井下無線短傳中脈寬調制信號的應用與實現＊

陳 靜 羅春暉 李 蓓

（中國船舶重工集團公司第七二二研究所 武漢 430079）

1 引言

在隨鉆測量和隨鉆測井技術中，靠近鉆頭的位置安裝了很多傳感器，以及時獲取準確的地層信息。傳感器測量數據的傳輸需要采用無線電磁波傳輸技術，傳輸距離一般在數十米的范圍內。這種井下短距離的無線傳輸技術采用在靠近鉆頭的位置安裝發射線圈且在鉆鋌上部安裝接收線圈的方法，從而構成電流場型的無線短傳通道，以傳輸測量數據。

由于隨鉆測量系統普遍采用電池供電，隨著鉆井工程向大深度發展，對電路的功耗提出了更高的要求，因此盡可能地減小功耗是井下短距離傳輸設計時必須重點考慮的一個環節。在設計井下無線短傳的發射電路時，需要在保障發射功率的同時，確保較低的電源功耗。采用脈寬時間調制信號傳輸數據，可以有效地降低發射功耗。

2 發射模塊設計

2.1 發射模塊原理

對于典型系統而言，其功耗大致滿足：P＝C×V2×f。其中C是電容負載，V是電源電壓，f是開關頻率。可以看出工作電壓對系統功耗的影響最大，其次是工作頻率，而電容負載對設計人員來說是不可控的。因此，發射電路的低功耗設計需要選擇適當的工作電壓和頻率。這里電源電壓采用5V，而對于工作頻率，文獻［7］指出，井下短距離無線傳輸信號的最佳中心頻率在11kHz附近，本文采用10kHz。

無線短傳的發射電路由單片機、激勵電路、H橋型功放電路、電子開關及發射線圈等組成。測量數據通過串口輸入到單片機（MCU）中，單片機首先對原始二進制數據進行CRC編碼并打包成幀，再進行脈寬調制后輸出。同時輸出兩路正反相的10kHz方波信號，這兩路信號與脈寬調制信號相與之后用于驅動激勵電路，最后由H橋型功放電路將信號通過發射線圈發射出去。H橋型功放電路采用差動平衡式輸出，可以濾除共模噪聲，并實現較大的輸出功率。

圖1 發射電路原理框圖

激勵信號經Q1、Q2放大、隔離后分別控制4只晶體管。當同相放大器輸出高電平信號時，晶體管Q4、Q5導通，電流由T1到T2流過發射線圈；當反相放大器輸出高電平信號時，晶體管Q3、Q6導通，電流由T2到T1流過發射線圈。發射線圈輸出的峰值電壓可以達到功放電源電壓的兩倍。

圖2 H橋型功放電路

這里需要注意死區時間，即兩路方波信號跳變沿之間應該存在一定的延時（如圖3所示）。否則H橋功放電路可能會同時導通，導致直通大電流的產生，從而產生不必要的功耗或燒毀器件。

假設功放電路的供電電壓5V，發射天線阻抗為50Ω，則功放電路的輸出功率為0.5W。而如果將脈沖寬度調制信號的占空比降低一半，即相對縮短功放電路的導通時間，則功放電路的發射功耗將減少一倍。

圖3 激勵信號跳變沿延時

2.2 發射模塊驅動信號

發射模塊的驅動采用脈寬時間調制信號。脈寬調制信號（PWM）是幅度恒定、占空比變化的一系列電壓脈沖開關信號。這種開關信號只在開關開啟時才進行能量交換，關閉時幾乎不向直流電源索取電流，故其輸出要么接近電源電壓，要么接近于零，從而大大降低了功耗，提高了效率。這里采用的脈寬時間調制信號，用不同的脈寬時間周期來表示傳輸的數據，在一個脈寬時間周期中，高電平的時間長度小于低電平的時間長度，相對于采用高電平脈沖寬度（周期固定）來表示數據的脈寬調制方式，這種調制信號能夠在很大程度上降低功放電路的發射功耗。

原始數據在經過編碼并打包成幀之后，單片機將該幀數據以4bit為一個周期轉換為脈寬時間調制信號（如圖4所示）。該信號分別與正相和反相載波相與之后傳輸給H橋型功率放大電路，然后經H橋型功率放大電路放大后由發射線圈發射出去。每個時間寬度ti中包含4bit數據信息，約定t＝100ms，則100ms≤ti－t≤1600ms，數據傳輸最小速率為2.5bit／s。只要接收模塊能夠識別且符合數據傳輸速率要求，可隨意調整脈寬時間調制信號高低電平的脈寬時間。

圖4 每幀轉換后的脈寬時間調制信號

脈寬時間調制信號采用單片機的定時器模塊產生，對時鐘的準確度有一定要求，因此采用準確度較高的外部時鐘源。根據上面的系統功耗公式，時鐘頻率對功耗也有影響。為確保單片機的低功耗，采用的時鐘頻率不應過高，同時還要考慮不對發射模塊工作頻率造成干擾，這里采用4MHz時鐘頻率。另外單片機供電電壓采用3.3V，將5V供電電壓降低為3.3V時單片機功耗將減少約60%。

3 脈寬時間調制信號的產生與應用

3.1 脈寬時間調制技術

盡管脈寬調制控制技術中，PWM的波形根據應用背景的不同，一般可以分為兩類：一類是占空比不同的等脈沖PWM波形，另一類是模擬某種特別波形的信號，例如模擬正弦波的SPWM波形。而等脈沖PWM又分為單極性和雙極性兩種波形［5］。

