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前言 在閉環(huán)鉆井系統(tǒng)中，要求實時地把井下的信息傳遞到地面，以實施人工監(jiān)控。通常情況下該任務(wù)由MWD中泥漿壓力脈沖發(fā)生器來完成。當(dāng)使用井下動力鉆具組合時，近鉆頭傳感器和 MWD被動力鉆具隔開。傳感器無法用線纜與MWD連接，因此要把傳感器的信息傳送給MWD只能通過無線通信的方法。 本文設(shè)計了由 C8051F0606單片機(jī)和nRF905無線射頻器收發(fā)組成的一種無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的方案。該系統(tǒng)由發(fā)射和接收模塊組成，發(fā)射模塊主要將要發(fā)送的數(shù)據(jù)經(jīng)單片機(jī)處理后，通過nRF905發(fā)送出去；在接收模塊中，nRF905則將數(shù)據(jù)正確接收后通過上位機(jī)界面顯示出來，從而實現(xiàn)短距離井下的無線通信。 無線收發(fā)系統(tǒng)硬件設(shè)計 nRF905模塊簡介 nRF905是Nordic VLSI公司推出的單片射頻收發(fā)器，工作電壓為1.9 V~3.6 V，工作于433MHz、868MHz、915MHz 3個ISM頻段，頻道轉(zhuǎn)換時間小于650μs，最大數(shù)據(jù)速率為100 kbit/s。nRF905由頻率合成器、接收解調(diào)器、功率放大器、晶體振蕩器和GFSK調(diào)制器組成。 nRF905 模塊的高頻頭用戶接口電路管腳圖如圖1所示。 
圖1 nRF905模塊的高頻頭用戶接口電路管腳 nRF905模塊具有兩種工作模式和兩種節(jié)電模式。工作模式包括：ShockBurst 接收模式和ShockBurst 發(fā)射模式；節(jié)電模式包括：掉電與 SPI 編程模式、待機(jī)與SPI編程模式。 系統(tǒng)硬件設(shè)計 本無線收發(fā)電路主要由C8051F060單片機(jī)和無線射頻芯片 nRF905組成。系統(tǒng)方框圖如圖2所示。
圖2 無線收發(fā)電路系統(tǒng)組成框圖 C8051F350是Silabs 公司的一款精確混合信號單片機(jī)，片內(nèi)有8通道16bit的S-D型ADC、128倍PGA、電流型DAC以及VREF等模擬外設(shè)，可以方便地與溫度壓力等傳感器直接連接。使用電流型DAC對傳感器進(jìn)行激勵，傳感器的輸出信號經(jīng)片內(nèi)128倍PGA放大后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，無需額外的信號調(diào)理電路。片內(nèi)8K FLASH，可在線編程和改寫，傳感器的標(biāo)定參數(shù)可以在FLASH中存儲，節(jié)省片外存儲器。圖3為系統(tǒng)硬件電路圖。
圖3 nRF905與MCU的電路原理圖 軟件設(shè)計 本系統(tǒng)中的無線數(shù)據(jù)傳輸主要由無線數(shù)據(jù)收發(fā)器nRF905、C8051F單片機(jī)和顯示部分組成。nRF905收發(fā)器與單片機(jī)之間通過SPI口進(jìn)行通信。因此，軟件設(shè)計過程中的重點是nRF905數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收過程。 nRF905的數(shù)據(jù)發(fā)送過程 發(fā)送數(shù)據(jù)時的工作流程如圖4所示。當(dāng) MCU有遙控數(shù)據(jù)節(jié)點時，接收點的地址 (TX- address) 和有效數(shù)據(jù) (Tx- payload) 將通過SPI接口傳送給nRF905。設(shè)計時應(yīng)使用協(xié)議或MCU來設(shè)置接口速度。可用MCU設(shè)置TRX-CE，并使TX- EN為高電平來激活nRF905的ShockBurst傳輸。通過nRF905的ShockBurst可使無線系統(tǒng)自動上電，并完成數(shù)據(jù)包 (應(yīng)加前導(dǎo)碼和CRC校驗碼) 的數(shù)據(jù)碼發(fā)送。
圖4 發(fā)射數(shù)據(jù)流程 nRF905的數(shù)據(jù)接收過程 當(dāng)系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)時，其接收數(shù)據(jù)流程圖如圖5所示。系統(tǒng)的工作過程如下： 首先，在650μs以后，nRF905將不斷監(jiān)測空中的信息。當(dāng) nRF905發(fā)現(xiàn)有和接收頻率相同的載波時，其載波檢測 (CD) 被置為高電平；此后，當(dāng)nRF905接收到有效地址時，地址匹配 (AM) 被置為高電平；當(dāng)nRF905接收到有效的地址包 (CRC校驗正確) 時，nRF905將去掉前導(dǎo)碼、地址和CRC位，同時將數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒位 (DR)置為高電平，并用MCU設(shè)置TRX- CN為低電平，以進(jìn)入standby模式，從而使MCU能夠以合適的速率通過SPI接口讀出有效的數(shù)據(jù)；當(dāng)所有的數(shù)據(jù)讀出，nRF905將AM和DR設(shè)置為低電平，以便使nRF905準(zhǔn)備進(jìn)入ShockBurst RX、ShockBurst TX或Powerdown模式。
圖5 接收數(shù)據(jù)流程圖 用戶界面的設(shè)計 本軟件采用VB界面設(shè)計。將井下接收到并采集后的數(shù)據(jù)通過單片機(jī)顯示在PC機(jī)上，可以清楚地看到井下的相關(guān)數(shù)據(jù)信息。如圖6所示，是一組井下信息采集后通過無線傳輸?shù)姆绞�，將傳感器輸出的�?shù)據(jù)傳輸?shù)組WD上。 圖6中通道1至通道15分別實測井參數(shù)量化臺階數(shù)轉(zhuǎn)換過后的模擬電壓值，其中包括壓力、溫度、濕度、三軸重力加速度傳感器輸出值（Gx、Gy、Gz）以及翼肋位移等等。在實際應(yīng)用中可較為直觀地顯示出來。
圖6 用戶交互界面 結(jié)論 系統(tǒng)調(diào)試成功后，進(jìn)行了多次數(shù)據(jù)傳輸實驗。本系統(tǒng)通過了實際數(shù)據(jù)通信實驗的驗證，運行穩(wěn)定，通信可靠，能夠?qū)崿F(xiàn)100米左右的無線通信。從實驗數(shù)據(jù)可知，無線信號在井下傳輸環(huán)境下的損耗遠(yuǎn)大于室外環(huán)境，在同等條件下，誤碼率主要與距離延伸有關(guān)。本系統(tǒng)還可以應(yīng)用于點對點、點對多點通信的一些實際工作環(huán)境中。 作者：西安石油大學(xué)井下測控研究所 周靜 付浩 河南油田工程院鉆井工藝研究所 李星 來源：《世界電子元器件》 2010年02期 |
| Nordic是專業(yè)的射頻品牌,公司絕對優(yōu)勢配合提供NRF24L01/NRF24L01+/NRF24LE1/NRF24LU1P/NRF905/NRF24AP2系列,在研發(fā)樣品階段需要樣品支持,試產(chǎn)階段需要少批量支持,大批量生產(chǎn)階段需要長期穩(wěn)定供應(yīng),甚至協(xié)助做產(chǎn)品優(yōu)化,請隨時聯(lián)系!13510620050 |
