宋红喜 崔 谦 曾义金 张 卫 米金泰 黄中伟

(1.中国石化石油工程技术研究院 2.页岩油气富集机理与有效开发国家重点实验室 3.中国石油大学(北京))

0 引 言

旋转导向系统是油气井自动化钻井的关键装备[1-2]。由于该系统在井下高温高压这一特殊的环境中工作，所以其数据传输存在井下参数采集不准确、数据传输缓慢以及电气导线在钻铤之间无法连接等问题[3-4]。单总线技术以单根线传输信号，完成数据的发送与接收[5-6]，可以实现井下信号的高效传输，是推靠式旋转导向井下短节间和非接触信号传输的关键技术。该技术的总线传输波形有效性和可行性一直是研究的焦点。为此，本文设计了正弦波和尖顶波2套总线波形传输方案，通过Saber仿真与实物试验对比了几种滤波运放器，发现尖顶波作为总线传输波形不易于实现，而正弦波作为总线传输波形易于实现，且可靠性高、稳定性与鲁棒性强。单总线技术不仅可满足旋转导向钻铤之间的数据传输要求，大幅简化所需钻铤的机械结构，而且可满足旋转导向非接触传输要求单根信号线传输数据这一特殊要求，可为推靠式旋转导向钻井系统高效数据传输技术研发提供参考。

1 几种总线协议对比与分析

当前常用的信号传输技术有单总线、RS-232、RS-485、I2C、CAN、Modbus和M-Bus等，这些传输技术主要使用2根以上的信号线，传输数据比较稳定[7-10]，但是钻铤连接空间和特点很难满足较多信号导线的连接要求。常用传输技术对比如表1所示。

表1 常用传输技术对比Table 1 Comparison of commonly used transmission technologies

井下仪器设备一般工作在数千米的井中，环境温度比较高、空间特别狭小，所以井下数据传输系统一般采取密封方式。针对该系统信号传输问题，设计了能搭载1根信号线的导电环。非接触信号传输使用单根信号线[11]传输可靠性更好，不仅可避免多根信号线和1个变压器传输过程中的电磁耦合与解耦问题，而且还可避免多根信号线和多个变压器挤占井下仪器空间。通过对比常用的数据传输方法，确定了旋转导向系统采用单根信号线的技术方法，设计了1套井下总线信号传输方案。

单根信号传输线成为井下信号传输的首选，特别是单总线单根信号线的数据传输优势比较明显，单总线技术和导电环机械结构这两者不仅可满足井下钻铤电气连接要求，而且还满足旋转导向旋转与非旋转之间的非接触信号传输要求，实现井下参数实时采集与传输。图1为单总线钻铤间机械连接图。

图1 单总线钻铤间机械连接图Fig.1 Mechanical connection diagram between 1-wire bus drill collars

2 单总线技术

2.1 技术分析

单总线技术(1-wire bus)是美国达拉斯公司研发并推出的总线技术，它以单根信号线实现了数据双向传输，导线结构简单，外围搭建电路开发成本低，适合大规模使用。单总线集信号控制、发送、接收和存储多功能于一体，适合主、从设备通信，主机是微控制器，从机是单总线器件，同时遵循主从机机制。只有一个从机时，可以按照单点系统操作方式；有多个从机时，系统则按照多点操作方式[12-13]。图2为单总线设备连接示意图。常用领域为DS18B20温度传感器和DHT11温湿度传感器等电子元器件。

图2 单总线设备连接示意图Fig.2 1-wire bus device connection

单总线通信协议包含程序初始化、写间隙和读间隙等3部分。第一部分初始化包含复位脉冲和从机应答脉冲；第二部分写间隙包含写0的时间隙和写1的时间隙；第三部分拉低总线，并保持相应的时间释放总线，必须在规定的时间读取数据[14]。图3为单总线传输信号应答与传输机制。