本文采用等幅脈沖單極性PWM，單極性PWM具有高頻噪聲低，電磁干擾小，4Ω以上阻抗幅頻特性平直，10～20kHz輸出電壓抬升小等特點，所反映出的負載變化敏感性小，特別適合負載變化較大的應用場合。而在較低的負載阻抗時，采用雙極性PWM可以得到更大范圍的頻率響應［6］。由于井下發射電路的負載隨著地層電阻的不同而發生變化，因此適合采用單極性的PWM信號。

采用固定高電平時間長度而改變占空比的PWM信號，也就是相對縮短高電平時間長度的PWM波形，能夠極大地降低H橋型功放電路的發射功耗。為詳細說明，假設功放電路供電電壓為5V，功放負載為50Ω，在一個400ms的時間周期中，分別采用兩種PWM波形：一種PWM波形高電平為100ms，而低電平為300ms；另一種PWM波形的高電平為300ms、低電平為100ms。則在這個時間周期中，采用前一種PWM波形的功放電路所消耗的能量是采用后一種PWM波形所消耗能量的3倍。

3.2 脈寬時間調制信號程序設計

脈寬時間調制信號的生成是脈寬調制技術的關鍵，傳統的PWM信號采用硬件電路來實現，但是采用軟件方法則更加靈活和實用。本文采用飛思卡爾單片機 MC9S08AC16的定時器／PWM模塊來產生脈沖寬度時間調制信號。MC9S08AC16系列包含三個獨立定時器／PWM模塊，模塊給核心計數器提供一個溢出中斷（TOF），并給每個通道提供一個通道事件中斷（CHnF）。

本文采用的PWM信號高電平脈寬固定為100ms，脈寬時間周期取決于所表示的數據。由于一個時間周期表示4bit的數據，因此需要16種不同的時間周期才能完整表示所有的4bit數據。采用200ms的時間周期表示二進制數據0000，而數據1111則由1700ms的時間周期來表示。

脈寬調制信號的軟件實現：首先輸出管腳初始化狀態為低電平，將TPM2和TPM3初始設置為定時100ms。當TPM2計數溢出時，輸出管腳跳變為高電平，關閉TPM2定時，同時啟動TPM3定時。當TPM3計數溢出時，對TPM3的溢出次數計數，輸出管腳跳變為低電平，然后判斷溢出次數的計數值是否與待發送的數據值相等，如果相等，則關閉TPM3定時，同時啟動TPM2定時。否則，繼續TPM3定時。圖5是該程序的流程圖。

圖5 軟件流程圖

4 井下數據傳輸實驗

在實驗室中，將發射模塊與接收模塊距離20m放置，發射天線和接收天線在同一水平線上水平放置。發射模塊重復發射原始數據0123、4567、789a、bcde、ffff、0044共計100次，接收端都能準確接收到數據。實驗還發現，將兩個天線保持一定的夾角放置，對信號的影響不大。

圖6 實驗框圖

為驗證無線短傳模塊在井下泥漿環境的數據傳輸情況，特別在水中進行了數據傳輸實驗。特別選擇了雜質較多、水質較渾濁的一處湖水進行實驗，將發射天線和接收天線置于水面之下20cm放置，發射天線和接收天線通過較長的信號線分別連接發射模塊和接收模塊。重復發射上述數據供100次，僅有一次未接收到數據，其余均接收無誤。

實驗表明，無線短傳模塊在空氣和水中能夠實現數據傳輸，介質對數據傳輸的影響非常小。由于設計的傳輸距離為20m，因此該無線短傳模塊符合數據傳輸距離的要求，而且具有較低的功耗。

5 結語

本文從低功耗設計的角度出發，采用脈寬時間調制信號來驅動井下短距離無線傳輸模塊功放電路，能夠在供電量有限的條件下，功放電路的發射功耗不超過1W，從而確保井下持續200小時左右正常地發射信號。相對于通過改變高電平時間長度的PWM信號，這里采用的固定高電平時間長度而改變低電平時間長度的PWM信號能夠更好地降低功放電路的發射功耗。經過實驗驗證，無線短傳模塊能夠實現了井下20m無線數據的準確傳輸。

［1］周鑫玲，解成超，曾周末.飛思卡爾8位單片機脈寬調制模塊用法探究［J］.實驗室科學，2010，13（3）：97～102

［2］飛思卡爾MC9S08AC16數據手冊

［3］李剛.飛思卡爾8位單片機實用教程［M］.北京：電子工業出版社，2009

［4］何此昂.Freescale 08系列單片機開發與應用實例［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2009

［5］袁燕嶺，周紅，徐云，等.單片機控制的脈寬調制功率放大器設計與研究［J］.電子元器件應用，2008，10（4）：36～40

［6］李偉東，梁劍波，龐佑兵，等.一種脈寬調制型功率放大器的研究及應用［J］.微電子學，2007，37（4）：584～587

［7］李林.隨鉆測量數據的井下短距離無線傳輸技術研究［J］.石油鉆探技術，2007，35（1）：45～48

［8］胡勇，李軒冕，賀志容.單片機測試向量生成技術研究［J］.計算機與數字工程，2010，38（9）

［9］桑會平.井下短程通信［D］.西安：西安石油大學碩士論文，2004

［10］雷靜，張建寧.基于單片機的間隙老化控制器的設計［J］.計算機與數字工程，2010，38（9）