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(中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院，北京 102206)

引 言

泥漿脈沖是石油鉆井領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的井下數(shù)據(jù)傳輸方式[1]，作為“十三五”深井超深井鉆完井技術(shù)發(fā)展目標(biāo)[2]，中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院研制的高速大容量信息傳輸鉆桿(簡(jiǎn)稱信息鉆桿)也使用泥漿脈沖作為備份信道。位于井下的泥漿脈沖發(fā)生器產(chǎn)生泥漿脈沖壓力信號(hào)，包含信息的編碼后的壓力脈沖序列通過(guò)水眼內(nèi)的循環(huán)泥漿上行到地面，由安裝在立管上的壓力傳感器采集，立管壓力信號(hào)通過(guò)硬件濾波、模/數(shù)轉(zhuǎn)換、去噪解碼后得到編碼信息。

去噪大多通過(guò)基于傅里葉變換的濾波算法實(shí)現(xiàn)[3-4]，由于泥漿脈沖信號(hào)是典型的非穩(wěn)定信號(hào)，其噪聲與信號(hào)高頻有效成分在頻域重疊在一起，難以通過(guò)傅里葉分析去除，小波分析有更好的去噪效果[5-7]。雖然解碼成功率更高，但與傅里葉變換相比，小波分析計(jì)算量更大。在實(shí)際應(yīng)用中，主計(jì)算機(jī)運(yùn)行的程序往往包含泥漿脈沖信號(hào)解碼、流程控制、信號(hào)處理及顯示等功能，有些地質(zhì)參數(shù)信號(hào)反演需要大量耗時(shí)的卷積計(jì)算。使用小波分析去噪算法后，主計(jì)算機(jī)系統(tǒng)負(fù)擔(dān)明顯增加，軟件運(yùn)行流暢度降低，實(shí)時(shí)傳輸?shù)哪酀{脈沖數(shù)據(jù)往往無(wú)法及時(shí)處理，導(dǎo)致井下測(cè)量數(shù)據(jù)丟失。

泥漿脈沖信號(hào)網(wǎng)絡(luò)解碼器使用高性能單板機(jī)完成小波分析去噪，以此來(lái)分擔(dān)主計(jì)算機(jī)的計(jì)算工作量，并通過(guò)高速網(wǎng)絡(luò)將含有效信息的波形信號(hào)等數(shù)據(jù)傳回主計(jì)算機(jī)。為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，采用有源低通濾波器對(duì)立管壓力信號(hào)完成硬件濾波，濾波后的信號(hào)由模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)嵌入式單片機(jī)緩沖后轉(zhuǎn)發(fā)給高性能單板機(jī)實(shí)施小波去噪等后續(xù)數(shù)字信號(hào)處理，完成了高速、低成本泥漿脈沖信號(hào)網(wǎng)絡(luò)解碼。

1 設(shè)計(jì)目標(biāo)與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 硬件濾波與模/數(shù)轉(zhuǎn)換

泥漿脈沖壓力信號(hào)由安裝在立管上的壓力變送器采集，硬件低通濾波器對(duì)采集到的泥漿脈沖立管壓力信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，可以消除有效信號(hào)之外的較高頻率噪聲，例如井場(chǎng)柴油發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的50/60 Hz工頻干擾等。圖1給出了經(jīng)硬件濾波、模/數(shù)轉(zhuǎn)換后的典型泥漿脈沖立管壓力信號(hào)。

圖1 硬件濾波后的泥漿脈沖信號(hào)

由于泥漿脈沖發(fā)生器和循環(huán)泥漿信道的限制，泥漿脈沖的傳輸速率最高僅有數(shù)位每秒，信號(hào)所需最高帶寬也僅有幾Hz。泥漿脈沖信號(hào)的主要噪聲由石油礦場(chǎng)用往復(fù)泵(泥漿泵)產(chǎn)生，泥漿泵有單缸泵和多缸泵之分，額定沖次為每分鐘幾十到上百次，即其產(chǎn)生的噪聲頻率約為幾Hz，與泥漿脈沖信號(hào)在頻譜上重疊在一起。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)工程師來(lái)說(shuō)，觀察泥漿泵噪聲的細(xì)節(jié)有助于判斷泥漿泵“上水”不均勻、空氣包壓力異常等干擾泥漿脈沖信號(hào)的異常工況，方便及時(shí)處理排除干擾[8]。

