基于電力線載波通信的油井通信系統(tǒng)

摘要 油田采油過程中常常需要對井下溫度和壓力等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，以充分了解井下信息。文中就此問題提出了一種井下數(shù)據(jù)傳輸方案，該系統(tǒng)的核心是采用SSC P485擴(kuò)頻通信芯片，結(jié)合SSC P111放大芯片，利用電力線載波通信技術(shù)，通過油井中的電力線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。實(shí)驗(yàn)證明，該方案便于監(jiān)測人員對數(shù)據(jù)的采集和及時了解井下情況。
關(guān)鍵詞 電力線載波；擴(kuò)頻通信；SSC P485

    在石油資源勘探和開采過程中，探明油層的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、測試油井的工作狀態(tài)對保持資源的可持續(xù)利用有著重要的意義。測井系統(tǒng)在這些工作中有著重要的作用，其中一項(xiàng)重要的功能就是信息采集，即將井下信息采集完成，傳輸?shù)骄弦怨┓治?。針對下潛泵式的抽油井，可以利用泵的供電電纜，設(shè)計一個基于電力線載波的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，用以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的采集和傳輸，同時將接收終端接收到的數(shù)據(jù)及時傳遞給計算機(jī)，以便監(jiān)測人員對參數(shù)進(jìn)行查詢，及時了解井下情況。
    實(shí)現(xiàn)低壓電力線通信的技術(shù)難點(diǎn)之一是解決噪聲干擾問題，由于低壓電力網(wǎng)上的負(fù)載千變?nèi)f化，同時由于用戶用電的隨機(jī)性，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)負(fù)載處在不停的變化之中，具有較大的時變性，而且它們還會因地點(diǎn)的變化而變化，因此網(wǎng)絡(luò)干擾嚴(yán)重。另外電力線信道還具有復(fù)雜的噪聲，包活背景噪聲、突發(fā)性噪聲、非同步噪聲、同步噪聲等。另一方面是電力線上存在固有的工頻噪聲，即100 Hz噪聲干擾，而且其幅值比背景噪聲大許多。所以低壓電力線載波通信的主要問題是如何解決電力線信道的噪聲對信號傳輸?shù)母蓴_，因此該系統(tǒng)采用擴(kuò)頻通信芯片SSC P485利用chirp擴(kuò)頻通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)信號的收發(fā)，針對高頻噪聲，設(shè)計了一個帶通濾波器濾除帶外噪聲。另外，還設(shè)計了一個電容耦合與電感耦合相結(jié)合的耦合電路，用以從工頻噪聲中分離出擴(kuò)頻信號。在實(shí)驗(yàn)室用1 200 m的電力線實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的成功傳輸，試驗(yàn)結(jié)果較為理想，證明了擴(kuò)頻通信能有效解決電力線上的噪聲和干擾問題。

1 SSC技術(shù)
1．1 CEBus簡介
    CEBus(Consumer Electrics Bus，消費(fèi)電子總線)是EIA位消費(fèi)電子產(chǎn)品制定的一種通信和產(chǎn)品互操作性的標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)定義了在家用電器之間通信所使用的通信介質(zhì)和協(xié)議，使得遵循同樣標(biāo)準(zhǔn)的家用電器設(shè)備可以即插即用，并能共同工作，實(shí)現(xiàn)家庭自動化，CEBus采用了簡化的OSI模型，分為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。CEBus的物理層使用了5種不同的媒介：電力線、雙絞線、同軸電纜、射頻廣播和紅外線。CEBus是一個完全面向報文分組的對等網(wǎng)絡(luò)，使用載波偵聽多重訪問和沖突檢測與沖突分辨協(xié)議。目前，電力線是CEBus中使用最廣泛的介質(zhì)。CEBus定義了一種“公共應(yīng)用語言”(Common Application Language，CAL)來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的通訊。
1．2 CEBus的物理層通訊
    電力線最初設(shè)計是用作提供電力，而不是用作進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。因而要用電力線進(jìn)行通信就要面臨高噪聲、高衰減和可變阻抗等造成的信號失真。鑒于家庭中電力線載波通訊的特殊性，CEBus在以電力線作為物理層的傳輸介質(zhì)時，采用擴(kuò)頻載波(Spectrum Spread carrier)通訊來實(shí)現(xiàn)控制流。擴(kuò)頻載波通信就是用帶寬遠(yuǎn)大于發(fā)送信息所需最小頻帶寬度的信號傳輸數(shù)據(jù)。依據(jù)是信息論和抗干擾性理論，即香農(nóng)公式。香農(nóng)關(guān)于噪聲信道的主要結(jié)論是：任何帶寬為WHz，信噪比為S／N的信道，其最大傳輸速率
   
