Увеличение скорости передачи данных по геофизическому кабелю для скважинной аппаратуры сканирующего типа

Размещено на http://www.allbest.ru/

Увеличение скорости передачи данных по геофизическому кабелю для скважинной аппаратуры сканирующего типа

Мантров Александр Владимирович, научный сотрудник

В данной статье говорится про увеличение скорости передачи данных по геофизическому кабелю для скважинной аппаратуры сканирующего типа.

В современной скважинной геофизической аппаратуре для передачи информации с датчиков прибора применяется цифровая телеметрия. Она имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с аналоговой. Передача информации в цифровой форме обеспечивает высокую помехоустойчивость, возможность более полного использования пропускной способности каналов, стабильность параметров передачи, позволяет на одном кабеле объединять в связки несколько приборов, чтобы одновременно выполнять ими каротаж.

В течение последних десяти лет в ОАО НПФ «Геофизика» в аппаратуре, требующей точных измерений, применяется цифровая телеметрия, разработанная на основе биполярного фазоманипулированного кода без возврата к нулю «Манчестер-2» с форматом сообщений близким к стандарту MIL-STD-1553B (ГОСТ 26765.52-87). Выбор данного стандарта был продиктован наличием достаточной отечественной элементной базы, позволяющей просто организовать передачу цифровой информации из скважинного прибора в регистрирующую наземную аппаратуру [1].

Согласно ГОСТ 26765.52-87 скважинный прибор и наземная регистрирующая аппаратура обмениваются между собой сообщениями в виде одного или нескольких 16 битных слов, которые разделены на: слово данных, командное слово и ответное слово [2]. Выбор типа слова осуществляется специальным синхросигналом шириной в три информационных бита, после синхросигнала следуют 16 бит информации, начиная со старшего, последним должен следовать бит четности, дополняющий число единиц в слове до нечетного числа. Таким образом, для передачи 16 бит информации по каналу связи необходимо передать сигнал в коде «Манчестер-2» длинной в 20 бит. Кроме того, стандартом [3] установлено, что слова данных необходимо отправлять только вслед за командным или ответным словом, которые определяют адрес назначения пакета данных, количество следующих за ними слов данных и другую информацию. Типичный обмен выглядит следующим образом. Одно устройство посылает командное слово (КС) с адресом другого устройства, запрашивая какую-то информацию, отвечающее устройство может ответить либо лишь одним ответным словом (ОС), которое сообщает, например, об ошибке, либо ответным слово и пачкой слов данных (СД). Слова данных могут следовать как за ответным словом, так и за командным словом. Максимальный размер пачки устанавливается равным 32 слова.

Линией связи между скважинным прибором и наземным регистратором является геофизический грузонесущий кабель промышленной длины до 7 км [4], подключение к которому осуществляется либо прямым сопряжением, либо трансформаторным. При этом коэффициент затухания сигнала в кабеле [5] на пи юге 30 кГц составляет от 2 до 7 дБ/км, а на частоте 100 кГц - от 4 до 13 дБ/км, что лимитирует максимальную скорость передачи в коде «Манчестер-2». Разработанная в ОАО НПФ «Геофизика» аппаратура обменивается по 3-х жильному кабелю со скоростью до 41666 бит/с. Если позволяет поток данных от прибора, то битовая скорость передачи может быть понижена, чтобы и пылить затухание уровня сигнала в кабеле и, тем самым, снизить требования к передатчику в приборе и увеличить надежность передачи данных. Однако сканирующие методы исследования скважин, например скважинный акустический телевизор (CAT), требуют, чтобы большой объем данных был передан из прибора без ошибок и потерь фрагментов данных. Последняя разработка CAT - аппаратура САТ-4М передает данные с помощью цифровой телеметрии, при этом требуемая скорость передачи данных из прибора в наземную аппаратуру регистрации CAT превышает имеющиеся возможности телеметрии на основе кода «Манчестер-2», однако это ведет к пропуску каждой третьей строки сканирования скважины. Поэтому были проведены исследования возможности увеличения пропускной способности канала передачи - геофизического кабеля. кабель цифровой телеметрия геофизический

В приборах САТ-4М данные содержат информацию о сканировании поверхности скважины - это амплитуда отраженного сигнала и время от зондирующего до отраженного сигнала. Информация организована построчно, по 256 точек данных в строке, хотя может быть как больше, так и меньше, в зависимости от скорости вращения сканирующей головки прибора. В приборах САТ-4М она составляет 8 оборотов в секунду. Информация с одной точки упаковывается в 16 битное слово данных, а весь массив точек разбивается на несколько пакетов по 30 слов. Каждый пакет предваряется ответным словом, а завершается словом с номером пакета в строке данных и контрольной суммой[6,7].

