专利名称：基于单芯电缆的全双工通信方法
技术领域：
本发明属通信领域，涉及一种数据交互方法，尤其涉及一种井下仪器在同地面数控相互连接以及仪器与仪器之间通讯的基于单芯电缆的全双工通信方法。
背景技术：
在测井技术上，成像测井技术对油井全方位、多角度测量，可以直观的了解井下状况，给测井解释带来极大方便。但是成像测井需要传输的数据量较大，给数据传输带来很大的不便。有些简单仪器直接加电或者调节电压就可以工作，而有些复杂的仪器需要通过地面控制井下仪器，保证井下仪工作在预定的状态下。为了测量多个参数，可以将所需各个井下仪挂接在一起，同时下井。在设计上，就需要测井仪器接收地面命令控制各个仪器的工作状态。各个井下仪之间连接要简单可靠， 倘若井下仪之间靠多芯接头连接，连接点多，结构复杂，仪器接头长等不足之处。若将信号直接耦合在仪器电源线上传输，仪器可以单独工作，也可以通过单芯插头连接起来一起下井测试。
发明内容
为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种井下仪传输数据的出错率低、地面的低频命令和井下仪的高频数据同时传输以及地面实时控制井下仪器的基于单芯电缆的全双工通信方法。本发明的技术解决方案是本发明提供了一种基于单芯电缆的全双工通信方法， 其特殊之处在于所述基于单芯电缆的全双工通信方法包括以下步骤1)地面数控构建需要向井下仪器发送的命令；2)地面数控将已经构建好的需要向井下仪器发送的命令耦合到电缆上并通过电缆发送至井下仪器；3)井下仪器接收到来自地面数控发来的命令后构建需要向地面数控发送的数据；5)井下仪器将已经构建好的需要向地面数控发送的数据通过高耐压的电容隔断直流以后以正负脉冲形式耦合到电缆上并通过电缆发送至地面数控。上述步骤2)的具体实现方式是2. 1)地面数控将已经构建好的需要向井下仪器发送的命令转化为低频正弦波信号，转化过程见图1，电平信号通过运放的微分、滤波、放大等运算使方波信号变为正弦信号；所述需要向井下仪器发送的命令是低频的TTL电平信号；2. 2)将步骤2. 1)所得到的低频正弦波信号耦合(由于命令是低压信号，电缆上是高压，通过分压、稳压、拉低电缆电压的方式使发送的命令在电缆上呈现出原来正弦波的样子，部分电路如图2所示)到电缆上。上述步骤幻的具体实现方式是
所述井下仪器将低频正弦信号解调为井下仪器的单片机可识别的R232电平信号，判断正确以后再构建需要向地面数控发送的数据。上述基于单芯电缆的全双工通信方法在步骤3和步骤幻之间还包括4)判断井下仪器是否是单个，若是，则直接进行步骤5)；若否，则查看与地面数控通信的电缆是否处于空闲，若是，则直接进行步骤幻；若否，则等待与地面数控通信的电缆处于空闲后再进行步骤5)。上述基于单芯电缆的全双工通信方法在步骤3和步骤幻之间还包括4)判断井下仪器是否是单个，若是，则直接进行步骤5)；若否，则查看与地面数控通信的电缆是否处于空闲，若是，则直接进行步骤幻；若否，则通过比较器取出曼码信号， 捕获脉冲信号后以曼码格式解出其他井下仪器需要向地面数控发送的数据后，通过定时器加上适当延时，确定无其他数据后，进行步骤5)。上述由地面数控构建需要向井下仪器发送的命令包括命令的头、命令字、命令的尾以及校验位；所述命令的头以s开头；所述命令的尾以e结尾。上述由井下仪器构建的需要向地面数控发送的数据包括用于地面数控识别确定仪器类型和传输的数据量的命令体以及由用于向地面数控传输井下仪器实际采集各种参数的实测值的数据体。