本發(fā)明屬于井下無線通信技術信領域的具體應用，尤其涉及一種next系列產品msp430遠距離通信系統(tǒng)。

背景技術：

對于國家來說，居民的衣食住行、工業(yè)發(fā)展、農業(yè)發(fā)展、國防建設、經濟調控，無一都離不開石油。獲得豐富的石油是一個國家繁榮昌盛的重要資本，然而，石油是一種需求巨大的不可再生資源，如何在現有的油井資源條件下，改善采油效率，獲取更多的石油資源，是國家能源建設的重要研究課題。

井下通信是油田測量領域的重要技術。井下通信技術能將油井下溫度、壓力、流量參數實時上傳到井上，同時也可以將地面的控制信息發(fā)送到井下。應用井下通信系統(tǒng)，油田工作者可以實時掌握井下的工況，制定合理的采油方案以提高油田的生產效率；可以地面遠程控制井下設備，有利于油田智能化建設。隨著國家石油大量開采，油井的深度也在不斷的增加，遠距離井下通信技術迫切需要發(fā)展。遠距離井下通信技術有助于勘探開發(fā)石油資源，探明石油油質，測試油井生產狀態(tài)。研究遠距離井下通信有助于提高油田采油效率和加速油田智能化建設。

自20世紀初以來，油田工作者一直在追尋一種可靠、穩(wěn)定、高效的井下通信手段。然而，由于井下高溫高壓的工作環(huán)境以及其他不確定因素的干擾，井下通信技術的發(fā)展極為緩慢，在過去幾十年里，隨著通信技術的日益進步以及傳感器技術突飛猛進的發(fā)展，井下通信領域獲得了新的活力。井下通信的通信方式包括有線通信、泥漿壓力脈沖通信、電磁波通信、聲波通信。2002年大慶油田進行了深井聲波傳輸實驗，然而并沒有成功接收到信息。2007年，美國圣地亞哥實驗室優(yōu)化了聲波通信方式，提高了通信速率，然而使用條件十分有限，僅能應用在空氣鉆井和欠平衡井。

井下通信系統(tǒng)分為地上電路和井下電路兩部分，地上電路的供電可以直接使用地面的電源；井下電路的供電只能采用電池的供電方法。井下空間狹小，電池體積非常有限，因此電池電量也比較少。實際采油工作中，設備由井口下放至井下深處，如無特殊情況，將一直工作至供電電池能量消耗殆盡。為了避免因為需要更換電池而造成油井停工的損失，井下電路最好能夠常年穩(wěn)定地工作。在實現基本通信功能的條件下，只有盡可能降低電路的功耗，才有可能滿足實際井下工作需求。因此，設計過程中需要優(yōu)化硬件設計，減少電路的工作功耗和靜態(tài)功耗，并且制定合理的電源管理方案，進一步減少電量的損耗。

井口處溫度可達50℃，井下溫度高達至125℃。系統(tǒng)的溫度對電路有較大影響，為了使研制設備可以正常工作，需要在電路設計、器件選擇耐高溫器件。井下空間十分有限，有限空間將給發(fā)射、接收電路的設計提出更為嚴格的要求。比如，水聲傳輸方案發(fā)射換能器的設計就受井口直徑的限制，為了能達到應有的功率和性能，只能考慮發(fā)射截面積不變，盡量增大換能器縱向長度，這造成低頻下發(fā)射換能器可能過長。同樣，接收端電路板設計只有元器件及布線更為緊密，通過增多層數達到設計要求。

我國在遠距離井下通信領域的技術比較的落后，部分油井采用的通信方式仍然是傳統(tǒng)的有線傳輸方式。有線傳輸方式需要鋪設很長的線纜，通信系統(tǒng)的建立成本巨大，設備維護困難。另外，井下高溫高壓的惡劣環(huán)境，常常造成線纜損壞，導致通信中斷。為滿足目前采油工業(yè)低成本、穩(wěn)定運營的需求，本發(fā)明應用壓力脈沖和水聲兩種無線通信技術設計遠距離井下通信系統(tǒng)。本發(fā)明具有結構簡單，價格低廉，系統(tǒng)功耗低，性能穩(wěn)定的特點。

技術實現要素：

為了進一步解決傳統(tǒng)井下通信系統(tǒng)存在的弊端。本發(fā)明的目的在于提供一種next系列產品msp430遠距離通信系統(tǒng)，該發(fā)明具有結構簡單，價格低廉，系統(tǒng)功耗低，性能穩(wěn)定的特點。