    式(1)中，C為最大傳輸速率；N為噪聲功率；W為帶寬；S為信號功率。公式表明，在高斯通道中當(dāng)傳輸系統(tǒng)的信號噪聲功率比S／N下降時，可用增加系統(tǒng)傳輸帶寬W保持信道容量C不變。對于任意給定的信號噪聲功率比，可用增大傳輸帶寬獲得較低的信息差錯率。擴(kuò)頻通信技術(shù)正是利用這一理論，用高速的擴(kuò)頻碼擴(kuò)展要傳輸?shù)臄?shù)字信息的帶寬。擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的帶寬比常規(guī)的通信體制大幾百至幾千倍。所以在相同的信噪比條件下，擴(kuò)頻通信具有較強(qiáng)的抗噪聲干擾能力。CEBus在電力線上有4種編碼，分別是：“0”、“1”、“EOF”和“EOP”如表1所示。

1．3 SSC PL信號
    SSC PL信號利用一系列短促、可自同步的掃頻Chirps信號作為載體，它代表了最基本的通信符號時間(UST)。它們都是擴(kuò)頻掃描范圍為100～400kHz的線性掃頻Chirp)信號：總是以200～400 kHz的頻率開始，繼而以100～200 kHz的頻率結(jié)束。從203 kHz經(jīng)過19個周期線性地變?yōu)?00 kHz，再在1個周期內(nèi)變?yōu)?00 kHz，然后在5個周期中變?yōu)?03 kHz，整個時間長度為100μs，也就是1個UST(Unit Symble Time)，其波形如圖1所示。由于Chirps信號的線性掃描帶寬比信號帶寬要大得多，其線性加速度是較高的，而等幅振蕩波干擾的頻率加速度一般較穩(wěn)定，所以，只要將濾波器設(shè)計成只能通過具有特定角加速度的信號，就可以將等幅干擾排除在外。另外，此種Chirps波形還具有很強(qiáng)的自相關(guān)特性，這種模糊邏輯的相關(guān)性決定了所有連接在網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備，可以同時識別從網(wǎng)上任意設(shè)備發(fā)出的這種獨(dú)特波形，并且不需要在發(fā)送和接收設(shè)備間進(jìn)行同步，從而避免了使用復(fù)雜的同步設(shè)備，降低了系統(tǒng)成本。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計
    該系統(tǒng)由井下模塊和井上模塊組成。井下和井上模塊都包含通信單元和數(shù)據(jù)采集處理單元等，其總體框圖如圖2所示。

    MCU負(fù)責(zé)管理整個模塊的工作，其功能之一是接收收發(fā)芯片輸出的數(shù)據(jù)，同時也為收發(fā)芯片提供發(fā)送數(shù)據(jù)，管理收發(fā)芯片的工作。其功能之二是控制傳感器完成數(shù)據(jù)采集。MCU同時還提供了系統(tǒng)復(fù)位和看門狗功能防止系統(tǒng)死機(jī)現(xiàn)象。
    井下和井上數(shù)據(jù)傳輸模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸通過電力電纜實(shí)現(xiàn)。需要注意電纜的傳輸特性及其負(fù)載，同時進(jìn)行抗干擾設(shè)計。井下數(shù)據(jù)傳輸模塊完成井下數(shù)據(jù)的采集、編碼和調(diào)制，然后通過電力電纜傳輸?shù)骄?，井上?shù)據(jù)傳輸模塊接收井下數(shù)據(jù)，并且完成譯碼解調(diào)和數(shù)據(jù)計算處理，通過通信口傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。

3 硬件電路設(shè)計
    系統(tǒng)采用Intellon公司的高集成度，專門針對電力線載波通信的擴(kuò)譜通信收發(fā)芯片P485。其內(nèi)部集成了擴(kuò)譜載波通信收發(fā)器、信號整定電路和簡化的處理器接口電路，是一種低成本的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，得到了廣泛的應(yīng)用。
    其主要技術(shù)特點(diǎn)如下：
    (1)采用擴(kuò)譜載波(SSC)通信技術(shù)。
    (2)速率9 600 bit·s-1。
    (3)簡化的host接口。
    (4)單電源供電。
    (5)20腳SOIC封裝。
    其內(nèi)部邏輯框圖如圖3所示。