上述命令体包括命令头以及命令字；所述数据体包括数据头以及数据位；所述命令字和数据位均是二进制数据组成；所述命令头的脉冲宽度是命令字的脉冲宽度的二倍； 所述数据头的脉冲宽度是数据位的脉冲宽度的二倍；所述命令头的脉冲是正脉冲；所述数据头的脉冲是负脉冲。上述命令体还包括设置在命令字尾端的奇校验和结束位或偶校验和结束位；所述数据体还包括设置在数据位尾端的奇校验和结束位或偶校验和结束位。本发明的优点是1、地面实时控制井下仪器，井下数据实时反映仪器的工作状况，便于地面了解和控制各个仪器。2、地面的低频命令和井下仪的高频数据同时传输，互不影响。外加低通和高通使井下仪接收低频命令，地面接收高频数据，仪器接收其他仪器的高频数据，独立工作。3、井下仪传输数据的出错率低。由于数据头或命令头与数据编码的脉冲宽度不一样，数据头或命令头判断错误的概率很低，就可以保证仪器数据准确无误地传输。4、仪器与仪器之间挂接简单。仪器之间采用并联模式级联，通过单芯电缆直接连接，只需要判断其他仪器的数据是否传输完毕。5、可以挂接多个仪器。仪器采用并联分时传输数据，只要时间充足，各个仪器工作
互不影响。本发明结构简单，采用单芯传输，地面发送的命令和井下传输的数据全部通过编码耦合到电源线上，在电源线上传输数据。使用方便，很适合于油井环境中使用。
图1是本发明所提供的地面发送命令时TTL电平信号转化为正弦波原理图；图2是本发明所提供的地面发送命令时正弦信号耦合到电缆上的原理图3是本发明所提供的地面发送命令时电缆上的信号示意图；图4是本发明所提供的数据字波形以及电缆上的调制信号示意图；图5是本发明所提供的井下仪器解调其他仪器的信号示意图；图6是本发明所提供的井下仪器的配接方式；图7是本发明所提供的地面命令与井下数据同时传输时示意图。
具体实施例方式本发明提供了一种在测井仪器与地面数控以及测井仪器之间的通讯的方法，该方法包括以下步骤1)地面数控构建需要向井下仪器发送的命令2)地面数控将已经构建好的需要向井下仪器发送的命令耦合到电缆上并通过电缆发送至井下仪器2. 1)地面数控将已经构建好的需要向井下仪器发送的命令转化为低频正弦波信号；所述需要向井下仪器发送的命令是低频的TTL电平信号；如图1所示，需要下发的命令由RX端进入电路中，经过一次微分、四阶低通和反向放大以后，将计算机发送的TTL电平信号转化为正弦信号，由TX端发送出去。2. 2)将步骤2. 1)所得到的低频正弦波信号耦合到电缆上。如图2所示，需要下发的正弦命令由TX端进入R20，电缆上高压由Vin给井下仪器供电，通过信号出现的高低电平，拉低或抬高电缆上的电压，使正弦信号加载到电缆上。3)井下仪器接收到来自地面数控发来的命令后构建需要向地面数控发送的数据；井下仪器将低频正弦信号解调为井下仪器的单片机可识别的R232电平信号，判断正确以后再构建需要向地面数控发送的数据。4)判断井下仪器是否是单个，若是，则直接进行步骤幻；若否，则查看与地面数控通信的电缆是否处于空闲，若是，则直接进行步骤幻；若否，则等待与地面数控通信的电缆处于空闲后再进行步骤5)。或者，步骤4)还可以是4)判断井下仪器是否是单个，若是，则直接进行步骤幻；若否，则查看与地面数控通信的电缆是否处于空闲，若是，则直接进行步骤5)；若否，则解出其他井下仪器需要向地面数控发送的数据后并加上延时，进行步骤5)。5)井下仪器将已经构建好的需要向地面数控发送的数据耦合到电缆上并通过电缆发送至地面数控。由地面数控构建需要向井下仪器发送的命令包括命令的头、命令字、命令的尾以及校验位；命令的头以s开头；命令的尾以e结尾。由井下仪器构建的需要向地面数控发送的数据包括用于地面数控识别确定仪器类型和传输的数据量的命令体以及由用于向地面数控传输井下仪器实际采集各种参数的实测值的数据体。