专利名称：具备双向数据通信功能的脉冲编解码通信接口系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及石油测井领域中，使用测井电缆的测井系统，特别是涉及一种对井下仪测量的数字化地层信息实现通信传输的系统。
背景技术：
测井信息的数字化技术最初是从国外发展起来的，比较普遍采用的传输方式是通过PCM3506数字传输接口进行数据传输。这种传输接口采用脉冲编码调制方式对测井信息进行数字化编码调制，然后通过声波逻辑触发后，将测井数据传输到地面系统。但是，PCM3506数字传输接口存在如下不足之处1)传输信息数量有限。PCM3506直接采集各种下井仪的测量信号，由于受采集通道数量的限制，最多只能采集16个通道的数据。因此，不能实现一次下井获取全部信息，影响测井效率。
2)智能化程度低。PCM3506只能向地面传输数据，只实现了数据的单向传输，不能接收地面系统的指令。有些操作(比如测井前的刻度、电极的推靠、井径测量臂的张开和收拢等)还需要地面系统通过缆芯给井下仪单独供不同的电压来实现，既增加了操作的复杂性，又增加了地面设备的复杂性。
3)接口电路复杂。PCM3506接口电路在设计上没有采用单片机，是通过模拟和数字逻辑电路实现的，集成度差，不生产便于生产和调试。
由于受到测井电缆缆芯数量的限制，以及长电缆对信号的衰减，测井信号的传输正在向数字化方向发展，既实现了组合测井，又保证了测井信息的真实性。
实用新型内容本实用新型为了解决上述现有技术所存在的缺陷，而提出了一种具备双向数据通信功能脉冲编解码通信接口系统，利用智能化的脉冲编码和解码接口电路，实现数据双向通信。
一种具备双向数据通信功能的脉冲编解码通信接口系统，包括地面测井系统和井下测井仪组合串，其特征在于，该地面测井系统包括地面系统主机通信接口电路、地面单片机编解码电路、地面编码信号驱动电路以及地面接收信号整形电路；该井下测井仪组合串包括与地面测井系统相对应的井下编码信号驱动电路、井下接收信号整形电路、单片机编解码电路、数据采集接口电路、多个测井仪；其中地面测井系统通过地面单片机编解码接口电路，以及地面编码信号驱动电路向井下发送读取数据命令，数据命令通过测井电缆传送给井下测井仪，井下單片机编解码电路通过数据采集接口电路采集各井下仪的测井信息，经编码调制后传送给地面系统；井下测井仪与地面测井系统之间通过测井电缆连接，用于实现数据通信；井下接收信号整形电路将接收到的双极性归零信号转换为TTL兼容的NRZ信号传送到井下单片机编解码电路，井下单片机编解码电路接收到该信号后进行解码处理，再通过井下编码信号驱动电路，还原成双极性归零信号，该信号通过测井电缆传回地面接收信号整形电路；地面接收信号整形电路将接收到的双极性归零信号转换为TTL兼容的NRZ信号，作为从井下传回地面系统主机通信接口电路的指令。
与现有技术相比，本发明为了提高PCM3506数字传输接口的性能，由于采用了单片机，简化了编码和解码电路，而且可以设置通信速率，更好地适应电缆地特性。其有益效果包括1)提高了石油测井的智能化程度。由于实现了双向通信，使得地面系统可随时向井下仪发送控制指令；2)提高了石油测井的可靠性。编解码接口采用了单片机，能够实现通信数据的校验运算，降低了误码率，使测量数据更真实的反映出地层信息。采用单片机后，简化了硬件电路的设计，提高了集成度，降低了故障率；3)提高了测井效率。应用了该实用新型后，实现了组合测井，一次下井可测量所有井下仪的数据，而且简化了测井操作。
图1是本实用新型的原理框图。
图2所示为本实用新型的一个脉冲编码波形的示意图。
图3是本实用新型的井下测井仪的电路原理图。
图4是本实用新型的地面测井系统的电路原理图。
具体实施方式
