性负载等)。能够在不依赖于实际系统和真实工作情况的条件下进行单总线通讯相关功能及性能验证和优化，成本低、方便有效。
104.尽管上面已经通过结合示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应该清楚，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可对本发明的示例性实施例进行各种修改和改变。