基于电力线载波通信的油井通信系统

摘要 油田采油过程中常常需要对井下温度和压力等参数进行实时监测，以充分了解井下信息。文中就此问题提出了一种井下数据传输方案，该系统的核心是采用SSC P485扩频通信芯片，结合SSC P111放大芯片，利用电力线载波通信技术，通过油井中的电力线实现数据传输。实验证明，该方案便于监测人员对数据的采集和及时了解井下情况。
关键词 电力线载波；扩频通信；SSC P485

    在石油资源勘探和开采过程中，探明油层的地质结构、测试油井的工作状态对保持资源的可持续利用有着重要的意义。测井系统在这些工作中有着重要的作用，其中一项重要的功能就是信息采集，即将井下信息采集完成，传输到井上以供分析。针对下潜泵式的抽油井，可以利用泵的供电电缆，设计一个基于电力线载波的远程监控系统，用以实现远程数据的采集和传输，同时将接收终端接收到的数据及时传递给计算机，以便监测人员对参数进行查询，及时了解井下情况。
    实现低压电力线通信的技术难点之一是解决噪声干扰问题，由于低压电力网上的负载千变万化，同时由于用户用电的随机性，导致网络负载处在不停的变化之中，具有较大的时变性，而且它们还会因地点的变化而变化，因此网络干扰严重。另外电力线信道还具有复杂的噪声，包活背景噪声、突发性噪声、非同步噪声、同步噪声等。另一方面是电力线上存在固有的工频噪声，即100 Hz噪声干扰，而且其幅值比背景噪声大许多。所以低压电力线载波通信的主要问题是如何解决电力线信道的噪声对信号传输的干扰，因此该系统采用扩频通信芯片SSC P485利用chirp扩频通信技术实现信号的收发，针对高频噪声，设计了一个带通滤波器滤除带外噪声。另外，还设计了一个电容耦合与电感耦合相结合的耦合电路，用以从工频噪声中分离出扩频信号。在实验室用1 200 m的电力线实现了数据的成功传输，试验结果较为理想，证明了扩频通信能有效解决电力线上的噪声和干扰问题。

1 SSC技术
1．1 CEBus简介
    CEBus(Consumer Electrics Bus，消费电子总线)是EIA位消费电子产品制定的一种通信和产品互操作性的标准，该标准定义了在家用电器之间通信所使用的通信介质和协议，使得遵循同样标准的家用电器设备可以即插即用，并能共同工作，实现家庭自动化，CEBus采用了简化的OSI模型，分为物理层、数据链路层、网络层和应用层。CEBus的物理层使用了5种不同的媒介：电力线、双绞线、同轴电缆、射频广播和红外线。CEBus是一个完全面向报文分组的对等网络，使用载波侦听多重访问和冲突检测与冲突分辨协议。目前，电力线是CEBus中使用最广泛的介质。CEBus定义了一种“公共应用语言”(Common Application Language，CAL)来实现网络设备的通讯。
1．2 CEBus的物理层通讯
    电力线最初设计是用作提供电力，而不是用作进行数据通信。因而要用电力线进行通信就要面临高噪声、高衰减和可变阻抗等造成的信号失真。鉴于家庭中电力线载波通讯的特殊性，CEBus在以电力线作为物理层的传输介质时，采用扩频载波(Spectrum Spread carrier)通讯来实现控制流。扩频载波通信就是用带宽远大于发送信息所需最小频带宽度的信号传输数据。依据是信息论和抗干扰性理论，即香农公式。香农关于噪声信道的主要结论是：任何带宽为WHz，信噪比为S／N的信道，其最大传输速率
   

    式(1)中，C为最大传输速率；N为噪声功率；W为带宽；S为信号功率。公式表明，在高斯通道中当传输系统的信号噪声功率比S／N下降时，可用增加系统传输带宽W保持信道容量C不变。对于任意给定的信号噪声功率比，可用增大传输带宽获得较低的信息差错率。扩频通信技术正是利用这一理论，用高速的扩频码扩展要传输的数字信息的带宽。扩频通信系统的带宽比常规的通信体制大几百至几千倍。所以在相同的信噪比条件下，扩频通信具有较强的抗噪声干扰能力。CEBus在电力线上有4种编码，分别是：“0”、“1”、“EOF”和“EOP”如表1所示。

1．3 SSC PL信号
    SSC PL信号利用一系列短促、可自同步的扫频Chirps信号作为载体，它代表了最基本的通信符号时间(UST)。它们都是扩频扫描范围为100～400kHz的线性扫频Chirp)信号：总是以200～400 kHz的频率开始，继而以100～200 kHz的频率结束。从203 kHz经过19个周期线性地变为400 kHz，再在1个周期内变为100 kHz，然后在5个周期中变为203 kHz，整个时间长度为100μs，也就是1个UST(Unit Symble Time)，其波形如图1所示。由于Chirps信号的线性扫描带宽比信号带宽要大得多，其线性加速度是较高的，而等幅振荡波干扰的频率加速度一般较稳定，所以，只要将滤波器设计成只能通过具有特定角加速度的信号，就可以将等幅干扰排除在外。另外，此种Chirps波形还具有很强的自相关特性，这种模糊逻辑的相关性决定了所有连接在网络上的设备，可以同时识别从网上任意设备发出的这种独特波形，并且不需要在发送和接收设备间进行同步，从而避免了使用复杂的同步设备，降低了系统成本。

