СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ Российский патент 2014 года по МПК G08C19/00 

Изобретение относится к области геофизических и геолого-технологических исследований скважин, в частности к способам передачи сигналов измерения из скважины на поверхность или между модулями станции геолого-технологического контроля, и может быть использовано для организации связи по кабельным, оптоволоконным и беспроводным каналам связи, а также при записи информации на цифровые носители.

Известен способ передачи информации от скважинного прибора к наземной аппаратуре, при реализации которого подземная часть (скважинный прибор) содержит геофизические датчики, согласующие устройства, коммутатор, аналого-цифровой преобразователь, блок управления, формирователь синхропосылки и формирователь кода сигналов связи. Наземная часть включает фильтр-корректор, формирователь импульсов синхронизации, блок регистрации. Повышение помехоустойчивости и скорости передачи информации достигается путем введения двухчастотного кодирования и применения сигнала синхронизации повышенной частоты и увеличенной амплитуды (см. а.с. СССР 1564579, МПК G01V 1/22, опубл. 15.05.1990).

Однако при этом одним из основных недостатков способа является необходимость передачи в качестве синхропосылки восьми полупериодов повышенной частоты увеличенной амплитуды, т.е. формирования качественно разных импульсов, что усложняет аппаратную часть скважинного прибора и снижает помехоустойчивость телеизмерительной системы. Наличие более двух уровней напряжения в выходном сигнале является недостатком, так как в этом случае возрастают требования к точности формирования формы выходного сигнала передатчика. Кроме того, многоуровневые сигналы более критичны к наличию в линии передачи отраженных сигналов и сигналов помехи.

Известен также способ передачи информации, по каротажному кабелю включающий в себя формирование непрерывного сигнала, состоящего из набора сигналов. Каждый сигнал из набора представляет собой один период симметричного относительно нулевого уровня периодического сигнала, начальная и конечная точки которого определяются в месте достижения сигналом нулевого уровня. При этом значения периода, и/или амплитуды, и/или фазы периодического сигнала выбирают из дискретных множеств, сформированных для периода, амплитуды и фазы соответственно. Общее число элементов множеств более двух, их комбинацией кодируют единицу передаваемой информации, а на выходе из каротажного кабеля зарегистрированный сигнал декодируют по значениям его периода, и/или амплитуды, и/или фазы (см. патент РФ №2455697, МПК G08C 19/00, опубл. 10.07.2012).

Недостатком данного способа является сложность аппаратно-программной реализации (необходимость изменения амплитуды или частоты сигнала скважинной телеметрии) данного способа - что трудно реализовать в малогабаритном скважинном приборе.

На практике при реализации протоколов передачи по каротажному кабелю широко используется непрерывная передача (без пауз между пакетами данных) с использованием кода Манчестер-2. В коде Манчестер-2 применяется две различных длительности импульсов - для информационных и синхронизирующих импульсов (С.Т. Хвощ, Н.Н. Варлинский, Е.А. Попов, справочник. Микропроцессоры и микро ЭВМ в системах автоматического управления. Под общей редакцией С.Т. Хвоща. Ленинград издательство "Машиностроение", 1987 г. УДК 681.3.01(031), стр.503 - 505). Благодаря наличию битов синхросигналов, отличающихся по частоте от битов данных, становится возможным выделить в непрерывной последовательности данных начало пакета данных, а также отделить данные, относящиеся к разным датчикам внутри пакета друг от друга. Физически биты синхросигналов и биты данных должны иметь длительность как показано на фиг. 1 внизу. Слово данных, закодированное в Манчестер-2, показано на фиг. 2.

Фактически при формировании сигнала в коде Манчестер-2 образуются импульсы четырех различных длительностей. Импульсы минимальной длительности образуются при передаче друг за другом одинаковых битов, то есть нулей или единиц. Импульсы удвоенной длительности образуются при соседстве двух разных битов. Для синхронизации используется импульс утроенной длительности. Четвертая длительность импульсов получается, если после "синхросигнала данных" передается «единичный» бит или если после синхросигнала "команд или ответов" передается нулевой бит.

