歐姍姍，徐 飛，宋 楠，馮旭東，李國(guó)瑋

（1.西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065；2.中國(guó)石油測(cè)井集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710065）

針對(duì)現(xiàn)代鉆井新技術(shù)對(duì)隨鉆數(shù)據(jù)傳輸及其信息處理的要求，對(duì)井下聲波無(wú)線遙測(cè)系統(tǒng)信號(hào)采集與處理進(jìn)行基礎(chǔ)理論研究，對(duì)于井下傳輸?shù)降孛娴男盘?hào)特征進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了聲波無(wú)線遙測(cè)地面系統(tǒng)的信號(hào)處理機(jī)制。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

地面系統(tǒng)的硬件部分主要由放大濾波電路，AD 采集電路以及上位機(jī)部分組成。當(dāng)載有井下信息的聲波信號(hào)隨著鉆桿傳輸?shù)降孛嬷?，地面系統(tǒng)首先用傳感器獲取到井下聲波信號(hào)，再通過(guò)放大濾波電路，對(duì)信號(hào)進(jìn)行初步的放大濾除干擾，將干擾信號(hào)濾除之后，交給地面的主控芯片STM32，STM32 控制AD7656 對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集，將井下傳輸上來(lái)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成了數(shù)字信號(hào)，通過(guò)SPI 通信，把這個(gè)數(shù)字信號(hào)交給STM32，利用labview 的VISA 庫(kù)函數(shù)，設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的串口通信，配合下位機(jī)的AD 采集模塊，把井下的信號(hào)傳輸給上位機(jī)進(jìn)行顯示。系統(tǒng)方案如圖1 所示。

2 AD 采集電路

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總方案

采集電路由主控芯片STM32F407 和AD 芯片AD7656 組成，當(dāng)井下聲波信號(hào)傳輸給主控芯片STM32 之后，由AD7656 進(jìn)行采集，把原來(lái)的井下模擬聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，利用labview串口傳輸給上位機(jī)，因?yàn)樯衔粰C(jī)具有很好的交互界面，AD7656 是高集成度、6 通道、16bit 逐次逼近(SAR) 型ADC。這里選擇的是STM32F407單片機(jī)，上電復(fù)位之后，初始化串行口和AD。AD 初始化主要是：時(shí)鐘的設(shè)置，數(shù)據(jù)輸入通道的選擇，然后設(shè)置中斷優(yōu)先級(jí)，將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)顯示。軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖2 所示。

3 labview 上位機(jī)軟件編程

3.1 總體設(shè)計(jì)思路

圖2 軟件設(shè)計(jì)流程圖

串行通信是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)儀器或設(shè)備常用的通信方式，早期的儀器單片機(jī)等均使用串口與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。上位機(jī)軟件的整體設(shè)計(jì)思路如圖3 所示。

圖3 上位機(jī)整體設(shè)計(jì)圖

測(cè)井信號(hào)采集軟件主要分為串口配置，對(duì)于曲線的繪制，保存數(shù)據(jù)和回放數(shù)據(jù)，各模塊的功能如下：

1）先對(duì)串口進(jìn)行配置，設(shè)置波特率，字節(jié)數(shù)，奇偶校驗(yàn)位，停止位。

2）繪制測(cè)井曲線是將測(cè)得的數(shù)據(jù)繪制成曲線，更加直觀地得到地層信息。

3）保存數(shù)據(jù)是將測(cè)得的地層信息數(shù)據(jù)保存成文本格式，后期數(shù)據(jù)處理時(shí)，可以調(diào)取已經(jīng)保存好的數(shù)據(jù)。

4）數(shù)據(jù)回放是為了方便測(cè)井人員查看歷史數(shù)據(jù)。

測(cè)井信號(hào)處理軟件主要分為濾波，解調(diào)兩部分，各模塊功能如下：

5）對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑濾波則是濾除掉疊加在有用信號(hào)上的干擾，通過(guò)求平均值的方法可濾除此類(lèi)干擾。