图3 单总线传输信号应答与传输机制Fig.3 1-wire bus transmission signal response and transmission mechanism

单总线电路采用设备外壳作为公共地，设备间只有一根连接线缆，大大降低了结构实现难度，具有设计简单、传输稳定和可靠的优点。它通过通信载波技术将信号叠加在电源线上，实现各子系统间的通信，采用多级滤波技术滤除电源上的噪声，使用功率切换技术避免发送电路与接收信号的衰减，实现多节点挂接，主要完成数据的请求、发送和接收等传输功能，在非接触信号传输中起到“桥梁”作用[11]。图4为单总线数据传输路线图。

图4 单总线数据传输路线图Fig.4 1-wire bus data transmission route

2.2 电路设计

依据单总线协议，整个单总线电路由芯片最小系统、发射信号部分和接收信号部分等组成。芯片最小系统中的主控芯片发出有效的方波信号；发射信号部分对发射信号进行处理：发射信号经过有源滤波器转换为模拟信号，再由功率放大，通过信号发射端口发送出模拟信号；接收信号部分对接收的模拟信号进行处理：接收的模拟信号经过保护电路、去噪声等电路，再经过有源滤波器，还原回方波信号，后期经过锁相环的二进制分频信号，整形电路和反相器等环节，最终返回到主控芯片，实现整个单总线电路信号控制过程[15]。图5为单总线电路信号控制框图。

图5 单总线电路信号控制框图Fig.5 1-wire bus circuit signal control block diagram

单总线电路是完成命令的上传下达，同时配置、诊断和检测系统的核心电路，属于总线控制电路的一部分，也是实现旋转导向信号传输的关键部分。单总线在总线传输的模拟信号波形也是研究的重点和难点。常见的总线波形有方波、三角波、锯齿波、尖顶波和阶梯波等。本文主要对模拟电子电路中常用的方波、正弦波和尖顶波这3种波形发生电路的组成、工作原理、波形分析和主要参数[16-17]，以及波形变换电路的原理进行研究和试验验证，以期选取合适的总线波形完成单总线的技术开发。

依据上述分类，对总线传输的模拟信号波形设计了2套方案：①方波转换为尖顶波，此时总线上传输的模拟信号就是尖顶波，再由尖顶波还原回方波；②方波转换为正弦波，此时总线上传输的模拟信号就是正弦波，再由正弦波还原回方波。针对这2种电路设计方案分别设计相应的滤波器，并且在实验室仿真和试验验证这2种技术方案。

3 仿真与试验

对上述2种总线波形设计方案进行了仿真分析[18]，同时进行了实物板试验。设置了仿真和试验参数，以验证仿真与试验理论分析的有效性和可行性。图6为单总线电路板实物图。

3.1 仿真分析

3.1.1 方案一

方波转换到尖顶波，再从尖顶波还原到方波[17]。图7为二阶有源带通滤波电路。采用该电路目的是输入方波，输出尖顶波，实现方波到尖顶波的变换。仿真试验结果表明，该二阶有源带通滤波电路能实现方波到尖顶波的变换。仿真波形如图8所示。

图7 二阶有源带通滤波电路Fig.7 Second-order active band-pass filter circuit

图8 二阶有源带通滤波电路仿真波形Fig.8 Simulation waveform of the second-order active band-pass filter circuit

图9为压控电压源二阶带通滤波电路[18]。采用该电路主要目的是输入尖顶波，预期输出方波。仿真试验结果表明，该电路输出的是2.5 V的电平，尖顶波转换为方波并没有很好地实现(见图10)，说明尖顶波信号在总线传输的不可操控性，不满足单总线电路信号发射与信号接收要求。

图10 压控电压源二阶带通滤波仿真波形Fig.10 The simulation waveform of the second-order band-pass filter of the voltage-controlled voltage source