命令体包括命令头以及命令字；数据体包括数据头以及数据位；命令字和数据位均是二进制数据组成；命令头的脉冲宽度是命令字的脉冲宽度的二倍；数据头的脉冲宽度是数据位的脉冲宽度的二倍；命令头的脉冲是正脉冲；数据头的脉冲是负脉冲。命令体还包括设置在命令字尾端的奇校验和结束位或偶校验和结束位；数据体还包括设置在数据位尾端的奇校验和结束位或偶校验和结束位。井下数据传输利用正负交织编码，通过驱动电路将编码信号耦合在仪器电源线上，仪器采用并联模式挂接，其他仪器从仪器电源线上接收数据，判断仪器是否发送完毕， 然后跟进发送数据。这样仪器一次下井既可以单独工作，也可以同时工作，互不影响，达到仪器与仪器之间通讯的目的。井下曼码数据的正负脉冲的宽度就是通讯波特率的倒数，一位数据就是占一个脉冲宽度。数据头和数据位不同，数据头的脉冲宽度是数据位脉冲宽度的二倍，有利于数据头的识别，出错率较低。井下仪向地面传输的数据有数据头和命令头之分，数据头的脉冲是负脉冲，用来传输所需参数的实测值；命令头的脉冲是正脉冲，地面数控用来确定仪器类型和传输的数据量。井下仪传输的数据体或者命令体都由16位二进制数据组成。以下以一个具体实施方式
为例对本发明进行详细说明1、地面发送命令参见图3，地面向井下仪器发送命令时，为了不对井下发送的曼码信号产生影响， 通过调制将低频的TTL电平信号转化为正弦波信号再耦合到电缆上发送到井下仪，井下仪有专门的接收命令电路，将低频的正弦信号解调为单片机可以识别的R232电平信号，判断正确以后再发送给CPU控制仪器运行。为了保证地面命令在传输过程中的准确性，命令以 s开头，e结尾、命令字以及校验位组成，保证命令下发的准确。2、井下数据传输参见图4，井下仪器向地面数控发送数据时，数据头和命令头两者之间的时间差是传输一位半数据所需的时间长度，数据头和命令头各占三个位，用先正后负表示传输的仪器类型和传输的数据个数，先负后正表示传输的测量数据。调制信号的数据位一共16位，一位数据占一个位，用负脉冲代表1，正脉冲代表逻辑0，正负脉冲相间排列(注意为了保证正负脉冲的交替出现，在某些脉冲之间增加与之相反的脉冲不计入数据位)，高位数据在前。数据位尾端加上奇校验和结束位，让整个数据中的正负脉冲总宽度相等，，基线平稳。3、仪器之间的通信方式在数据通讯时，如图5，地面数控向井下仪器发送命令，井下仪器接收到属于自己的命令，执行相应的操作并传送给地面所需要的数据，所有的操作均由地面控制，仪器的连接方式如图6，具体实施如下a、所有井下仪器处于接收命令状态，地面数控向井下仪发送命令，仪器响应以后查看总线上是否空闲，如果空闲，发送测量数据。b、仪器之间的数据传输属于短距离传输，通过信号耦合、滤波和比较取出脉冲信号，解出仪器总线上其他仪器传输的数据，加上适当的延时就可以传输自身的测量数据。4、地面命令和井下数据传输波特率选择地面命令与井下数据同时传输时如图7所示，信号的波特率设置越高，通信速度也越快，在电缆上衰减的也越快，相应的，对于编解码电路以及信号处理器而言也就更难一些。反之，波特率设置的越低，通信速度越慢，在电缆上衰减的也越慢，相应的，对于编解码电路以及信号处理器而言也容易一些。为了有效而准确的控制井下仪器的工作，本发明地面采取低频发送命令，高频传输井下数据，地面和井下加上合理的滤波电路确保地面数控和井下仪器的全双工通信，编解码互不影响。
权利要求