需要仔細(xì)確定硬件低通濾波器的截止頻率及模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣頻率，以保留有效信號(hào)并濾除噪聲。實(shí)驗(yàn)表明，采樣率設(shè)定為100 sps以上，低通濾波器截止頻率設(shè)定為20 Hz即可滿足要求，實(shí)際采樣率設(shè)定為175 sps。

隨著井深的增加，泥漿泵泵壓不斷上升，而井底傳來(lái)的壓力脈沖幅度卻越來(lái)越小，為了保證采樣精度，模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣分辨率選定為16位，可滿足實(shí)際作業(yè)需要。

1.2 小波去噪算法

經(jīng)過(guò)硬件濾波和模/數(shù)轉(zhuǎn)換后的信號(hào)通過(guò)小波分析去噪數(shù)字信號(hào)處理算法進(jìn)行解碼處理以還原編碼信息。一維離散小波變換的Mallat算法包含分解與重構(gòu)兩部分[9]，其分解算法公式如下：

(1)

(2)

重構(gòu)算法公式如下：

(3)

小波去噪效果的優(yōu)劣與基函數(shù)的選擇、分解層數(shù)、閾值處理方法有關(guān)。這里使用強(qiáng)制去噪，將小波分解結(jié)構(gòu)中的高頻系數(shù)全部置零，即濾掉所有高頻部分，然后完成小波重構(gòu)[10]。使用強(qiáng)制去噪實(shí)現(xiàn)基線漂移修正及信號(hào)解碼，分解層數(shù)分別是10層和8層。

經(jīng)多種主流計(jì)算機(jī)實(shí)測(cè)，對(duì)10 500個(gè)離散數(shù)據(jù)點(diǎn)(60 s采樣)的泥漿脈沖數(shù)據(jù)進(jìn)行一次完整的基線漂移修正及信號(hào)解碼大約耗時(shí)2～5 s。為了避免遺漏編碼信息，需要每隔5～10 s重復(fù)一次計(jì)算。

為了滿足小波去噪計(jì)算的需求，考察了臺(tái)灣研揚(yáng)科技基于英特爾凌動(dòng)處理器的UP創(chuàng)客板[11]、樹莓派(Raspberry Pi)。最終確定選擇樹莓派，原因在于該單板機(jī)具有較高的計(jì)算能力和性價(jià)比、豐富的開源硬件和軟件資源以及適合電池供電的低能耗等特點(diǎn)。

1.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

作為泥漿脈沖信號(hào)網(wǎng)絡(luò)解碼器的計(jì)算核心，第三代樹莓派型號(hào)B+的處理器為4核Cortex-A53博通BCM2837B0，主頻為1.4 GHz，配備了千兆以太網(wǎng)口，具有I2C、SPI、UART等外設(shè)接口[12]。

樹莓派可運(yùn)行Linux、Windows10 IoT等多種操作系統(tǒng)，為了更好利用外設(shè)資源，選用官方建議的基于Linux發(fā)行版Debian的Raspbian操作系統(tǒng)，編程語(yǔ)言選用數(shù)學(xué)計(jì)算友好的Python[13]。由于Raspbian不是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，為了實(shí)時(shí)采集立管壓力數(shù)據(jù)，選用了另一款開源硬件Arduino Nano作為嵌入式控制器從模/數(shù)轉(zhuǎn)換器獲取數(shù)據(jù)，其板載MCU是以16 MHz頻率運(yùn)行的Atmel ATmega328P[14]，最終完成的泥漿脈沖信號(hào)網(wǎng)絡(luò)解碼器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

