高頻脈沖式載波通信在電動液壓橋塞座封工具上的應用

朱 炎，韓志富，白玉新，王 恒，張 磊

(1．北京精密機電控制設備研究所 北京 100076；2．航天鈞和科技有限公司 北京 100076)

·開發設計·

高頻脈沖式載波通信在電動液壓橋塞座封工具上的應用

朱 炎1，韓志富2，白玉新2，王 恒1，張 磊1

(1．北京精密機電控制設備研究所 北京 100076；2．航天鈞和科技有限公司 北京 100076)

在電動液壓橋塞座封工具的使用過程中，位于地下數千米深的工具需要與地面設備進行數據傳輸。無線電磁波無法穿透千米深的大地或泥漿，所以只能使用有線通信。電力線載波通信技術是以現有的供電纜線為基礎，實現數據傳輸的通信技術。使用電力線載波通信技術可以讓一根單芯纜線既傳輸電能也能傳輸數據，這樣避免了增加信號線，降低了成本。載波通信技術有很多種調制方式，傳統的載波通信技術數據傳輸速率相對較低，而脈沖式載波通信技術能更高速率地傳輸數據。井下環境空間有限而且溫度較高，對芯片的體積與耐高溫能力有較高要求。基于HJ394A芯片對高頻脈沖式的載波通信技術進行了闡述，分析其原理、傳輸途徑和噪聲干擾。試驗證明該芯片在井下環境中數據傳輸可靠，滿足了電動液壓橋塞的需求。

載波通信；脈沖；橋塞

0 引 言

橋塞是油氣開發過程中的不可缺少的井下封堵工具，電動液壓橋塞座封工具因具有可定位、可回收等優點而被廣泛使用。地面上借助電纜和電纜絞車將橋塞和座封工具運送到油管固定深度，由座封工工具上的自然伽馬測試儀或者磁定位器進行校深，然后進行座封。地下的橋塞工具實時地把數據上傳到地面以監控工具的工作狀態和深度，地面也需要將指令下傳到井下的橋塞，因此橋塞和地面設備需要可靠的雙工通信。因為油管材料為鋼鐵，本身屏蔽無線電信號，而且電磁波難以穿透數千米的土壤或者泥漿，所以橋塞和地面之間無法使用無線電磁波通信，只能使用有線通信。傳統有線通信至少需要四根線：兩根電源線、兩根信號線，實際生產中為了方便和節約成本，電動液壓橋塞采用單芯電纜供應直流電，電纜作為正極，以油管和大地作為電路接地，如果額外地增加信號線進行有線通信，那么會導致成本極大地增加。載波通信技術可以在不額外增加纜線的情況下，借助現有的供電纜線傳輸數據。本文分析了高頻脈沖式載波通信的原理，硬件結構和噪聲干擾，并且試驗證明它的可靠性。

1 高頻脈沖式載波通信

1.1 與傳統井下載波通信的對比

高頻脈沖式載波通信使用高頻脈沖作為信號的調制方式，而不是傳統的ASK、FSK、PSK等調制方式，相對于FSK等調制方式，脈沖式載波通信能更高速率地傳輸數據，因為它只需要一個脈沖就可以確定一比特的數據。傳統井下載波通信技術一般使用的帶寬為40～500 kHz，因為在傳輸距離很遠時，電纜線本身相當于一根長天線，載波信號容易被空氣中的高頻無線電信號干擾，電纜中的高頻信號也容易發射到空氣中，所以載波通信技術所使用的載波頻率很低，頻帶帶寬很窄，在這么小的帶寬內傳輸速率自然也很低，大部分傳統井下載波通信只能達到9.6 Kb/s左右。雖然地面上存在高頻的載波通信設備，其數據傳輸速度可達1 Mb/s甚至更高，但是這種設備存在傳輸距離很短或者是設備體積龐大的問題，而且一般地面使用的載波通信芯片最高工作溫度為85℃，無法在井下使用。高頻脈沖式載波通信的數據傳輸速率在試驗中最高達到500 Kb/s，相對于傳統井下載波通信有著很大提升。

本文使用的載波通信芯片為HJ394A，最高工作溫度可達125℃，體積為20 mm×11.5 mm×3.2 mm，較小的體積和耐高溫適合井下環境。

1.2 高頻脈沖的產生

HJ394A內部結構如圖1所示，VCC和GND代表電源正和地，HJ394A采用+5 V供電，DI和DO分別為輸入和輸出的數據，使用TTL電平，TX和RX分別為輸出和接收的脈沖，VTP和VTN分別為正脈沖閾值和負脈沖閾值，R/T為芯片發送或者接收模式的選擇。