如图1所示，为本实用新型应用于石油测井系统的原理框图。井上部分为地面测井系统A，包括地面系统主机通信接口电路10；地面单片机编解码电路20A；地面编码信号驱动电路30A以及地面接收信号整形电路40A；井下部分为井下测井仪组合串B，该部分与井上部分的地面测井系统A之间，通过测井电缆C实现数据通信，包括与地面测井系统A相对应的地面编码信号驱动电路30A、地面接收信号整形电路40A、单片机编解码电路20A，RS485总线接口电路50，以及多个测井仪，1号测井仪60......直至N号测井仪70。地面测井系统A通过单片机编解码接口电路20A，以及编码信号驱动电路30A向井下发送读取数据命令，数据命令通过测井电缆C传送给井下测井仪(或井下测井仪组合串)，井下接收信号整形电路30B将接收到的双极性归零信号转换为TTL兼容的NRZ信号传送到井下单片机编解码电路20B，井下单片机编解码电路20B接收到该信号后进行解码处理，再通过井下编码信号驱动电路30B，还原成双极性归零信号，该信号通过测井电缆C传回井上，同样，地面接收信号整形电路30A将接收到的双极性归零信号转换为TTL兼容的NRZ信号，作为从井下传回地面系统主机通信接口电路的指令。在数据通讯此过程中，如果是地面主机发送给其他井下仪的指令，则单片机通过RS485总线接口将指令发送给对应井下仪。井下编解码单片机接收到的是地面系统发送给其他井下仪的指令，则通过RS485总线接口转发给相应的井下仪。
单片机编解码电路中，编码方式采用双极性归零制编码方式，这样可以消除电缆分布电容的影响。下发命令和上行数据的编码方式相同。如图2所示为本实用新型的一个脉冲编码波形的示意图。图中的PCM编码波形对应的二进制数为11101100111110010011101110。从图中可以看出，二进制的数字“0”编码后的信号为0，占1个时钟周期；二进制的数字“1”编码后的信号由两部分组成，各占半个时钟周期，前半个周期为“正电平信号”或“负电平信号”，后半个周期为“0电平信号”。相邻两个二进制数字“1”编码后的电平信号为反极性的，因此定义为“双极性归零制编码方式”。为了解码时的同步，编码发送的第一个数字位必须是二进制逻辑“1”。解码方式为接收的PCM信号先经过整形电路，转换为TTL信号后，再经单片机进行解码。
由于接收和发送双方是异步的，必须通过锁相操作来实现接收和发送的同步，为此，采用单片机实现了数字锁相器的功能每接收到一个逻辑“1”，强制接收方和发送方同步。
井下测井仪组合串7的数据采集接口，采用RS485接口总线将所有井下仪连接在一起，编解码电路的单片机通过RS485总线采集各井下仪的测井信息，经编码调制后传送给地面系统。
测井电缆作为本实用新型中的地面与井下之间的数据通信线，占用2根缆芯，通常是缆芯2和缆芯5。
数据通信流程如下第一步，主机命令下发；地面系统主机通过通信接口(比如RS485通信总线接口)发送井下仪指令，地面编解码单片机接收到后，对指令进行编码处理，再经编码信号驱动电路转化为双极性归零信号，通过测井电缆传送给井下设备。井下接收信号整形电路将接收到的双极性归零信号转换为TTL兼容的NRZ信号，单片机接收到该信号后进行解码处理，还原成地面主机的指令，如果是地面主机发送给其他井下仪的指令，则单片机通过RS485总线接口将指令发送给对应井下仪。井下编解码单片机接收到的是地面系统发送给其他井下仪的指令，则通过RS485总线接口转发给相应的井下仪。第二步，数据上传；数据上传和主机命令下发过程类似，不同的是数据的传输方向和内容。上传的数据是由编解码通信接口电路的单片机通过RS485通信总线接口从各井下仪获取的。
下面通过附图，来进一步说明本实用新型的具体电路实线原理。如图3所示，本实用新型的井下测井仪组合串单片机编解码接口电路20B的原理图。电路功能及其实现的方法如下(1)解码功能地面主机的命令经电缆缆芯2、5到达信号耦合变压器T1；由二极管D2、D4和电阻R9、R10、R13构成的电路用于剔除接收到的干扰信号；由运算放大器U6、U7及其外围元件构成的电路具有放大和检波功能，对接收信号进行放大和检波处理，转换成NRZ信号，然后送给反相器U5，将接收信号转换为TTL标准的NRZ信号。整形后的接收信号直接送给单片机U2，单片机U2通过内部的定时器产生接收时钟，每个时钟接收一个数据位；同时，U2的输入引脚5具有电平下跳中断功能，每中断一次，可调整一次接收时钟的时间值，从而实现了数字锁相功能。U2对接收的数据包进行校验运算，对校验正确的数据包进行解释，如果是地面系统发送给其他井下仪的指令，U2会通过RS485总线接口芯片U1将指令发送给相应的井下仪；如果是读取测井数据命令，则U2将测井数据发送给地面系统。
