泥漿正脈沖信號驅動系統及方波脈寬調制方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用于智能鉆井工具鉆井液正脈沖信號的驅動系統，特別是涉及一種泥漿正脈沖信號驅動系統及方波脈寬調制方法。
【背景技術】
[0002]在智能鉆井工具中，采用鉆井液泥漿作為傳輸介質的無線傳輸方式以其可靠性好、傳輸距離遠等優點已獲得廣泛應用。其中，泥漿正脈沖傳輸方式是通過控制泥漿脈沖發生器的針閥動作來改變泥漿流道的橫截面積，由此產生壓力脈沖信號。由于智能鉆井工具在井底工作過程中存在劇烈的沖擊、振動等現象，因此泥漿流量波動范圍較大，采用泥漿渦輪發電機提供驅動力的泥漿脈沖發生器存在供電電壓波動大，穩定性差，影響對脈沖信號發生器的驅動能力，造成泥漿脈沖傳輸過程中的丟幀、無信號的情況，從而導致地面解碼錯誤甚至無法解碼。
[0003]因此，設計一種基于單片機控制的智能鉆井工具鉆井液正脈沖信號驅動系統及方波脈沖調制方法，在井底惡劣工作條件下，保證對脈沖信號發生器有足夠的驅動能力，保證探管測量、編碼數據能夠正確、穩定地上傳，具有重要的意義。
【發明內容】
[0004]為了解決上述問題，本發明的目的在于提供一種泥漿正脈沖信號驅動系統及方波脈寬調制方法。
[0005]為了達到上述目的，本發明提供的泥漿正脈沖信號驅動系統包括:泥漿渦輪發電機、整流濾波電路、電壓采集電路、微處理器、電壓轉換電路、信號驅動電路和脈沖信號發生器；泥漿渦輪發電機通過整流濾波電路與電壓采集電路的輸入端連接、電壓采集電路的輸出端與微處理器連接，微處理器分別與電壓轉換電路和信號驅動電路連接，信號驅動電路與電壓采集電路及脈沖信號發生器的輸入端連接。
[0006]所述的泥漿正脈沖信號驅動系統所采用的方波脈寬調制方法包括按順序執行的下列步驟:
[0007]步驟一:微處理器接收到有效信號時，驅動脈沖信號發生器工作需較大電流，當脈沖信號發生器動作而產生編碼脈沖后，在有效信號時間T內，只需很小的電流即可保持該工作狀態，前一時間段記為起始時間Tl，后一時間段記為保持時間T2，T = Τ1+Τ2，根據所述的整流濾波電路輸出電壓的閾值范圍分別建立插值表:
[0008]A [n] = {au a2,......，an}，η 為大于 I 的自然數
[0009]B [m] = {bi, b2,......，bm}，m 為大于 I 的自然數
[0010]其中，A為起始時間Tl內脈寬調制方波插值表，當i〈j時，有apaj，I彡i彡n，I彡j彡n，B為保持時間T2內脈寬調制方波插值表，當k〈l時，有ak>ai，l彡k彡m，I ^ I ^ m ；
[0011]步驟二:根據電壓采集電路測量得到的整流濾波電路輸出電壓值計算該輸出電壓值對應的插值表序列的位置坐標:
[0012]i = *(p+(Vin-Vnin)/H)
[0013]其中，P為插值表序列的起始地址，Vin為整流濾波電路輸出電壓值，V-為整流濾波電路輸出電壓的閾值下限，H為常數，計算方法為:
[0014]H= (Vnax-Vnin)/n
[0015]其中，Vniax為整流濾波電路輸出電壓的閾值上限；
[0016]步驟三:根據步驟二中得到的整流濾波電路輸出電壓值對應的插值表序列的位置坐標計算占空比值:
[0017]D= (PffMPER-A[i] XPffMPER/100)/PffMPERX 100%
[0018]其中，D為脈寬調制波形的占空比值，PffMPER為占空比值量化上限；
[0019]步驟四:當微處理器接收到電壓轉換電路輸出的有效信號時，在Tl時間段內，根據步驟二至步驟三查詢起始時間Tl內脈寬調制方波插值表A計算輸出脈寬調制方波的占空比值，在T2時間段內，根據步驟二至步驟三查詢保持時間T2內脈寬調制方波插值表B計算輸出脈寬調制方波的占空比值，驅動脈沖信號發生器正常動作；當微處理器未接收到電壓轉換電路輸出的有效信號時，無脈寬調制方波輸出，脈沖信號發生器無動作。
