西安石油大學(xué)光電油氣測井與檢測教育部重點實驗室 王添翼

1.引言

時間是物理學(xué)的基本單位之一，它也是物質(zhì)存在的基本形式之一，既所謂四維時空坐標(biāo)的第四維。由于兩井之間的地下介質(zhì)復(fù)雜，一口井發(fā)射電磁波信號和另一口接收信號在井間探測過程中，如果缺少時間這個參量，去分析地層特性，那么將變得非常困難，所以提高信號的時間同步的精度，對于分析地層特性來說，是十分有意義的。本文以應(yīng)用為向?qū)В芯炕贕PS的低成本實時性的高精度時間同步系統(tǒng)在探測井間剩余油的應(yīng)用。

在地球物理探測領(lǐng)域，通常采用同步技術(shù)有三種，GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)是美國國防部的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。GPS不但可以用來精密定位，還可以用來精密定時，GPS提供的高精度系統(tǒng)信號，其精度可以達(dá)到10-12到10-13量級。這樣的精度在許多的實際應(yīng)用中都能達(dá)到要求。

2.GPS授時原理

GPS時間系統(tǒng)是由GPS系統(tǒng)定義和使用的時間系統(tǒng)。衛(wèi)星定位系統(tǒng)以時間為基本觀測量，由于衛(wèi)星高速飛行，因此，要求時間系統(tǒng)必須十分精確，否則，就會帶來很大的距離誤差。GPS時間系統(tǒng)以原子頻率標(biāo)準(zhǔn)作為時間基準(zhǔn)[5]，以1980年1月6日0時作為起點。它不存在跳秒，它的時間與協(xié)調(diào)時秒以下的差異可以保持在100μS內(nèi)，并定期公布誤差，在星歷文件中發(fā)布的衛(wèi)星鐘差就是相對GPS時間系統(tǒng)的鐘差。GPS接收機(jī)每秒發(fā)生時刻輸出脈沖信號，即秒脈沖PPS，并在稍后(約0.5s)，通過串行通信端口發(fā)送該秒時刻的國際標(biāo)準(zhǔn)時間(時、分、秒數(shù)值)和當(dāng)前GPS接收機(jī)天線的地理定位信息[6]。利用GPS秒脈沖和絕對時標(biāo)(串行通信數(shù)據(jù)信號)定時對傳感器節(jié)點進(jìn)行同步觸發(fā)。GPS接收機(jī)穩(wěn)定接收衛(wèi)星信號后，秒脈沖信號的邊沿時刻與標(biāo)準(zhǔn)時間的秒時刻定時誤差小于40ns。若定義GPS接收機(jī)給出的秒脈沖時刻與標(biāo)準(zhǔn)時鐘的偏差為定時偏差，定義GPS接收機(jī)輸出的秒脈沖周期的起伏程度為定時穩(wěn)定度，則GPS接收機(jī)產(chǎn)品的定時偏差指標(biāo)和定時穩(wěn)定度典型值通常40ns。換言之，GPS接收機(jī)的輸出可作為時間基準(zhǔn)應(yīng)用于同步控制裝置，一般均可以滿足實驗數(shù)據(jù)同步的要求。

3.系統(tǒng)構(gòu)成與硬件軟件實現(xiàn)

3.1 XBEE Pro性能特點

XBEE Pro模塊設(shè)計滿足IEEE 802 15.4標(biāo)準(zhǔn)，工作頻率2.4GHz。作為一種新興的中距離、低速率的無線模塊，在這個領(lǐng)域里得到了廣泛關(guān)注和應(yīng)用。該模塊體積小，功耗低，傳輸距離最大可達(dá)到1500m(室外)，接口簡單，容易使用。

XBEE Pro模塊的基本性能參數(shù)如下：發(fā)射功率1mW，接收靈敏度-92dBM，RF傳輸速率250Kbit/s；在3.3v電源下，發(fā)送的電流45mA，接收電流50mA。

XBee Pro模塊可以通過UART接口直接與控制器的UART接口相連，硬件接口簡單實用。圖1給出了Microchip公司的微控制器PIC16F887與XBee Pro的連接方法。除了將控制器和XBee Pro的UART發(fā)送和接收互連之外，用控制器的PORTC的第0個引腳RC0控制XBee Pro的SLEEP_RQ信號，可以在需要時控制XBee Pro模塊進(jìn)入睡眠模式。由于沒有使用硬件流程控制，為了防止緩沖器溢出，在進(jìn)行模塊參數(shù)配置時必須使UART接口的傳輸速率小于XBee Pro模塊的數(shù)據(jù)傳輸速率。