Позволяющий определить правильность передачи всей пачки данных по каналу связи. Чтобы передавать данные по каждой отсканированной строке из 256 точек необходима чистая скорость передачи данных не менее 256*16*8=32768 бит/с учитывая формат сообщений, надо передать 274 слова слова по 16 бит 8 раз в секунду, что составляет 274*16*8 = 35072бит/с необходимой чистой скорости передачи по каналу связи.

Как уже было отмечено выше, основное ограничение на скорость передачи накладывает ширина полосы пропускания сигнала. Выбранная скорость передачи 41666 бит/с позволяет работать аппаратуре САТ-4М на кабеле длиной до 7 км. Дополнительное уменьшение скорости передачи данных связано с форматом сообщений, которыми обмениваются скважинный прибор и наземная аппаратура. На каждые 16 бит информации передается дополнительно 4 служебных бита (синхросигнала и бит четности), т.е. скорость передачи понижается на 20%[8].

Остальные факторы, уменьшающие реальную скорость передачи данных, уже не связаны с форматом сообщения, а определяются аппаратными ограничениями схем скважинного прибора и наземной части. Схемы упрощенно состоят из следующих компонент: схема приемопередатчика, микросхема адаптера мультиплексного канала 588ВГ6 [9] и управляющего микроконтроллера. Последний, кроме своей основной задачи в скважинном приборе или в наземной аппаратуре, ещё выполняет обработку сообщений канала связи. Из-за конечного быстродействия микроконтроллера его реакция на командные и ответные слова, а так же на слова данных из канала связи не мгновенна, поэтому эта часть времени по каналу связи вообще ничего не передается. Пауза в канале образуется между командным словом наземной части и ответным словом прибора, а также между последним словом данных прибора и следующим командным словом наземной части, т.к. в этом время микроконтроллеры заняты соответственно подготовкой к передаче данных или приемом и проверкой принятых данных. Небольшая пауза в передаче получается также между каждым словом данных, она соответствует времени передачи половины бита[5]. В современной аппаратуре САТ-4М время неиспользования канала связи составляет в целом порядка 10%, приблизительно поровну на оба аппаратных фактора.

Таким образом, реальная скорость передачи ниже чистой пропускной способности канала примерно на 30 % и составляет лишь примерно 29000 бит/с. Следовательно, для увеличения скорости передачи информации по кабелю необходимо увеличивать битовую скорость в канале, уменьшать время неисльзования канала и количество служебной информации.

Обозначим время цикла передачи одного бита информации Т, а f - частоту. Сигнал кода «Манчестер-2» [10] характеризуется широким спектром (рис.1), который занимает практически всю доступную частотную полосу пропускания канала связи. Уменьшение времени передачи одного бита приведет к сдвигу спектра сигнала в область более высоких частот, где он будет сильнее затухать, что увеличит вероятность ошибки при передаче данных по кабелю. С другой стороны, существует другой способ линейного кодирования код Миллера. В отличие от кода «Манчестер-2», в котором при передаче бита 0 или I сигнал меняет свою полярность в середине бита, в коде Миллера изменение полярности в середине бита выполняется только для единицы.

Рисунок 1 Спектр сигнала кода «Манчестер-2»

Нули передаются изменением полярности между нулевыми битами, а при передаче единицы после нуля между битами изменения полярности сигнала не происходит. Благодаря такой корреляции между соседними символами средняя длительность положительных и отрицательных импульсов несколько больше длительности самого символа. Это определяет хорошие спектральные свойства кода Миллера [10], спектр которого (рис. 2) практически в 2 раза уже при той же скорости передачи информации, однако имеет, в общем случае, небольшую постоянную составляющую. Таким образом, если просто перейти на код Миллера можно повысить битовую скорость передачи в два раза при сохранении спектра сигнала в той же области, что и для кода «Манчестер-2», а значит с тем же затуханием сигнала в кабеле.