    圖4所示為SSC P485電力線載波模塊硬件電路圖，主要有3部分組成，P485與MCU接口電路、以及P485的發(fā)送和接收電路。在發(fā)送過程中，收發(fā)芯片P485的SO引腳發(fā)出的chirps信號經(jīng)過前置濾波電路濾除高頻噪聲，在TS三態(tài)開關(guān)為高時經(jīng)過功率放大芯片將信號放大后，再通過耦合電路將信號耦合到電力線上發(fā)送出去。在接收過程中，通過耦合變壓器將電力線傳輸?shù)臄U(kuò)譜信號分離出來，再經(jīng)過輸入濾波和前置放大器放大到一定電平送給收發(fā)芯片。收發(fā)芯片對輸入信號進(jìn)行采樣、檢測、匹配濾波和處理，恢復(fù)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并且發(fā)送給MCU。

    圖5所示的是耦合電路的電路圖，主要是由電容和耦合線圈T1構(gòu)成。由于電網(wǎng)的工頻(50 Hz)和本系統(tǒng)擴(kuò)頻信號的信號頻率(100～400 kHz)相差2 000倍，因此電容和耦合線圈原邊電感對于這兩種信號的阻抗各不相同。對于工頻信號，電容的阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于線圈原邊電感的阻抗，所以電容承擔(dān)了電力線上的交流電壓；對于擴(kuò)頻信號，線圈原邊電感的阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電容的阻抗，所以擴(kuò)頻信號幾乎都加在了耦合線圈上。這個電路能把工頻信號與擴(kuò)頻信號疊加和分離開來。D1是瞬態(tài)抑制二極管，對電路有防浪涌保護(hù)作用。

4 軟件設(shè)計
    電力線載波通信中要求傳輸過程中數(shù)據(jù)的差錯率足夠低，引起傳輸差錯的原因是信道內(nèi)存在噪聲以及信道特性不理想所造成的碼間串?dāng)_。雖然可以通過提高通信系統(tǒng)的信噪比以及在通信中采用擴(kuò)頻調(diào)制等技術(shù)增強(qiáng)抗干擾性能，但要進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性和抗干擾性并減少誤碼率，就須采用差錯控制技術(shù)。系統(tǒng)采用(15，7)BCH碼可以糾正電力線上的兩位隨機(jī)性錯誤。
    MCU是數(shù)據(jù)通信模塊的重要單元，它控制通信模塊的工作過程，對傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行組幀和BCH編碼、控制通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送等。
    井下通信模塊的MCU程序完成以下主要功能：
    (1)4路傳感器模擬信號的數(shù)據(jù)采集。通過MCU內(nèi)部集成的ADC采集傳感器的數(shù)據(jù)，每個傳感器每秒采集一次，采集10次進(jìn)行平均，將平均值每分鐘發(fā)送一次。
    (2)對數(shù)據(jù)進(jìn)行組包，數(shù)據(jù)包中包括同步頭，傳感器1～4的采樣數(shù)據(jù)平均值。
    (3)對發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行糾錯編碼。
    (4)向通信模塊傳送數(shù)據(jù)。
    (5)控制通信模塊的SSC P485和系統(tǒng)的工作。
    井下通信模塊工作流程如圖6所示。

    井上通信模塊的MCU程序完成以下主要功能：
    (1)接收數(shù)據(jù)包，對接收進(jìn)行解碼，恢復(fù)各傳感器數(shù)據(jù)。
    (2)對井上傳感器模擬信號的數(shù)據(jù)采集。通過MCU內(nèi)部集成的ADC采集傳感器的數(shù)據(jù)，每秒采集一次，采集10次進(jìn)行平均，將平均值記錄。
    (3)對井下和井上傳感器的采集數(shù)據(jù)井下數(shù)據(jù)處理計算，將壓力和溫度轉(zhuǎn)換為液面高度并且進(jìn)行記錄。
    (4)將液面高度和井下傳感器狀態(tài)數(shù)據(jù)打包，傳送到上位機(jī)。
    (5)控制通信模塊的SSC P485和系統(tǒng)的工作。
    井上通信模塊工作流程如圖7所示。

5 結(jié)束語
    系統(tǒng)成功解決了電力線信道上的噪聲和干擾問題，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的通信距離為1 200 m，利用糾錯編碼技術(shù)實(shí)現(xiàn)了較低誤碼率的數(shù)據(jù)傳輸。如果要在實(shí)際工程上應(yīng)用，還需要做進(jìn)～步完善，如傳輸距離、抗干擾性以及穩(wěn)定性。