Недостатки передачи данных по геофизическому кабелю кодом Манчестер-2 обусловлены именно наличием нескольких частот в спектре сигнала телеметрии. При прохождении сигнала по линии связи он испытывает затухание, т.е. амплитуда сигнала на входе приемника не соответствует (меньше) амплитуде сигнала на выходе передатчика. Причем затухание сигнала для различных составляющих в спектре сигнала различается. Происходит относительное увеличение низкочастотных составляющих спектра сигнала вследствие их меньшего затухания в геофизическом кабеле. Таким образом, чем больше частот в спектре сигнала телеметрии, тем сильнее искажается сигнал по амплитуде при прохождении по геофизическому кабелю. Дополнительно следует отметить, что при использовании "полуторной" длительности сихросигналов возникает трудность распознавания телеметрии приемником (после искажения сигнала при прохождении через геофизический кабель трудно отличить синхросигнал от перехода битов данных 1,0 или 0,1).

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ передачи информации по каротажному кабелю фазоманипулированным кодом Манчестер. Каждый бит информации кодируется прямым и инверсным значением - логическому нулю соответствует переход на верхний уровень в центре битового интервала, логической единице - переход на нижний уровень, т.е. кодирование осуществляется по переходу сигнала из одного уровня ("0" или "1") в другой. Причем между пакетами данных необходима пауза для гарантированного выделения начала передачи пакета (см. Шевкопляс Б.В., Микропроцессорные структуры, Инженерные решения, М.: "Радио и связь", 1986, с. 93-97, рис. 6. 2в). К основным достоинствам этого кода относятся: простота формирования, самосинхронизация данных в каждом кодовом интервале, отсутствие постоянной составляющей в спектре, благодаря чему гальваническая развязка сигналов выполняется простейшими способами, например с помощью импульсных трансформаторов. К достоинствам также необходимо отнести наличие только двух уровней напряжения в выходном сигнале. (Двухуровневые сигналы менее критичны к наличию в каротажном кабеле отраженных сигналов и сигналов помехи).

Недостатком данного способа является то, что при передаче данных кодом Манчестер (с паузами между пакетами данных) по геофизическому кабелю с большой распределенной емкостью в начале пакета данных возникает переходный процесс, осложняющий синхронизацию и прием первых битов пакета данных.

Задачей изобретения является создание помехоустойчивого способа передачи информации с помощью двухчастотного двухуровневого непрерывного сигнала.

Технический результат заключается в повышении помехоустойчивости.

Поставленная задача решается тем, что в способе передачи информации, включающем передачу массива информации в виде пакетов, состоящих из слов данных, где каждый бит в каждом слове данных закодирован прямым и инверсным значением, согласно решению передача массива информации идет непрерывно в виде симметричного относительно нулевого уровня периодического непрерывного двухчастотного двухуровневого сигнала, при этом для разделения пакетов данных используют логический маркер, состоящий из битов, физически не отличающихся от остальных битов пакета.

Если слово данных имеет длину N бит, то в конце каждого слова дополнительно передают бит единицы, а в качестве маркера начала пакета используют последовательность из N+1 нулей.

Если слово данных имеет длину N бит, то в конце каждого слова пакета дополнительно передают бит нуля, а в качестве маркера начала пакета используют последовательность из N+1 единиц.

Если слово данных имеет длину N бит, то в конце каждого слова дополнительно передают n бит единиц, а в качестве маркера начала пакета используют последовательность из N+n нулей.

Если слово данных имеет длину N бит, то в конце каждого слова пакета дополнительно передают n бит нулей, а в качестве маркера начала пакета используют последовательность из N+n единиц.

Изобретение поясняется чертежами:

на фиг. 1 - изображены временные характеристики кода Манчестер-2.

на фиг. 2 - показан пример кода Манчестер-2.

на фиг. 3 - изображены временные характеристики сигнала и пример кода скважинного прибора "Кедр-38К".

на фиг. 4 - показан пример схемной реализации передатчика скважинного прибора "Кедр-38К".

Заявленный способ реализуется следующим способом.

Весь массив информации, подлежащий передаче, представляют в виде пакетов, состоящих из слов данных. Каждый бит в каждом слове данных кодируется прямым и инверсным значением - логическому нулю соответствует переход на верхний уровень в центре битового интервала, логической единице - переход на нижний уровень, т.е. кодирование осуществляется по переходу сигнала из одного уровня ("0" или "1") в другой. Если слово данных имеет длину N бит, то в конце каждого слова дополнительно передается бит единицы, а в качестве маркера начала пакета используется последовательность из N+1 нулей. Такая последовательность битов не может встретиться в информационном слове, таким образом прием N+1 нулей подряд означает, что далее следует первое слово информационного пакета.