為了隔離井場(chǎng)危險(xiǎn)區(qū)域，使用了模擬量的隔離柵(安全柵)，立管壓力變送器采集泥漿脈沖信號(hào)，以電流環(huán)的方式輸出到隔離柵并轉(zhuǎn)換為1～5 V的電壓信號(hào)，經(jīng)硬件有源低通濾波器濾波后由模/數(shù)轉(zhuǎn)換器數(shù)字化為離散數(shù)字信號(hào)，通過(guò)UART串口發(fā)送給Arduino Nano并保存在其MCU內(nèi)存中，樹莓派定時(shí)通過(guò)I2C總線從Arduino Nano內(nèi)存讀取數(shù)據(jù)，顯然Arduino Nano起到了數(shù)據(jù)緩沖的作用，保證了立管壓力的實(shí)時(shí)采集。樹莓派完成信號(hào)的小波去噪及解碼，解碼信息及原始波形數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送給外部的主計(jì)算機(jī)。

采樣率為175 sp/s的16位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器每秒鐘可以產(chǎn)生將近3 KB的數(shù)據(jù)。對(duì)于樹莓派而言，使用I2C總線與外設(shè)通信是較好的選擇。其常規(guī)通信速率為100 kbps，僅用2根線就可以實(shí)現(xiàn)多主機(jī)、多從機(jī)之間的通信。模/數(shù)轉(zhuǎn)換器選用了TI推出的帶UART接口的ADS112U04[15]，與I2C及SPI接口的同系列的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器相比，ADS112U04可以通過(guò)速率高達(dá)120 kbps的UART自動(dòng)連續(xù)發(fā)送采樣數(shù)據(jù)，無(wú)需通過(guò)查詢指令提取，此舉減輕了Arduino Nano的工作壓力。所有通信環(huán)節(jié)的傳輸速率滿足實(shí)時(shí)立管壓力數(shù)據(jù)的傳輸需求。

2 硬件設(shè)計(jì)

樹莓派及Arduino均有成品板可供選購(gòu)，僅需設(shè)計(jì)包含有源低通濾波器和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的樹莓派擴(kuò)展板(HAT)。該HAT完整的電路圖如圖3所示。圖中P1為供電輸入VIN和隔離柵的立管壓力電壓信號(hào)輸入插座。

圖3 樹莓派HAT電路圖

VIN為兩組TPS5430低紋波穩(wěn)壓器[16]供電，輸出正負(fù)5 V電壓為有源濾波器和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器供電，同時(shí)為Arduino Nano板供電，該板自帶穩(wěn)壓器并由二極管自動(dòng)選擇是否使用USB接口電源，通過(guò)插座P2與HAT板相連(UART)，通過(guò)P3與樹莓派的40PIN引腳相連(I2C)。

立管壓力電壓信號(hào)經(jīng)由運(yùn)放LM358[17]組成的具有巴特沃斯響應(yīng)的單位增益Sallen-Key濾波器[18]，該二階濾波器截止頻率設(shè)計(jì)為20 Hz，用±5 V雙電源供電以保證直流響應(yīng)。使用ADS112U04模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的AIN0單端輸入，采樣結(jié)果通過(guò)UART發(fā)送給Arduino Nano。ADS112U04自帶電壓基準(zhǔn)和振蕩器，因此外圍器件較少。

3 軟件設(shè)計(jì)

由于選用了開源硬件，泥漿脈沖信號(hào)網(wǎng)絡(luò)解碼器的軟件模塊大多有現(xiàn)成代碼或庫(kù)，編程簡(jiǎn)便易行，這里主要說(shuō)明與模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的通信流程。

3.1 Arduino Nano

此部分的嵌入式編程使用C語(yǔ)言在Arduino開發(fā)環(huán)境版本1.8.5中完成，包含通過(guò)串口設(shè)置并讀取模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的程序(Sketch)和作為I2C從機(jī)為樹莓派提供采樣數(shù)據(jù)的程序。

Arduino開發(fā)環(huán)境提供了大量基礎(chǔ)函數(shù)，串口通信通過(guò)HardwareSerial類實(shí)現(xiàn)，該類實(shí)例化為Serial對(duì)象：在Begin初始化時(shí)設(shè)定通信波特率及格式(8-N-1)，可用available函數(shù)判斷是否收到數(shù)據(jù)，用read函數(shù)讀取，而重載的幾個(gè)wirte函數(shù)可用于向串口寫入不同類型的數(shù)據(jù)。