為了實現上述系統(tǒng)，本發(fā)明采取的技術方案是：

一種next系列產品msp430遠距離通信系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)由壓力脈沖通信系統(tǒng)、水聲信號通信系統(tǒng)、上位機、井下電源組成，其中壓力脈沖通信系統(tǒng)和水聲信號通信系統(tǒng)通過井下總線雙向連接，前者由壓力信號發(fā)射系統(tǒng)和壓力信號接收系統(tǒng)組成，后者由水聲信號發(fā)射系統(tǒng)和水聲信號接收系統(tǒng)組成；壓力脈沖通信系統(tǒng)采用正壓力脈沖的通信方式，通過增減壓力泵的供給壓力，使井筒內壓力發(fā)生變化，壓力泵通過人工操作增減壓力來生成壓力脈沖信號從而產生壓力脈沖，位于井下的壓力接收板接收、解調壓力脈沖信號并根據實際情況開啟和關閉其他電路板，在水聲信號通信系統(tǒng)中，上位機將信息發(fā)送給水聲數字板，水聲數字板將信息按照一定規(guī)則調制，調制信號經由dac模塊轉化為模擬信號，模擬信號由功率放大器進行放大后送入水聲換能器，水聲換能器安裝在油管的內部，且與油管內的液體充分接觸，水聲換能器可以將信號發(fā)送到信道中去，在井筒內的水聲信號被接收換能器接收，轉化為電信號，電信號經過濾波，放大，最后在井下的水聲數字板中解調，從而得到地面發(fā)送的信息。

在該msp430遠距離通信系統(tǒng)中，壓力脈沖通信系統(tǒng)采用正壓力脈沖的通信方式，通過增減壓力泵的供給壓力，使井筒內壓力發(fā)生變化，壓力泵通過人工操作增減壓力來生成壓力脈沖信號從而產生壓力脈沖。水聲數字板將信息按照一定規(guī)則調制，調制信號經由dac模塊轉化為模擬信號，模擬信號由功率放大器進行放大后送入水聲換能器，在井筒內的水聲信號被接收換能器（水聽器）接收，轉化為電信號；電信號經過濾波，放大，最后在井下的水聲數字板中解調，從而得到地面發(fā)送的信息。

在該msp430遠距離通信系統(tǒng)中，壓力脈沖通信系統(tǒng)由壓力信號發(fā)射系統(tǒng)和壓力信號接收系統(tǒng)組成，包括壓力泵和井下的壓力接收板，壓力脈沖通信系統(tǒng)采用正壓力脈沖的通信方式，通過增減壓力泵的供給壓力，壓力信號接收系統(tǒng)包括壓力傳感器，放大電路，喚醒電路，接收板處理器以及用于通信、供電的總線接口；所述壓力傳感器選用龍翔天力公司的ltp-j12a型薄膜壓力變送器，量程范圍0-100mpa，響應時間≤1毫秒，輸出阻抗1500±50ω；所述放大電路芯片選擇儀表放大器ad8227，ad8227是一款耐高溫、低功耗的芯片，增益調節(jié)范圍5~1000，電壓范圍可達2.2v到36v，靜態(tài)電流350ua，工作帶寬為250khz；所述接收板處理器選用msp430g2332型芯片，電流230ua，內置10位adc以及多個支持adc的i/o引腳，串口通信模式包括i²c，uart，spi；所述壓力接收板總線接口引腳用于壓力接收板與水聲數字板之間的通信，水聲數字板的電源使能端通信以及電池組連接，其通信協(xié)議為i²c。