2 系统总体设计
    该系统由井下模块和井上模块组成。井下和井上模块都包含通信单元和数据采集处理单元等，其总体框图如图2所示。

    MCU负责管理整个模块的工作，其功能之一是接收收发芯片输出的数据，同时也为收发芯片提供发送数据，管理收发芯片的工作。其功能之二是控制传感器完成数据采集。MCU同时还提供了系统复位和看门狗功能防止系统死机现象。
    井下和井上数据传输模块之间的数据传输通过电力电缆实现。需要注意电缆的传输特性及其负载，同时进行抗干扰设计。井下数据传输模块完成井下数据的采集、编码和调制，然后通过电力电缆传输到井上，井上数据传输模块接收井下数据，并且完成译码解调和数据计算处理，通过通信口传输到上位机。

3 硬件电路设计
    系统采用Intellon公司的高集成度，专门针对电力线载波通信的扩谱通信收发芯片P485。其内部集成了扩谱载波通信收发器、信号整定电路和简化的处理器接口电路，是一种低成本的网络产品，得到了广泛的应用。
    其主要技术特点如下：
    (1)采用扩谱载波(SSC)通信技术。
    (2)速率9 600 bit·s-1。
    (3)简化的host接口。
    (4)单电源供电。
    (5)20脚SOIC封装。
    其内部逻辑框图如图3所示。

    图4所示为SSC P485电力线载波模块硬件电路图，主要有3部分组成，P485与MCU接口电路、以及P485的发送和接收电路。在发送过程中，收发芯片P485的SO引脚发出的chirps信号经过前置滤波电路滤除高频噪声，在TS三态开关为高时经过功率放大芯片将信号放大后，再通过耦合电路将信号耦合到电力线上发送出去。在接收过程中，通过耦合变压器将电力线传输的扩谱信号分离出来，再经过输入滤波和前置放大器放大到一定电平送给收发芯片。收发芯片对输入信号进行采样、检测、匹配滤波和处理，恢复所传输的数据，并且发送给MCU。

    图5所示的是耦合电路的电路图，主要是由电容和耦合线圈T1构成。由于电网的工频(50 Hz)和本系统扩频信号的信号频率(100～400 kHz)相差2 000倍，因此电容和耦合线圈原边电感对于这两种信号的阻抗各不相同。对于工频信号，电容的阻抗远远大于线圈原边电感的阻抗，所以电容承担了电力线上的交流电压；对于扩频信号，线圈原边电感的阻抗远远大于电容的阻抗，所以扩频信号几乎都加在了耦合线圈上。这个电路能把工频信号与扩频信号叠加和分离开来。D1是瞬态抑制二极管，对电路有防浪涌保护作用。

4 软件设计
    电力线载波通信中要求传输过程中数据的差错率足够低，引起传输差错的原因是信道内存在噪声以及信道特性不理想所造成的码间串扰。虽然可以通过提高通信系统的信噪比以及在通信中采用扩频调制等技术增强抗干扰性能，但要进一步提高系统的可靠性和抗干扰性并减少误码率，就须采用差错控制技术。系统采用(15，7)BCH码可以纠正电力线上的两位随机性错误。
    MCU是数据通信模块的重要单元，它控制通信模块的工作过程，对传感器采集的数据进行组帧和BCH编码、控制通信模块进行数据传送等。
    井下通信模块的MCU程序完成以下主要功能：
    (1)4路传感器模拟信号的数据采集。通过MCU内部集成的ADC采集传感器的数据，每个传感器每秒采集一次，采集10次进行平均，将平均值每分钟发送一次。
    (2)对数据进行组包，数据包中包括同步头，传感器1～4的采样数据平均值。
    (3)对发送数据进行纠错编码。
    (4)向通信模块传送数据。
    (5)控制通信模块的SSC P485和系统的工作。
    井下通信模块工作流程如图6所示。

    井上通信模块的MCU程序完成以下主要功能：
    (1)接收数据包，对接收进行解码，恢复各传感器数据。
    (2)对井上传感器模拟信号的数据采集。通过MCU内部集成的ADC采集传感器的数据，每秒采集一次，采集10次进行平均，将平均值记录。
    (3)对井下和井上传感器的采集数据井下数据处理计算，将压力和温度转换为液面高度并且进行记录。
    (4)将液面高度和井下传感器状态数据打包，传送到上位机。
    (5)控制通信模块的SSC P485和系统的工作。
    井上通信模块工作流程如图7所示。

5 结束语
    系统成功解决了电力线信道上的噪声和干扰问题，在实验室环境下的通信距离为1 200 m，利用纠错编码技术实现了较低误码率的数据传输。如果要在实际工程上应用，还需要做进～步完善，如传输距离、抗干扰性以及稳定性。