1.一种基于单芯电缆的全双工通信方法，其特征在于所述基于单芯电缆的全双工通信方法包括以下步骤1)地面数控构建需要向井下仪器发送的命令；2)地面数控将已经构建好的需要向井下仪器发送的命令耦合到电缆上并通过电缆发送至井下仪器；3)井下仪器接收到来自地面数控发来的命令后构建需要向地面数控发送的数据；5)井下仪器将已经构建好的需要向地面数控发送的数据耦合到电缆上并通过电缆发送至地面数控。
2.根据权利要求1所述的基于单芯电缆的全双工通信方法，其特征在于所述步骤2) 的具体实现方式是2. 1)地面数控将已经构建好的需要向井下仪器发送的命令转化为低频正弦波信号； 所述需要向井下仪器发送的命令是低频的TTL电平信号；2.2)将步骤2. 1)所得到的低频正弦波信号耦合到电缆上。
3.根据权利要求2所述的基于单芯电缆的全双工通信方法，其特征在于所述步骤3) 的具体实现方式是所述井下仪器将低频正弦信号解调为井下仪器的单片机可识别的R232电平信号，判断正确以后再构建需要向地面数控发送的数据。
4.根据权利要求3所述的基于单芯电缆的全双工通信方法，其特征在于所述基于单芯电缆的全双工通信方法在步骤3和步骤幻之间还包括4)判断井下仪器是否是单个，若是，则直接进行步骤幻；若否，则查看与地面数控通信的电缆是否处于空闲，若是，则直接进行步骤5)；若否，则等待与地面数控通信的电缆处于空闲后再进行步骤5)。
5.根据权利要求3所述的基于单芯电缆的全双工通信方法，其特征在于所述基于单芯电缆的全双工通信方法在步骤3和步骤幻之间还包括4)判断井下仪器是否是单个，若是，则直接进行步骤幻；若否，则查看与地面数控通信的电缆是否处于空闲，若是，则直接进行步骤5)；若否，则解出其他井下仪器需要向地面数控发送的数据后并加上延时，进行步骤5)。
6.根据权利要求4或5所述的基于单芯电缆的全双工通信方法，其特征在于所述由地面数控构建需要向井下仪器发送的命令包括命令的头、命令字、命令的尾以及校验位；所述命令的头以s开头；所述命令的尾以e结尾。
7.根据权利要求6所述的基于单芯电缆的全双工通信方法，其特征在于所述由井下仪器构建的需要向地面数控发送的数据包括用于地面数控识别确定仪器类型和传输的数据量的命令体以及由用于向地面数控传输井下仪器实际采集各种参数的实测值的数据体。
8.根据权利要求7所述的基于单芯电缆的全双工通信方法，其特征在于所述命令体包括命令头以及命令字；所述数据体包括数据头以及数据位；所述命令字和数据位均是二进制数据组成；所述命令头的脉冲宽度是命令字的脉冲宽度的二倍；所述数据头的脉冲宽度是数据位的脉冲宽度的二倍；所述命令头的脉冲是正脉冲；所述数据头的脉冲是负脉冲。
9.根据权利要求8所述的基于单芯电缆的全双工通信方法，其特征在于所述命令体还包括设置在命令字尾端的奇校验和结束位或偶校验和结束位；所述数据体还包括设置在数据位尾端的奇校验和结束位或偶校验和结束位。
全文摘要
本发明涉及一种基于单芯电缆的全双工通信方法，该方法包括以下步骤1)地面数控构建需要向井下仪器发送的命令；2)地面数控将已经构建好的需要向井下仪器发送的命令耦合到电缆上并通过电缆发送至井下仪器；3)井下仪器接收到来自地面数控发来的命令后构建需要向地面数控发送的数据；4)井下仪器将已经构建好的需要向地面数控发送的数据通过高耐压的电容隔断直流以后以正负脉冲形式耦合到电缆上并通过电缆发送至地面数控。本发明提供了一种井下仪传输数据的出错率低、地面的低频命令和井下仪的高频数据同时传输以及地面实时控制井下仪器的基于单芯电缆的全双工通信方法。
文档编号H04L5/14GK102510326SQ20111042620
公开日2012年6月20日 申请日期2011年12月15日 优先权日2011年12月15日
发明者孙国鼎, 李晓东, 胡森强, 陈亮 申请人:西安思坦仪器股份有限公司