在該msp430遠距離通信系統(tǒng)中，所述水聲信號發(fā)射系統(tǒng)包括：水聲信號數字板，數模轉換器，功率放大器和水聲換能器；所述水聲信號數字板采用tms320c28346型耐高溫數字信號處理芯片，兼容了水聲信號發(fā)生器和水聲信號解調的電路板的功能，該芯片主頻300mhz，ram大小256k，具備2個spi模塊、3個uart模塊，內部集成i²c總線，工作溫度在-40℃至125℃之間；所述數模轉換器選擇ad5453型數字模擬變換器，正常工作電壓2.5v至5.5v之間，具有spi，microwire數字信號處理芯片的接口，信號頻率高達50mhz，并具有10mhz的帶寬，為了減小數模轉換器的輸出阻抗，從ad5453輸出的模擬信號需要經過一個電壓穩(wěn)壓器之后，再送入功率放大器板；所述信號首先經過功率放大器的第一級同向/反向放大器做了一定倍數的平衡放大，兩者輸出幅值相等、相位差180度的放大信號，然后把兩路輸出的信號再進行第二級放大，最后連接至換能器將信號發(fā)射出去，第一級放大電路的芯片采用ad8031，該芯片的工作帶寬較寬，半功率點在80mhz，在5v電源的供電條件下，功耗不超過5mw，第二級放大電路芯片選用mp118，最高可以輸出的信號強度可達100w；所述水聲換能器抗壓力70~80mpa，頻率10khz，接收靈敏度大于-180db，能抵抗5m/s沙粒流沖蝕，考慮到高壓存在可能導致的換能器彈射出井造成的不安全因素，本發(fā)明通過采用發(fā)射換能器側面打孔、螺母固定的方式將換能器倒懸在井口，換能器面朝下與水介質直接接觸，電線可由換能器尾部直接引出，也可從側面留孔處引出，外加保護蓋抗高壓保護，中間截面變化部分使用軟墊避免由于聲波縱向震動引起的傳感器與殼體的碰撞，從而保證信號穩(wěn)定可靠。

在該msp430遠距離通信系統(tǒng)中，所述水聲信號接收系統(tǒng)包括：接收換能器，模擬板，水聲信號數字板；其中水聲換能器、水聲信號數字板如前述；所述模擬板由濾波器，adc模塊，程控增益放大器構成，模擬板功能為調理接收換能器的信號并將調理后的信號轉化為數字信號，最后數字信號由模擬板接口送入dsp模塊；濾波器采用多級結構，前端使用無源濾波器做低通濾波，后端使用有源濾波器做帶通濾波，系統(tǒng)信號的中心頻率在10khz左右，濾波器的通帶在9k~11k之間，而阻帶在25khz左右衰減40db；程控增益放大器的芯片選用lmp8358，放大倍數0到1000倍，支持單電源供電，靜態(tài)電流為1.8ma，工作帶寬8mhz，電信號經由兩個程控放大器后，信號分成兩路，一路直接傳入到adc中采樣得到數字信號，一路經過檢波電路得到波形峰值，dsp會根據峰值調整程控增益放大器的增益；adc模塊芯片選擇ad7476，最大采樣速率1msps，供電電壓為2.7~5.25v，功耗4.5mw，靜態(tài)電流1ua，支持spi通信，可以與dsp進行高速通信。

本發(fā)明的有益效果是：

一種next系列產品msp430遠距離通信系統(tǒng)，其特征在于，系統(tǒng)由壓力脈沖通信系統(tǒng)、水聲信號通信系統(tǒng)、上位機、井下電源組成，其中壓力脈沖通信系統(tǒng)和水聲信號通信系統(tǒng)通過井下總線雙向連接，前者由壓力信號發(fā)射系統(tǒng)和壓力信號接收系統(tǒng)組成，后者由水聲信號發(fā)射系統(tǒng)和水聲信號接收系統(tǒng)組成；在本發(fā)明中，壓力脈沖通信系統(tǒng)采用正壓力脈沖的通信方式，通過增減壓力泵的供給壓力，使井筒內壓力發(fā)生變化，壓力泵通過人工操作增減壓力來生成壓力脈沖信號從而產生壓力脈沖，放大電路芯片選擇儀表放大器ad8227，接收板處理器選用msp430g2332型芯片，通信協(xié)議為i²c。水聲信號數字板采用tms320c28346型耐高溫數字信號處理芯片，數模轉換器選擇ad5453型數字模擬變換器，第一級放大電路的芯片采用ad8031，第二級放大電路芯片選用mp118；本發(fā)明具有結構簡單，價格低廉，實時性強，性能穩(wěn)定的特點，系統(tǒng)功耗低，性能穩(wěn)定的特點。