圖1 PIC16F887與XBee Pro的連接方法

3.2 GPS接收模塊

GPS作為系統(tǒng)的一部分，它必須滿足體積小、能耗低、可靠性高、授時精度高、數(shù)據(jù)更新頻率快等基本工作要求。在本系統(tǒng)的設(shè)計中采用的GPS模塊是Stsail公司生產(chǎn)的H-8123定位授時模塊，H-8123在僅為25.0×28.0×7.5mm大小的模塊上融合了高靈敏度、低功耗等特點。該模塊采用16并行跟蹤通道設(shè)計，接收來自L1波段的C/A碼信息，跟蹤靈敏度達(dá)-160dBm，將定位和授時范圍擴(kuò)展到傳統(tǒng)GPS接收機(jī)不能覆蓋的地方。數(shù)據(jù)最大更新頻率為5Hz，熱啟動時間小于1s，冷啟動時間小于32s，重新捕獲時間小于1s，且動態(tài)性能達(dá)到515m/s，工作電壓范圍為3.5g～5.25V。該模塊具有很高的授時精度，1PPS脈沖的上升沿表示同步準(zhǔn)確時刻，其均方根誤差為50ns，99%小于100ns，粒度為43ns，在GPS接收機(jī)取得有效導(dǎo)航解后，通過串口默認(rèn)輸出按照美國國家海洋電子協(xié)會的NEMA 0183 ASCⅡ碼接口編碼的數(shù)據(jù)[7]，其中包含1PPS同步脈沖的UTC時刻，如圖2所示。

圖2 1PPS與 UTC時刻關(guān)系圖

圖3 系統(tǒng)硬件組成圖

3.3 系統(tǒng)組成原理

本系統(tǒng)使用由Stsail公司生產(chǎn)的H-8123定位授時模塊，它采用U-blox公司生產(chǎn)的G6010主芯片，授時誤差〈30μS，主控MCU采用PIC16f877，無線模塊采用zigbee技術(shù)的XBEE模塊。本系統(tǒng)工作原理：單片機(jī)實時接收GPS的時間信號，當(dāng)有觸發(fā)信號經(jīng)過AD模塊進(jìn)入單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)入中斷程序，將時間信息和觸發(fā)信號的幅值與周期進(jìn)行二次編碼，生成數(shù)據(jù)包，發(fā)射端由XBEE無線發(fā)射模塊將此數(shù)據(jù)包進(jìn)行透傳，發(fā)送給接收端XBEE模塊，接收端單片機(jī)接收到數(shù)據(jù)包后進(jìn)行解碼。通過串口上傳給上位機(jī)程序予以顯示。如圖3所示。

3.4 軟件實現(xiàn)

在MCU收到觸發(fā)信號時，MCU將對觸發(fā)信號進(jìn)行分析，并將此時刻的GPS的時間信號提取出來，進(jìn)行編碼，通過無線模塊發(fā)送與接收，并在上位機(jī)予以顯示。具體程序流程圖如圖4所示。

圖4 工作流程

4.實驗結(jié)果

通過實驗發(fā)現(xiàn)。在此機(jī)制上建立的時間同步實現(xiàn)方法。通過示波器觀察，系統(tǒng)實驗誤差小于〈25μS。能夠滿足井間探測同步要求。

5.結(jié)論

本文在無線傳感器通過GPS時間定位系統(tǒng)中，通過只在發(fā)射端嵌入一個GPS接收機(jī)，運用GPS的授時原理，利用GPS的秒脈沖和絕對時標(biāo)，采用無線透傳方式對接收傳感器節(jié)點進(jìn)行同步觸發(fā)、時鐘校準(zhǔn)、同步采集并存儲采集時刻的時間，從而在時鐘校準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，達(dá)到理想的同步采集誤差15μS左右，采用這種設(shè)計不但可以克服通過電纜同步的地理障礙，而且，提高了實驗的智能化，提高了測試的準(zhǔn)確性。

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