[0020]本發明的有益效果是，將整流濾波電路輸出電壓作為脈沖信號發生器的驅動電壓，微處理器接收該電壓信號，利用插值算法計算脈寬調制方波的占空比值，結構簡單，易于實現，對于寬輸入電壓范圍的泥漿發電電壓，可保證脈沖信號發生器驅動電壓的穩定性，提高脈沖信號發生器的驅動能力，降低編碼脈沖傳輸時出現丟幀、無信號的風險。
【附圖說明】
[0021]圖1為本發明提供的泥漿正脈沖信號驅動系統的結構框圖。
[0022]圖2本系統中的微處理器所采用的方波脈寬調制方法流程圖。
[0023]圖3為基于單片機的泥漿正脈沖信號驅動系統一實施例工作時示波器截圖。
[0024]圖4為圖3的局部放大圖。
【具體實施方式】
[0025]下面結合附圖和具體實施例對本發明提供的泥漿正脈沖信號驅動系統及方波脈寬調制方法進行詳細說明。
[0026]如圖1所示，本發明提供的泥漿正脈沖信號驅動系統包括:泥漿渦輪發電機1、整流濾波電路2、電壓采集電路3、微處理器4、電壓轉換電路5、信號驅動電路6和脈沖信號發生器7 ;泥漿渦輪發電機I通過整流濾波電路2與電壓采集電路3的輸入端連接、電壓采集電路3的輸出端與微處理器4連接，微處理器4分別與電壓轉換電路5和信號驅動電路6連接，信號驅動電路6與電壓采集電路3及脈沖信號發生器7的輸入端連接。
[0027]所述的泥漿渦輪發電機I產生低頻交流電能，用于為整個驅動系統供電；
[0028]整流濾波電路2用于將泥漿渦輪發電機I產生的低頻交流電能轉換成直流電能；
[0029]電壓采集電路3用于采樣整流濾波電路2輸出的直流電能信號，并將采樣值送入微處理器4中；
[0030]微處理器4在探管上傳有效信號期間產生一定占空比值的脈寬調制方波，并輸出至信號驅動電路6中；
[0031]電壓轉換電路5的輸入端與探管相連，用于對探管上傳的信號進行電平轉換，并輸出至微處理器4中；
[0032]信號驅動電路6在探管上傳有效信號期間采用整流濾波電路2的輸出電壓作為脈沖信號發生器7的驅動電壓，驅動脈沖信號發生器7動作，產生泥漿脈沖信號；
[0033]脈沖信號發生器7用于當探管上傳有效編碼信號時，在微處理器4控制下利用其上針閥的動作來改變泥漿流道的橫截面積，產生壓力脈沖信號。
[0034]所述的電壓采集電路3采樣整流濾波電路2的輸出電壓信號并送入微處理器4中，微處理器4在接收到電壓轉換電路5輸出的有效信號時，根據該輸出電壓計算脈寬調制方波在一個周期內的占空比值，用以調整經過脈沖信號發生器7的平均電流不因泥漿流量的大范圍波動而劇烈變化，保證脈沖信號發生器7工作的穩定性。
[0035]如圖2所示，本發明提供的泥漿正脈沖信號驅動系統所采用的方波脈寬調制方法包括按順序執行的下列步驟:
[0036]步驟一:微處理器4接收到有效信號時，驅動脈沖信號發生器7工作需較大電流，當脈沖信號發生器7動作而產生編碼脈沖后，在有效信號時間T內，只需很小的電流即可保持該工作狀態，前一時間段記為起始時間Tl，后一時間段記為保持時間T2，T = T1+T2，根據所述的整流濾波電路2輸出電壓的閾值范圍分別建立插值表:
[0037]A [n] = {au a2,......，an}，η 為大于 I 的自然數
[0038]B [m] = {bi, b2,......，bm}，m 為大于 I 的自然數
[0039]其中，A為起始時間Tl內脈寬調制方波插值表，當i〈j時，有apaj，I彡i彡n，I彡j彡n，B為保持時間T2內脈寬調制方波插值表，當k〈l時，有ak>ai，l彡k彡m，I I m ；
[0040]步驟二:根據電壓采集電路3測量得到的整流濾波電路2輸出電壓值計算該輸出電壓值對應的插值表序列的位置坐標:
[0041]i = *(p+(Vin-Vnin)/H)
[