Рисунок 2 Спектр сигнала кода Миллера

Кроме более сложного способа кодирования, проблема в коде Миллера - это постоянная составляющая. Она возникает лишь при передаче некоторой определенной последовательности бит и отсутствует при других. Например, при передаче двоичной последовательности 0000 или 1111, её нет вовсе, однако при передаче последовательности 0110 она максимальна. Чтобы свести к нулю постоянную составляющую можно применить групповое перекодирование информации. Оно заключается в том, что N бит данных, имеющих какой-то недостаток, представляются с помощью М бит, лишенных этого недостатка, где М > N. Как отмечено выше, некоторые последовательности бит закодированные кодом Миллера не имеют постоянной составляющей, поэтому можно перекодировать более короткую последовательность бит в более длинную и избавиться от постоянной составляющей в коде Миллера.

В табл. 1 перечислены некоторые варианты перекодирования, а также коэффициент замедления передачи, который постепенно уменьшается по мере увеличения длины N перекодируемой последовательности.

Таблица 1

Перекодирование группы бит

На рис. 3 приведен пример сигнала в результате кодирования последовательности нулей и единиц дающей максимальную постоянную > оставляющую в коде Миллера: 011011011011, повторенную несколько раз в виде шестнадцатеричного числа её можно представить так 6DB6 DB6D B6DB 6DB6.

Рис. З Форма сигналов при передаче шестнадцатеричной последовательности 6DB6DB6DB6DB6DB6различными линейными кодами

На рис. 4 представлены спектры этой последовательности для кода Миллера, кода «Манчестер-2» и кода Миллера с групповой перекодировкой 2/3. Из рис.4 следует, что групповая перекодировка позволила избавиться от постоянной составляющей, и спектр сигнала стал похож на спектр кода «Манчестер-2», только он уже. Однако такая кодировка замедлила скорость передачи упомянутого сигнала в полтора раза по сравнению с исходным кодом Миллера, но в тоже время сами биты передаются на 25% быстрее, чем кодом «Манчестер-2».

Рис. 4 Спектр сигналов, показанных на рис. 3

В табл. 1 особый интерес представляет строка с М=10 и N=8, так как в этом случае обеспечивается незначительное замедление скорости кода Миллера и не требуется больших аппаратных затрат на реализацию алгоритма перекодирования в микроконтроллерах.

Кроме изменения способа линейного кодирования для ускорения передачи данных необходимо уменьшить число неинформативных бит в пакете данных, для этого надо отказаться от парадигмы командных и ответных слов со словами данных, а рассматривать передачу по каналу некоторого кадра данных. Этот кадр данных должен содержать синхросигнал, который не может повторяться в информационных битах, например, два периода Т высокий уровень, затем два периода - противоположный уровень сигнала. Сам кадр должен содержать информацию о длине кадра, контрольную суммы, адрес источника данных, адрес назначения и информационные данные. Длина кадра должна быть характерной для длины пакета данных из прибора, например 32 16-битных слова. При таком подходе издержки на служебные биты составят не 20%, а только 4/(32*16)*100%=0,7%. Так как код Миллера является самомосинхронизирующемся, как и код «Манчестр-2», то остается поддержка синхронизации битов в кадре.

Для реализации линейного код Миллера с групповой перекодировкой N/M и кадровым форматом сообщений необходимо заменить только адаптер канала 588ВГ6 на современный микроконтроллер, связанный по последовательному интерфейсу с основным микроконтроллером прибора. Остальная схема приемопередатчика остается неизменной.

Таким образом, описанный выше подход позволяет ускорить реальную скорость передачи на 20 % за счет уменьшения передаваемой служебной информации. Ускорение ещё на 25% достигается за счет перехода на линейное кодирование кодом Миллера и групповым перекодированием 2/3, Тем самым удается повысить фактическую битовую скорость передачи больше значения 41666 бит/с, т.е. выше требуемого для САТ-4М значения.

Кроме описанного выше способа увеличения битовой скорости передачи теоретически существует и другой поход, который заключается в разработке специального модема для геофизического грузонесущего кабеля с использованием микросхем цифрового сигнального процессора, АПЦ и ЦАП, и переработанной схемы подключения к кабелю. Практически такой подход может дать значительное увеличение скорости передачи данных, как это можно наблюдать в модемах для телефонных каналов связи. Однако сложность схемы реализующей такой специальный модем, а также сложность программного обеспечения для цифрового сигнального процессора значительно выше чем в предложенном подходе. Поэтому, когда не требуются значительное увеличение скорости передачи по кабелю, предложенный в статье подход, в основе которого переход к коду Миллера и формату сообщений в виде кадра, представляется более простым и поэтому оптимальным.