附圖說明

以下結合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步的解釋說明。

圖1是next系列產品msp430遠距離通信系統(tǒng)總體框架圖；

圖2是壓力接收板系統(tǒng)框圖；

圖3是放大電路原理圖；

圖4是msp430g2332連接圖；

圖5是水聲信號發(fā)射框圖；

圖6是水聲信號數字板結構圖；

圖7是功放電路板系統(tǒng)框圖；

圖8是水聲信號接收系統(tǒng)結構框圖。

具體實施方式

本發(fā)明的具體實施方式為：所述的一種next系列產品msp430遠距離通信系統(tǒng)，壓力脈沖通信系統(tǒng)采用正壓力脈沖的通信方式，通過增減壓力泵的供給壓力，使井筒內壓力發(fā)生變化，壓力泵通過人工操作增減壓力來生成壓力脈沖信號從而產生壓力脈沖，位于井下的壓力接收板接收、解調壓力脈沖信號并根據實際情況開啟和關閉其他電路板，在水聲信號通信系統(tǒng)中，上位機將信息發(fā)送給水聲數字板，水聲數字板將信息按照一定規(guī)則調制，調制信號經由dac模塊轉化為模擬信號，模擬信號由功率放大器進行放大后送入水聲換能器，水聲換能器安裝在油管的內部，且與油管內的液體充分接觸，水聲換能器可以將信號發(fā)送到信道中去，在井筒內的水聲信號被接收換能器接收，轉化為電信號，電信號經過濾波，放大，最后在井下的水聲數字板中解調，從而得到地面發(fā)送的信息。

圖1是next系列產品msp430遠距離通信系統(tǒng)總體框架圖，該系統(tǒng)由壓力脈沖通信系統(tǒng)、水聲信號通信系統(tǒng)、上位機、井下電源組成，其中壓力脈沖通信系統(tǒng)和水聲信號通信系統(tǒng)通過井下總線雙向連接，前者由壓力信號發(fā)射系統(tǒng)和壓力信號接收系統(tǒng)組成，后者由水聲信號發(fā)射系統(tǒng)和水聲信號接收系統(tǒng)組成；上位機與水聲信號通信系統(tǒng)雙向連接，用于系統(tǒng)的控制和交互；井下電源與壓力脈沖通信系統(tǒng)和水聲信號通信系統(tǒng)通過導線連接，用于系統(tǒng)井下的供電；壓力信號發(fā)射系統(tǒng)與壓力信號接收系統(tǒng)分別由壓力泵和壓力接收板構成，之間通過油管連接；水聲信號發(fā)射系統(tǒng)由水聲信號數字板，數模轉換器，功率放大器和水聲換能器組成，水聲信號接收系統(tǒng)由接收換能器，模擬板，水聲信號數字板組成，水聲信號發(fā)射系統(tǒng)和水聲信號接收系統(tǒng)之間通過油管連接。

圖2是壓力接收板系統(tǒng)框圖，壓力接收板是壓力接收系統(tǒng)的核心，壓力接收板的結構包括：壓力傳感器，放大電路，喚醒電路，msp430g2332處理器以及用于通信、供電的總線接口。在本發(fā)明中，壓力傳感器選用龍翔天力公司的ltp-j12a型薄膜壓力變送器，量程范圍0-100mpa，響應時間≤1毫秒，輸出阻抗1500±50ω；在本發(fā)明中，接收板處理器選用msp430g2332型芯片，電流230ua，內置10位adc以及多個支持adc的i/o引腳，串口通信模式包括i²c，uart，spi；在本發(fā)明中，壓力接收板總線接口引腳用于壓力接收板與水聲數字板之間的通信，水聲數字板的電源使能端通信以及電池組連接，其通信協(xié)議為i²c。

圖3是放大電路原理圖，在本發(fā)明中，放大電路芯片選擇儀表放大器ad8227，ad8227是一款耐高溫、低功耗的芯片，增益調節(jié)范圍5~1000，電壓范圍可達2.2v到36v，靜態(tài)電流350ua，工作帶寬為250khz，圖中，2、3腳為放大器輸入端，6腳為放大器輸出端，1、8腳之間的電阻為rg。

圖4是msp430g2332連接圖，處理器是壓力接收板的核心，其功能是壓力信號采集、解碼，系統(tǒng)喚醒。該模塊對處理數據的速度、ram空間要求不高，因此處理器最好選用具有adc模塊、支持i²c通信、低功耗、體積小、工作頻率不高的芯片。msp430g2332有如下特性：在運行模式下，它的電流僅為230ua（1mhz，2.2v供電）；芯片體積較小，封裝尺寸為6.5mm*6.5mm；可以在-40攝氏度到150攝氏度的溫度環(huán)境下工作；內置10位adc，多個支持adc的i/o引腳；4kb的閃存和256字節(jié)的隨機存儲器；串口通信模式包括i²c，uart，spi；具有內置的16位定時器；從待機模式喚醒消耗的時間不到1us；具有5種節(jié)能模式，msp430g2332內部設有10位adc電路，可以片上直接采樣，參考電壓選用芯片內部的1.5v電壓。