圖1 HJ394A的結構

如圖1中所示，脈沖轉換其實是兩個單穩態電路，一個在輸入數據DI上升沿時產生正脈沖，一個在DI下降沿時產生負脈沖，利用正負兩種脈沖傳輸數據比只使用一種脈沖傳輸數據要更可靠。理論上脈沖如圖2所示，實際HJ394A的輸入DI和產生脈沖波形TX如圖3所示，實際產生的脈沖峰值1.8 V，持續時間1 ms左右，不過由于脈沖尾部存在一定的振蕩，加上振蕩總持續時間為1.4 ms左右。TX和供電的單芯電纜之間使用一個電容耦合，以防止高壓直流電損壞芯片，同理接收方RX也得使用一個電容和單芯電纜耦合。

圖2 理論上的脈沖

圖3 實際產生的脈沖

1.3 高頻脈沖的接收

接收到的脈沖信號RX如圖1中所示，會經過一個放大器，放大器原理如圖4所示，從單芯電纜經過耦合電容去除直流分量后得到RX，RX會進入信號放大器，放大倍數為R1/R2，內置電阻R1大約為5 kΩ，放大倍數越大越能檢測到微弱的信號，那么傳輸距離就變大了，但是同時也可能把噪聲放大當成信號增大了誤碼率。放大倍數可以通過調節R2的阻值調整，最好根據實際需要選擇合適的放大倍數。

圖4 信號放大器

由于芯片是+5 V供電，VTP和VTN都為正值，而負脈沖幅值為負，實際VTP、VTN和2.5 V相減后才是真正的閾值。接收到的脈沖信號經過放大后，借助兩個比較器和正脈沖負脈沖閾值比較。一旦DI電壓大于正脈沖閾值或小于負脈沖閾值，兩個比較器會分別輸出一個高電平，通過RS鎖存器把DO變為邏輯1或者邏輯0，如果沒有后續的脈沖，輸出電平DO會一直保持最后一次改變的電平。閾值VTP和VTP可根據實際需要調節，閾值越低越容易檢測到信號，不過也越容易被噪聲干擾。

值得注意的是接收部分僅僅以比較器做閾值判定，并沒有濾波電路，因為脈沖波形并不像正弦波一樣集中在頻域的某一段，使得傳統的濾波技術不能較好地分離噪聲和信號。脈沖式載波通信對信道要求較高，只要噪聲達到一定幅值就可能導致誤碼，這點和傳統通信技術并不一樣。傳統通信技術可以使用濾波器把高頻和低頻部分過濾，只留下需要的頻段的信號，和信號頻率相差較大的噪聲不會對通信造成影響。幸運的是在電動液壓橋塞使用過程中的噪聲有限，后文會對噪聲進行具體分析。

2 載波通信模型

在實際生活當中，為了防止電源電壓不穩，大部分電路板會在電源附近并聯0.1 μf或者更高容值的電容，高頻的脈沖波形可以通過電容，這樣相當于脈沖信號短路了，為了防止脈沖波形消失，同時不影響直流電，電纜上需要串聯電感，如圖5所示，芯片的供電使用DCDC將電源和負載的高壓直流電轉換為5 V直流電，為了方便理解，圖5以一對一單向數據傳輸為例，假設靠近電源方為發送端，靠近負載方為接收端，發送端使用電腦接 USB轉RS232/422/485轉換器，接收端直接連接單片機。實際上HJ394A為半雙工通信芯片，實際橋塞使用過程中也是使用的雙工通信，不過需要使用單片機或者DSP編寫協議，以免發送數據時錯過了需要接收的數據。

圖5 載波通信示意圖

圖6為圖5簡化的高頻脈沖部分電路圖，L3和R1為電纜的等效電感和等效電阻，R2為油管的等效電阻，本次試驗時使用300 m長盤起來的電纜，因此電纜本身有2 mH左右的電感，如果把電纜拉直那么電感會隨之減小，本次試驗中R1和R2加起來都只有幾歐姆，可忽略不計。TX和RX分別發送脈沖波形和接收脈沖波形，C5、C6為耦合電容，用來分離直流分量，本次試驗使用的是1 uf電容。C1、C2為電源和負載的穩壓電容，為了避免它們對信號產生影響，添加了L1、L2兩個電感串聯在電纜上，理論上L1和L2越大則電路可以承受的L3、R1和R2越大，也就是說電纜可以更長，但是電感越大在直流電斷電時產生的感應電動勢也越大，有可能對元器件和人員造成危害，所以需要根據實際的情況，選擇合適的電感值。

圖6 脈沖部分簡化電路

如圖7所示為實際示波器測量的波形，圖7從上到下為輸入數據DI的波形、發送脈沖TX的波形、接收脈沖RX的波形、接收到的數據DO的波形，為了方便理解，以一個周期高電平一個周期低電平作為幀頭，一個周期高電平作為幀尾，沒添加校驗位，圖7中使用串口在波特率256 K時發送0X 12 34的波形，實際圖7中從左到右波形代表的數據順序為21 43。實際HJ394A可接受的波特率可為任意值，只要不超過HJ394A的脈沖響應頻率的上限就行，本次測量HJ394A可發送和接收的波特率極限為500 K。此時串口的電平只有高低兩種狀態，所以波特率等于比特率，也就是說極限速率為500 Kb/s。實際編碼為了防誤碼，幀頭和幀尾也會更長，還會使用CRC等校驗方式，不過需要額外添加單片機或者DSP，因為HJ394A芯片本身不涉及運算。電纜長約300 m，所以圖7接收方相對發送方延遲了1 μs左右。