Выводы

1. вследствие наличия служебных бит в каждом слове и пауз между командным и ответными словами получается, что фактическая скорость передачи информации по каналу меньше на 30%, чем битовая скорость, даваемая адаптером канала и приемопередатчиком кода «Манчестер-2»;

2. код Миллера позволяет передавать данные с двукратным увеличением битовой скорости при той же спектральной ширине сигнала, по сравнению с кодом «Манчестер-2»;

3. групповое перекодирование позволяет ликвидировать постоянную составляющую спектра сигнала кода Миллера;

4. переход к передаче данных в виде кадра с минимальным количеством служебной информации дополнительно ускоряет фактическую передачу данных на 20%;

5. предложено схемотехническое решение для ускорения передачи данных: замена адаптера канала без изменения существующей структуры схемы приемопередатчика.

Список литературы

1. Румянцев Д.Р., Демехов Ю.В., Перелыгин В.Т., Талалай А.Г. УСТРОЙСТВО КАРОТАЖА УРАНОВЫХ РУД //патент на полезную модель RUS 71003 30.08.2007

2. Давыдов Ю.Б., Демехов Ю.В., Машкин А.И., Перелыгин В.Т., Румянцев Д.Р., Талалай А.Г. КАРОТАЖ НЕЙТРОНОВ ДЕЛЕНИЯ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ УРАНА В СКВАЖИНАХ НА ГИДРОГЕННЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЯХ, ОТРАБАТЫВАЕМЫХ СПОСОБОМ ПОДЗЕМНОГО ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ //Известия высших учебных заведений. Горный журнал. 2010. № 3. С. 106-113.

3. Valiullin R.A., Ramazanov A.Sh., Pimenov V.P., Sharafutdinov R.F., Sadretdinov A.A. QUALITATIVE AND QUANTITATIVE INTERPRETATION: THE STATE OF THE ART IN TEMPERATURE LOGGING //В сборнике: North Africa Technical Conference and Exhibition 2010, NATC 2010 - Energy Management in a Challenging Economy Cairo, 2010. С. 747-769.

4. Валиуллин Р.А., Шарафутдинов Р.Ф., Рамазанов А.Ш., Дрягин В.В., Адиев Я.Р., Шилов А.А. СПОСОБ АКТИВНОЙ ТЕРМОМЕТРИИ ДЕЙСТВУЮЩИХ СКВАЖИН (ВАРИАНТЫ) //патент на изобретение RUS 2194160 22.01.2001

5. Valiullin R.A., Sharafutdinov R.F., Yarullin R.K., Fedotov V.Ya. STUDIES OF MULTI-PHASE FLOWS IN HORIZONTAL WELLS //Нефтяное хозяйство. 2002. № 12. С. 55.

6. Valiullin R.A., Ramazanov A.Sh., Sharafutdinov R.F. BAROTHERMAL EFFECT IN THREE-PHASE FLOW THROUGH A POROUS MEDIUM WITH PHASE TRANSITIONS //Fluid Dynamics. 1994. Т. 29. № 6. С. 834.

7. Валиуллин Р.А., Рамазанов А.Ш., Шарафутдинов Р.Ф. БАРОТЕРМИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ ПРИ ТРЕХФАЗНОЙ ФИЛЬТРАЦИИ С ФАЗОВЫМИ ПЕРЕХОДАМИ //Известия Российской академии наук. Механика жидкости и газа. 1994. № 6. С. 113.

8. Рамазанов А.Ш. ИССЛЕДОВАНИЕ АЛГОРИТМОВ ОБРАБОТКИ КРИВЫХ ПРИТОКА МАЛОДЕБИТНЫХ СКВАЖИН //Каротажник. 2000. № 74.

9. Коровин В.М., Лобанков В.М., Миллер А.В., Миллер А.А., Сулейманов А.А., Барышев В.И., Соломина И.Л., Шаисламова Г.Г. ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РАБОТЫ В СКВАЖИНАХ // В 7 томах / Уфа, 2010. Том 4 Контроль технического состояния скважин.

10. Валеев Г.З., Коровин В.М., Адиев Р.Я., Барышев В.И. СИСТЕМНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ СКВАЖИН В СВЕТЕ ДОСТИЖЕНИЙ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ // Каротажник. 2009. № 7. С. 44-50.

Размещено на Allbest.ru