Другой вариант реализации заявленного способа передачи данных

Весь массив информации, подлежащий передаче, представляют в виде пакетов, состоящих из слов данных. Каждый бит в каждом слове данных кодируется прямым и инверсным значением - логическому нулю соответствует переход на верхний уровень в центре битового интервала, логической единице - переход на нижний уровень, т.е. кодирование осуществляется по переходу сигнала из одного уровня ("0" или "1") в другой. Если слово данных имеет длину N бит, то в конце каждого слова дополнительно передается бит нуля, а в качестве маркера начала пакета используется последовательность из N+1 единиц. Такая последовательность битов не может встретиться в информационном слове, таким образом прием N+1 единиц подряд означает, что далее следует первое слово информационного пакета.

Заявляемый способ обладает новизной в сравнении с прототипом, отличаясь от него такими существенными признаками, как отсутствие пауз между пакетами данных, отсутствием синхросигналов в потоке данных, физически отличных (по длительности импульсов, или частоте импульсов) от импульсов, с помощью которых закодированы биты данных. Наличием в сигнале телеметрии логического маркера начала пакета данных.

Заявителю неизвестны технические решения, обладающие указанными отличительными признаками, обеспечивающими в совокупности достижение заданного результата, поэтому он считает, что заявляемый способ соответствует критерию "изобретательский уровень".

Описанный способ передачи информации был применен в скважинном малогабаритном комплексном приборе контроля за разработкой "Кедр-38К".

Прибор скважинный комплексный модульный "Кедр-38К" предназначен для комплексных геофизических исследований нефтедобывающих, нагнетательных и других скважин. Рассчитан на работу с одножильным геофизическим кабелем длиной до 5500 м.

Для расширения круга решаемых геофизических задач прибор имеет гибкую модульную структуру, в зависимости от решаемых задач набирается состав прибора из модулей с нужными датчиками.

Далее приводится описание базового модуля "Кедр-М-ГКТ-38К", входящего в состав прибора "Кедр-38К", так как именно этот модуль подключается к геофизическому каротажному кабелю. К модулю "Кедр-М-ГКТ-38К" подключаются дополнительные модули, входящие в прибор "Кедр-38К".

Модуль "Кедр-М-ГКТ-38К" (далее модуль) предназначен для исследования нефтедобывающих, нагнетательных и других скважин с целью измерения, индикации, контроля и передачи на поверхность следующих физических параметров:

измерение температуры (канал скважинного термоиндикатора притока (далее СТИ) при выключенном нагревателе СТИ);

индикация скорости движения скважинной жидкости (канал СТИ при включенном нагревателе СТИ);

измерение давления;

измерение мощности экспозиционной дозы гамма-излучения горных пород по стволу скважины (канал ГК);

индикация объемного влагосодержания скважинного флюида (канал влагомера);

индикация муфтовых соединений обсадных труб и интервалов перфорации (канал локатора муфт).

При одновременной работе в скважине с дополнительными модулями, входящими в прибор "Кедр-38К", модуль "Кедр-М-ГКТ-38К" обеспечивает подачу питания на дополнительные модули и передачу информации от дополнительных модулей на дневную поверхность.

Модуль работает с аппаратурой наземной геофизической лабораторией семейства "Кедр-02" и каротажным подъемником типа ПКС-5, оборудованным одножильным геофизическим кабелем типа КГ1-55-180 длиной до 5500 м или любого другого аналогичного кабеля.

Через головку модуля осуществляется механическая и электрическая связь модуля с геофизическим кабелем. Электронная схема модуля осуществляет сбор информации с собственных датчиков модуля, питание дополнительных модулей и сбор информации от них, преобразование полученных данных и передачу их на дневную поверхность, используя заявляемый способ передачи информации.

Электронная схема прибора запитывается постоянным напряжением 110 В, при этом максимальный потребляемый ток (подключены все модули) не более 400 мА. При работе прибор модулирует напряжение питания импульсами напряжения амплитудой 2,4...2,6 В. Для кодирования информации применяется фазоманипулированный код с несущей частотой 16 кГц.

Далее приведено описание структуры пакетов данных, которые модуль передает через геофизический кабель на дневную поверхность.

