电磁感应数据传输系统的硬件研制

论文摘要

石油钻井技术在不断的往前发展,钻井工程同时也向着自动化和信息化的方向发展[1],这就要求钻井过程中井下设备采集的数据能够快速实时的传递到地面控制台,然而目前主要的随钻数据传输技术远不能满足要求。进入二十一世纪,国外出现了一种新型的随钻数据传输方法,由IntelliServ公司研制出的基于电磁感应耦合原理的钻杆高速数据遥传系统IntelliPipe,其速率可高达2Mbps[2]。其钻杆接头处安装有电磁感应耦合器,它实现了信号的非接触式传输,能够以极高的数据传输速率传输信号,突破了随钻数据传输的瓶颈。本文在基本掌握了IntelliServ公司的IntelliPipe的大致结构和原理的基础上,在本实验室上几届师兄研究之后搭建的实验系统的基础上,首先改进了单节感应耦合器的电路模型,测量出了模型参数。在此基础上,重新建立整个磁感应传输信道的电路模型,通过PSPICE仿真软件对整个电路模型进行仿真,并与实际测试进行比对,验证了模型的正确性。通过对该电路模型的Pspice软件仿真,可以准确的得到磁感应传输信道的各种特性,为通信信号的频率选择提供依据。由于实验磁感应传输信道的频率特性,载波频率在经过磁感应传输信道之后唯一没有明显改变的频率,而且频移键控（FSK）比较容易实现,所以本文采用频移键控法实现调制与解调,设计了基于直接数字合成（DDS）原理的AD9832芯片的调制电路和基于锁相环芯片XR2211的解调电路,并编写了调制芯片的控制程序和算法,其稳定的数据传输速率为57.6kbps,已经实现的传输距离达到了250米,相比于师兄搭建的实验系统,传输的距离有了提高,在实验信道中实现了可靠的实时数据传输。最后重新建立了由26节模拟耦合器和25节模拟钻杆组成的磁感应传输信道,搭建起了信号传输的实验系统。利用实验系统对设计的调制解调电路进行了数据传输的通信实验,验证了通信系统的性能,误码率低于10-7。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 随钻数据传输技术发展简介
• 1.3 本课题的国内外研究现状
• 1.4 本文主要内容
• 第2章 磁感应传输信道参数设计
• 2.1 引言
• 2.2 信号传输原理
• 2.3 系统总体结构简介
• 2.4 整体模型及参数确定
• 2.4.1 电磁感应耦合器
• 2.4.2 感应耦合器电路模型
• 2.4.3 电路模型参数测量
• 2.4.4 整个磁感应传输信道模型
• 2.5 PSPICE 信道仿真
• 2.5.1 PSPICE 软件介绍
• 2.5.2 耦合器电路模型仿真
• 2.5.3 磁感应传输信道电路模型仿真
• 2.6 本章小结
• 第3章 调制解调原理与实现
• 3.1 引言
• 3.2 调制解调方式选择
• 3.3 FSK 调制解调原理
• 3.3.1 FSK 调制原理
• 3.3.2 FSK 解调原理
• 3.4 调制解调电路
• 3.4.1 电路总体设计
• 3.4.2 基于AD9832 的调制电路设计
• 3.4.3 基于XR2211 的解调电路设计
• 3.5 本章小结
• 第4章 磁感应传输实验系统
• 4.1 引言
• 4.2 实验数据统计
• 4.3 实验数据分析
• 4.3.1 耦合器线圈匝数的选择依据
• 4.3.2 温度实验
• 4.3.3 传输距离与传输效率不一致现象
• 4.3.4 调制解调波形
• 4.4 小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