(2)获取测井数据测井数据是U2通过RS485总线接口芯片U1从各井下仪获取的。
(3)编码功能编码功能是由单片机U2实现的。U2内部集成了定时器和定时比较器，定时器和比较器时间匹配后可触发引脚翻转，从而产生编码时钟，编码时钟是从第17引脚输出的。为了产生双极性归零信号，U2从11和18两个引脚输出数据，当引脚11为逻辑“1”、引脚18为逻辑“0”时，可产生正极性信号；反之产生负极性信号；当两个引脚输出逻辑电平相同时，产生0信号。在编码时钟的下降沿，单片机U2将数据送出，在编码时钟的上升沿，数据被输出到锁存器U3的输出端，如此可以保证送到编码信号驱动电路的两个信号是同步的。
(4)编码信号驱动由运算放大器U4、三极管Q1和Q2、以及外围元件构成了编码信号驱动电路，用于驱动信号耦合变压器T1，以便将编码信号传送到地面系统。由于接收和发送共用了同一个信号耦合变压器T1，为了消除发送驱动电路对接收信号的影响，在发送回路里串入了两个2伏稳压管Z1和Z2，以保证接收到的信号幅度不低于2伏。
图4是本实用新型的地面系统“编解码接口电路”的原理图。其电路功能和井下测井仪组合串的完全相同，因此不再重复描述。
权利要求1.一种具备双向数据通信功能的脉冲编解码通信接口系统，包括地面测井系统和井下测井仪组合串，其特征在于，该地面测井系统包括地面系统主机通信接口电路、地面单片机编解码电路、地面编码信号驱动电路以及地面接收信号整形电路；该井下测井仪组合串包括与地面测井系统相对应的井下编码信号驱动电路、井下接收信号整形电路、单片机编解码电路、数据采集接口电路、多个测井仪；地面测井系统通过地面单片机编解码接口电路，以及地面编码信号驱动电路向井下发送读取数据命令，数据命令通过测井电缆传送给井下测井仪，井下单片机编解码电路通过数据采集接口电路采集各井下仪的测井信息，经编码调制后传送给地面系统；井下测井仪与地面测井系统之间通过测井电缆连接，用于实现数据通信；井下接收信号整形电路将接收到的双极性归零信号转换为TTL兼容的NRZ信号传送到井下单片机编解码电路，井下单片机编解码电路接收到该信号后进行解码处理，再通过井下编码信号驱动电路，还原成双极性归零信号，该信号通过测井电缆传回地面接收信号整形电路；地面接收信号整形电路将接收到的双极性归零信号转换为TTL兼容的NRZ信号，作为从井下传回地面系统主机通信接口电路的指令。
2.如权利要求1所述的具备双向数据通信功能的脉冲编解码通信接口系统，其特征在于，在单片机编解码电路中，在下发命令和上行数据过程中采用极性归零制编码方式。
3.如权利要求1所述的具备双向数据通信功能的脉冲编解码通信接口系统，其特征在于，在单片机编解码电路中，所接收的PCM信号先经过整形电路，转换为TTL信号后，再经单片机进行解码。
4.如权利要求1所述的具备双向数据通信功能的脉冲编解码通信接口系统，其特征在于，井下测井仪组合串中的数据采集接口电路，采用RS485接口总线，将所有井下仪连接在一起。
5.如权利要求1所述的具备双向数据通信功能的脉冲编解码通信接口系统，其特征在于，测井电缆采用2根缆芯。
专利摘要一种具备双向数据通信功能的脉冲编解码通信接口系统，包括地面测井系统和井下测井仪组合串，其特征在于，该地面测井系统包括地面系统主机通信接口电路、地面单片机编解码电路、地面编码信号驱动电路以及地面接收信号整形电路；该井下测井仪组合串包括与地面测井系统相对应的井下编码信号驱动电路、井下接收信号整形电路、单片机编解码电路、数据采集接口电路、多个测井仪。与现有技术相比，本实用新型所产生的有益效果是提高了石油测井的智能化程度和可靠性；降低了故障率；以及简化测井操作，提高了测井效率。
文档编号G08C19/00GK2924672SQ20062002642
公开日2007年7月18日 申请日期2006年6月14日 优先权日2006年6月14日
发明者李成军 申请人:天津市泰华科技有限公司