ADS112U04的2線UART兼容串口以字節(jié)方式傳送數(shù)據(jù)，每個(gè)字節(jié)有1個(gè)起始位(S)、8個(gè)數(shù)據(jù)位(先發(fā)送LSB)和一個(gè)停止位(P)。該串口具有自動(dòng)波特率檢測(cè)功能，主機(jī)(這里是Arduino Nano)在發(fā)送指令之前先發(fā)送同步字(0x55)，ADS112U04即可自動(dòng)識(shí)別該同步字并以該波特率返回應(yīng)答字節(jié)，如圖4所示。

圖4 模/數(shù)轉(zhuǎn)換器指令應(yīng)答

圖5 模/數(shù)轉(zhuǎn)換器初始化及讀取流程

圖5給出了ADS112U04初始化和自動(dòng)數(shù)據(jù)讀取的流程圖。

上電后，作為主機(jī)的Arduino Nano先發(fā)送復(fù)位指令，等待ADS112U04復(fù)位完成后，通過(guò)WREG指令向ADS112U04的5個(gè)寄存器寫入需要設(shè)置的參數(shù)，將其采樣速率Data rate設(shè)置為175 sps、單端讀取AIN0以及自動(dòng)數(shù)據(jù)讀取模式，之后用START/SYNC指令啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集，每次采樣數(shù)據(jù)為16位(LSB與MSB)，自動(dòng)發(fā)送給主機(jī)。

Arduino開發(fā)環(huán)境提供了許多擴(kuò)展庫(kù)，用于封裝硬件底層程序或提供特殊應(yīng)用。Wire庫(kù)實(shí)現(xiàn)了I2C通信功能，該庫(kù)定義了實(shí)例化為Wire對(duì)象的TwoWire類，與HardwareSerial類相同，均基于Stream流操作類，其Begin函數(shù)可設(shè)置從機(jī)地址，通過(guò)onRequest函數(shù)在從機(jī)模式下注冊(cè)用于處理主機(jī)請(qǐng)求的函數(shù)，一旦收到樹莓派主機(jī)發(fā)來(lái)的讀取數(shù)據(jù)請(qǐng)求，在處理主機(jī)請(qǐng)求的函數(shù)中使用write函數(shù)返回?cái)?shù)據(jù)。

3.2 樹莓派

此部分使用Python語(yǔ)言編程，Raspbian操作系統(tǒng)版本為9.3，包含通過(guò)I2C接口從Arduino Nano讀取立管壓力數(shù)據(jù)的程序、小波去噪及解碼算法程序和作為UDP服務(wù)器為主計(jì)算機(jī)(客戶端)提供波形及解碼信息的程序。

可用Raspberry Pi Configuration工具使能I2C接口。樹莓派提供了SMBus庫(kù)用于I2C接口通信，完成庫(kù)安裝后，通過(guò)read_byte函數(shù)從指定地址的從機(jī)讀取數(shù)據(jù)，注意3B+使用的I2C設(shè)備編號(hào)為1，默認(rèn)通信速率為100 kbps。

小波分析的Mallat算法容易用計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)[9]，這里不贅述，未用到Python的Math庫(kù)。通過(guò)套接字(Socket)編程將樹莓派作為一個(gè)UDP服務(wù)器，通過(guò)以太網(wǎng)交換數(shù)據(jù)[19]。與TCP相比，UDP因?yàn)闊o(wú)需應(yīng)答而更快。主計(jì)算機(jī)作為泥漿脈沖信號(hào)網(wǎng)絡(luò)解碼器的客戶端，讀取立管壓力波形數(shù)據(jù)及解碼后的編碼信息。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

經(jīng)過(guò)地面螺桿鉆具試驗(yàn)臺(tái)的打壓試驗(yàn)，泥漿脈沖信號(hào)網(wǎng)絡(luò)解碼器功能正常，滿足設(shè)計(jì)要求。中石油工程技術(shù)研究院成功研制了5英寸全系列高頻磁耦合有纜鉆桿系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)大慶油田、吉林油田的多次前期現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，在國(guó)內(nèi)首次完成了全系統(tǒng)、全功能磁耦合有纜鉆桿現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，通信速率為100 kbps。作為信息鉆桿的備用信道，泥漿脈沖信道能夠避免因?yàn)橥ㄐ殴收隙疸@，可節(jié)省大量施工時(shí)間及費(fèi)用。

結(jié) 語(yǔ)