6）解調(diào)則是把加載在聲波信號(hào)上的井下信息分離出來(lái)，得到有用信息。

3.2 軟件面板

如圖4 所示波形圖為數(shù)據(jù)波形顯示模塊。

圖4 上位機(jī)接收波形

利用串口和單片機(jī)進(jìn)行通信，運(yùn)用labview 中的VISA 庫(kù)函數(shù)便可以實(shí)現(xiàn)串口通信，這種方法成本較低。采集選擇異步通信，在傳輸速度這方面看來(lái)，異步通信沒(méi)有同步通信好，但是同步通信的優(yōu)點(diǎn)在于，在一次串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程中，若是出現(xiàn)了錯(cuò)誤，僅僅影響一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。并且通信雙方都要遵從統(tǒng)一的通信協(xié)議，方可保證數(shù)據(jù)成功傳輸。在串口采集程序中，選擇對(duì)應(yīng)的串口號(hào)以及波特率，8 位字節(jié)數(shù)，無(wú)奇偶校驗(yàn)位，運(yùn)行程序，點(diǎn)擊開(kāi)始運(yùn)行，在接收緩沖區(qū)中就會(huì)對(duì)應(yīng)顯示接收到的數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)波形顯示模塊則繪制對(duì)應(yīng)的波形，點(diǎn)擊停止采集，系統(tǒng)則停止采集數(shù)據(jù)。

圖5 是濾波的波形圖，可通過(guò)labview 的濾波器模塊，為了更加清楚準(zhǔn)確地得到FSK 信號(hào)，需要用濾波算法對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行處理，這里用到均值濾波算法，對(duì)于一般具有隨機(jī)性干擾的信號(hào)用算術(shù)平均值法，尋找一個(gè)Y 值，使得該值與各采樣值X（k）之間的誤差平方和最小，即：

對(duì)于其中的高頻成分，對(duì)于平滑度要求較高，可以采用滑動(dòng)平滑濾波算法來(lái)處理，使采樣數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度固定為N，每次進(jìn)行新的采樣就把采樣結(jié)果放在隊(duì)尾，剔除在隊(duì)首的一個(gè)，這樣始終只有N 個(gè)數(shù)據(jù)，只要把N 個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行平均求其均值，就可以得到新的濾波值，在labview 中可以通過(guò)加法器和乘法器就可以實(shí)現(xiàn)濾波方法。

圖5 上位機(jī)濾波波形

為了把井下信息從聲波上分離下來(lái)，需要對(duì)FSK 信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，其解調(diào)原理是將2FSK 信號(hào)分解為上下兩路2ASK 信號(hào)分別進(jìn)行解調(diào)，然后判決。本次采用相干解調(diào)方法，如圖6 所示。2FSK 信號(hào)為：e2FSK=s1(t)cosω1t+s2(t)cosω2t，公式中s1(t)和s2(t)分別為兩路二進(jìn)制基帶信號(hào)，基帶信號(hào)中的，，其中，

圖6 相干解調(diào)

信號(hào)經(jīng)過(guò)帶通濾波器ω1之后，產(chǎn)生信號(hào)A，所以，A 信號(hào)為：

同理可得另外一路的信號(hào)F 應(yīng)該為：

如圖7 為信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波器得到的圖。

圖7 濾波結(jié)果圖

和經(jīng)過(guò)抽樣判決器，這里的抽樣判決器是直接比較兩路信號(hào)的抽樣值，判決的規(guī)則與調(diào)制規(guī)則一致，可得到解調(diào)后的“輸出序列”如圖8 所示。

圖8 輸出序列圖

系統(tǒng)在室內(nèi)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果較好，能夠較完整地采集到信號(hào)，并且做后續(xù)的信號(hào)處理，達(dá)到了預(yù)先的設(shè)計(jì)目的，為單片機(jī)和計(jì)算機(jī)之間的傳輸搭建了有效經(jīng)濟(jì)實(shí)用的橋梁。