圖7 數據與脈沖波形

3 噪聲分析

脈沖式載波通信對信道有著較高的要求，因為沒有濾波，任何頻段的噪聲只要幅值達到了一定程度都會造成誤碼。幸運的是井下的特殊環境使得噪聲有限。

因為單芯電纜部分處于油管內，而油管埋在地下且本身為金屬材質，油管有較好的信號屏蔽作用，油管外的電纜盤在一起，不同于高壓電線一樣拉成一條很長的直線，整個載波通信環節可以忽略外部電磁波對載波通信的干擾，高頻脈沖式載波通信的噪聲主要有兩點來源：1)產生脈沖時本身存在一定的振蕩。2)負載的功率存在一定的變化，實際上的直流電并不是一點振蕩都沒有的。

芯片產生脈沖時脈沖本身有一定的振蕩，如圖3中所示，這個振蕩必然存在，不過它的幅值和持續時間要小于脈沖，所以可以通過調節接收部分的放大倍數和閾值來防止它對信號的干擾，在能接收到信號的前提下縮小放大倍數和增大閾值可以改善因本身脈沖振蕩產生的誤碼。如果放大倍數過大且閾值過低，錯誤地把脈沖后的震蕩當成了脈沖本身，有可能造成DO與DI電平完全相反，接收數據錯誤。

電源和負載雖然使用的是直流電，但是由于功率的變動，直流電的電流會有一定的變化，再加上串聯的L1、L2兩個電感，單芯電纜上的直流電電壓會隨機產生一定的低頻振蕩，如圖8所示，低頻振蕩疊加在脈沖信號上，這種隨機的低頻振蕩也可能導致誤碼的產生，在直流電源和負載的正負極之間并聯電容可以解決此現象，也就是加大C1、C2，理論上振蕩越大所需的電容容值越大，本次試驗在負載功率50 W左右時出現圖8中的振蕩，在直流電源和負載兩端分別并聯了33 μf的電容后低頻振蕩消失。

圖8 低頻振蕩

4 結 論

高頻脈沖式載波通信具有結構簡單、耐高溫、供電方便、體積小、功耗低、傳輸速率快以及不需要額外線路等優點。同時也存在只能在直流電源上使用、抗干擾能力較差的缺點。在本次試驗使用盤起來的300 m電纜模擬2 km直線電纜，實際上高頻脈沖式載波通信最遠可以傳播5 000 m左右。本次試驗中L1、L2的電感值最低可取300 mH，最高的單向數據傳輸速率達500 kb/s。可見其各方面都滿足過油管橋塞電動液壓座封工具的需求，目前高頻脈沖式載波通信已經在電動液壓橋塞上取得應用，并且在井下工具還有著廣泛的應用空間。

[1] 譚玉春.電纜橋塞技術在川西油氣田開發中的應用[J].天然氣工業,2002,22(3):74-75.

[2] 周承民,劉志華,刁剛田，等. QSA型可撈可鉆式橋塞的設計與使用[J]. 石油礦場機械，2004,33(3):90-91.

[3] 鄭 雷.電力載波通信原理與實現[D].武漢科技大學,2011.

[4] 張燕平，王大江.可取式橋塞及其機械結構設計原則[J].江漢石油職工大學學報，2011,24(5)：48-50.

[5] 趙玉璽.基于電力線載波通信技術的照明控制系統開發與實施[D].浙江大學,2006.

Application of High Frequency Pulse Carrier Communication in Electrohydraulic Bridge Plug

ZHU Yan1, HAN Zhifu2, BAI Yuxin2, WANG Heng1, ZHANG Lei1

(1.BeijingResearchInstituteofPreciseMechanicalandElectronicControlEquipment,Beijing100076,China；2.AerospaceConservoTechnologyCo.Ltd.,Beijing100076,China)

The electrohydraulic bridge plug require data transmission with the computer on the ground. Electromagnetic waves can not reach the earth thousands meters underground, so the wired communication has to be used. The existing power line is adopted as signal channel to realize the data transmission in the power line communication technology, and the single core cable can both supply power and send message, which avoids increasing other line to transport message and decreasing the cost. There are many ways of modulation, pulse modulation is used with the chip named HJ394A. Compared with traditional ways of modulation, the pulse modulation can transmit data at a higher speed. The downhole environment is limited for the space taken by the chip and requires higher working temperature. How the pulse is created, transported,

and the noise disturbance are explained in this paper. The test results show that the data transmission by the chip is reliable, and the pulse carrier communication can meet the demand of electrohydraulic bridge plug.

power line communication; pulse; bridge plug

朱 炎，男，1993年生，在讀碩士研究生，主要研究井下數據傳輸。E-mail:444238112@qq.com

TN76

A

2096-0077(2017)03-0034-04

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.03.008

2016-12-20 編輯：韓德林)