Слово данных состоит из следующих полей:

D15 D14 D13 D12 D11 D10 D9 D8 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 P F

где D15....D0 - биты данных, D15 - старший бит, P - бит четности, он принимает такое значение, чтобы общее количество единичных битов в слове было нечетным, F - флаг конца слова, равен 1.

Флаг начала пакета (FP) представляет собой слово данных, в котором биты D15....D0, P и F равны нулю.

Пакет данных состоит из следующих полей:

FP Wcc W0 W1 W2 ... W255 Wks

где FP - флаг начала пакета, Wcc - слово состояния, W0....W255 - слова данных. В самом коротком пакете 1 слово данных, в самом длинном пакете 256 слов данных, Wks - контрольная сумма - исключающее XOR всех байт пакета, начиная со слова состояния.

Слово состояния состоит из следующих полей:

A3...A0 C3...C0 L8...L0

где A3...A0 - адрес модуля, у модуля, подключенного непосредственно к кабелю, адрес равен нулю, С3...С0 - слово состояния модуля (TC), L7.....L0 - длина пакета в словах данных, не включая 3 служебных слова, которые есть всегда: FP (флаг начала пакета), Wcc (слово состояния), Wks (контрольная сумма). ВНИМАНИЕ! Если длина пакета равна нулю, то это означает, что пакет содержит 256 слов данных.

Список значений Слова Состояния (СС)

Код СС Описание 0 Недействительные данные - модуль не ответил 1 Режим выдачи данных, СТД выключен 2 Режим выдачи системной части флэш 3 Режим выдачи калибровочных коэффициентов из флэш (изменяемая часть) 4 Режим ПИЛА ГК … … 9 Режим выдачи данных, СТД включен

Физически передатчик модуля реализован ниже показанным способом.

К контакту 1 подключается геофизический кабель, по которому на скважинный прибор подается питание электронной схемы, и по которому сигнал скважинной телеметрии передается на дневную поверхность. К контакту 5 подключается источник питания схемы. Контакты 2, 3, 4 подключаются непосредственно к выводам управляющего микроконтроллера схемы. На транзисторе V3 собрана виртуальная индуктивность (элементы схемы V3, V1, R4, C6 можно заменить дросселем), исключающая шунтирование сигнала телеметрии источником питания электронной схемы.

С помощью выше приведенного приемопередатчика и заявляемого способа передачи данных организован прием команд модулем от аппаратуры, находящейся на дневной поверхности (первые 2 секунды после подачи питания на модуль), а также передача данных от модуля на дневную поверхность в рабочем режиме.

Изобретение относится к области геофизических и геолого-технологических исследований скважин, в частности к способам передачи сигналов измерения из скважины на поверхность или между модулями станции геолого-технологического контроля, и может быть использовано для организации связи по кабельным, оптоволоконным и беспроводным каналам связи, а также при записи информации на цифровые носители. Технический результат заключается в повышении помехоустойчивости. Для этого в способе передачи информации, включающем передачу массива информации в виде пакетов, состоящих из слов данных, где каждый бит в каждом слове данных закодирован прямым и инверсным значением, согласно решению передача массива информации идет непрерывно в виде симметричного относительно нулевого уровня периодического непрерывного двухчастотного двухуровневого сигнала, при этом для разделения пакетов данных используют логический маркер, состоящий из битов, физически не отличающихся от остальных битов пакета. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ передачи информации, включающий передачу массива информации в виде пакетов, состоящих из слов данных, где каждый бит в каждом слове данных закодирован прямым и инверсным значением, отличающийся тем, что передача массива информации идет непрерывно в виде симметричного относительно нулевого уровня периодического непрерывного двухчастотного двухуровневого сигнала, при этом для разделения пакетов данных используют логический маркер, состоящий из битов, физически не отличающихся от остальных битов пакета.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что если слово данных имеет длину N бит, то в конце каждого слова дополнительно передают бит единицы, а в качестве маркера начала пакета используют последовательность из N+1 нулей.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что если слово данных имеет длину N бит, то в конце каждого слова пакета дополнительно передают бит нуля, а в качестве маркера начала пакета используют последовательность из N+1 единиц.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что если слово данных имеет длину N бит, то в конце каждого слова дополнительно передают n бит единиц, а в качестве маркера начала пакета используют последовательность из N+n нулей.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что если слово данных имеет длину N бит, то в конце каждого слова пакета дополнительно передают n бит нулей, а в качестве маркера начала пакета используют последовательность из N+n единиц.