圖5是水聲信號發(fā)射框圖，位于地面的水聲信號發(fā)射系統(tǒng)包括水聲信號數字板（dsp），數模轉換器（dac），功率放大器和水聲換能器，系統(tǒng)通過高性能信號處理器dsp解析發(fā)送的信號，對信號進行調制、加同步處理得到將要發(fā)送的數字信號，在通過數字模擬轉換器模塊將數字信號轉化成模擬信號，再經過功率放大器放大功率，最后通過發(fā)射換能器將模擬信號轉化為聲信號發(fā)送出去。

圖6是水聲信號數字板結構圖，水聲信號數字板兼容了水聲信號發(fā)生器和水聲信號解調的電路板的功能。水聲信號數字板的核心是數字信號處理芯片，在搭載dac電路板時，它可以作為水聲信號發(fā)生器；在搭載adc電路板，它可以作為水下信號解調電路板。tms320c28346是一款低功耗、耐高溫的數字信號處理芯片，主頻300mhz；ram大小256k，2個spi模塊，3個uart模塊，內部集成i²c總線；工作溫度在-40℃至125℃之間。本發(fā)明中選用is64wv6416bll作為外接隨機存儲器，數字板通過模擬板接口可以與模擬板dac相連，dsp的數字信號從接口傳輸到dac模塊，本發(fā)明中電源轉換芯片使用高效率的tps62420，本發(fā)明選用三星公司的k9f1g08u0m作為存儲器件。

圖7是功放電路板系統(tǒng)框圖，功率放大器在系統(tǒng)中的位置處于水聲信號發(fā)生器和換能器之間，其功能是對水聲信號發(fā)生器產生的信號進行放大。本發(fā)明中的功率放大器用于將dac輸出的模擬信號放大，增加信號傳播距離。首先信號經過第一級同向/反向放大器做了一定倍數的平衡放大，兩者輸出幅值相等、相位差180度的放大信號；然后把兩路輸出的信號再進行第二級放大，最后連接至換能器將信號發(fā)射出去。第二級放大電路的供電電源需要正負100伏的直流電源，第一級放大電路需要正負5v的直流電源。因此，功率放大版需要設計兩個獨立的供電模塊。交流信號轉化為直流信號過程是變壓、整流、穩(wěn)壓、濾波，為了保護電路，電路中都要串聯保險絲。第一級放大電路的芯片采用ad8031，該芯片的工作帶寬較寬，半功率點在80mhz，在5v電源的供電條件下，功耗不超過5mw，第二級放大電路芯片選用mp118，最高可以輸出的信號強度可達100w

圖8是水聲信號接收系統(tǒng)結構框圖，水聲信號接收系統(tǒng)包括：接收換能器，模擬板，水聲信號數字板（dsp）。其中模擬板由濾波器，adc模塊，程控增益放大器構成；水聲信號經過接收換能器轉化為電信號，電信號經過濾波模塊除去高頻及低頻的噪聲；經過濾波處理的信號在程控增益放大器中放大；adc模塊對放大信號進行采樣，得到數字信號；dsp模塊讀取adc的轉化結果，至此，實現水聲信號的接收。模擬板的功能是調理接收換能器的信號并將調理后的信號轉化為數字信號，最后數字信號由模擬板接口送入dsp模塊。濾波器采用多級結構，前端使用無源濾波器做低通濾波，后端使用有源濾波器做帶通濾波，系統(tǒng)信號的中心頻率在10khz左右，濾波器的通帶在9k~11k之間，而阻帶在25khz左右衰減40db；程控增益放大器的芯片選用lmp8358，放大倍數0到1000倍，支持單電源供電，靜態(tài)電流為1.8ma，工作帶寬8mhz，電信號經由兩個程控放大器后，信號分成兩路，一路直接傳入到adc中采樣得到數字信號，一路經過檢波電路得到波形峰值，dsp會根據峰值調整程控增益放大器的增益；adc模塊芯片選擇ad7476，最大采樣速率1msps，供電電壓為2.7~5.25v，功耗4.5mw，靜態(tài)電流1ua，支持spi通信，可以與dsp進行高速通信。

除了上述以外本發(fā)明所屬技術領域的普通技術人員也都能理解到，在此說明和圖示的具體實施例都可以進一步變動結合。雖然本發(fā)明是就其較佳實施例予以示圖說明的，但是熟悉本技術的人都可理解到，在所述權利要求書中所限定的本發(fā)明的精神和范圍內，還可對本發(fā)明做出多種改動和變動。