3.1.2 方案二

方波转换到正弦波，再从正弦波还原到方波。使用无限增益负反馈有源二阶带通滤波器[18]，将方波转换为正弦波。图11为无限增益负反馈有源二阶带通滤波器电路图。图12为其仿真波形。

图11 无限增益负反馈有源二阶带通滤波器电路Fig.11 Infinite gain negative feedback active second-order band-pass filter

从图12可以看出，二阶带通滤波器可把方波转换为很平滑的正弦波，说明方案二电路设计的有效性和可行性。方案二为了实现正弦波还原到方波功能，使用了有源同比例微分放大器[18-19]，其电路如图13所示。图14为其仿真波形。从图14可以看出，二阶带通滤波器可把方波转换为很平滑的正弦波，说明正弦波信号在总线传输的可操控性及电路图设计的有效性和可行性。

图12 无限增益负反馈有源二阶带通滤波器仿真波形Fig.12 Simulation waveform of the infinite gain negative feedback active second-order band-pass filter

图13 有源同比例微分放大器电路Fig.13 Active same-proportional differential amplifier

图14 有源同比例微分放大器仿真波形Fig.14 Simulated waveform of the active same-proportional differential amplifier

3.2 实物验证

3.2.1 方案一实物验证

针对方案一的方波转换到尖顶波和尖顶波转换到方波2种仿真试验，由图15a预期输入电压Uin1方波与输出电压Uout1尖顶波的波形可知，方案一的二阶有源带通滤波器完成了方波转换为尖顶波的目标；由图15b预期输入电压Uin2尖顶波与输出电压Uout2方波的波形可知，方案一的压控电压源二阶带通滤波器未完成方波转换为尖顶波的目标，电压Uout2

图15 方案一试验波形Fig.15 Experimental waveform of the Scheme 1

仅仅输出了2.5 V的电平，尖顶波转换为方波在实际试验中并不易实现。从仿真和试验结果来看，方案一并没有达到预期效果，尖顶波并不是理想的单总线传输信号。

3.2.2 方案二实物验证

针对方案二的方波转换到正弦波和正弦波转换到方波2种仿真试验，由图16a预期输入电压Uin3方波与输出电压Uout3正弦波的波形可知，方案二无限增益负反馈有源二阶带通滤波器完成了方波转换为正弦波的目标。由图16b预期输入电压Uin4正弦波与输出电压Uout4方波的波形可知，方案二有源同比例微分滤波器也完成了正弦波还原回方波的目标。因此，方案二达到了预期效果，验证了正弦波在单总线传输信号理论设计的可行性。

图16 方案二试验波形Fig.16 Experimental waveform of the Scheme 2

4 结 论

(1)单总线技术是一种有效的数据传输方式，可实现井下工具串各个短节之间的数据传输和应答。该技术所需机械设计结构简单，可应用于旋转导向系统中。

(2)单总线在信号发射部分使用了无限增益负反馈有源二阶带通滤波器，实现了方波到正弦波的转换，后续的功率放大电路使得信号抗干扰能力更强；信号接收部分的信号经过保护电路和去噪声电路，使用有源同比例微分放大器电路实现正弦波还原到方波的信号，完成数字信号到模拟信号、再到数字信号的转换，验证了单总线技术在总线上使用正弦波传输数据方案的可行性和有效性。

(3)单总线以单根信号线即可实现时钟和数据的双向发送，机械结构实现难度降低，便于操控，既可满足井下钻铤之间的数据传输要求，也满足推靠式旋转导向的非接触数据传输这一特殊要求。

(4)单总线数据以多组正弦波的形式在总线上进行传输，使得正弦波比尖顶波传输抗干扰能力和鲁棒性更强，降低了收发数据的误码率，具有易于实现、结构简单、传输稳定和可靠等优点，便于大规模推广应用。

(5)单总线技术可靠性高，不仅可为旋转导向系统提供信号传输功能，也可为井下随钻测量和随钻测井等高端仪器提供公用模块，使仪器低故障率得到有效保障。