隨鑽嵌入式處理單元（EPU）

         duonianlai
，jingxiashujuchuanshushizhiyuesuizuancejingjishufazhandepingjing，muqianbijiaochengshudeshujuchuanshufangshishinijiangmaichongyaochuan。suizuandimianxitongdehexinrenwuzhiyijiushicaijinijiangmaichongxinhaojinxingshishicaijihechuli，jiemaweiyuanshishuju；同時
，另一核心任務是需要在鉤載或死繩傳感器的配合下，通過深度編碼盤進行鑽井深度實時測量。使用NI CompactRIO作(zuo)為(wei)隨(sui)鑽(zuan)嵌(qian)入(ru)式(shi)處(chu)理(li)單(dan)元(yuan)的(de)核(he)心(xin)，利(li)用(yong)其(qi)強(qiang)大(da)的(de)處(chu)理(li)能(neng)力(li)，實(shi)時(shi)性(xing)能(neng)，快(kuai)速(su)開(kai)發(fa)特(te)性(xing)
，以(yi)及(ji)堅(jian)固(gu)性(xing)和(he)可(ke)靠(kao)性(xing)，工(gong)程(cheng)師(shi)們(men)可(ke)以(yi)更(geng)專(zhuan)注(zhu)於(yu)泥(ni)漿(jiang)脈(mai)衝(chong)信(xin)號(hao)處(chu)理(li)、jiemasuanfayijishenduceliangsuanfadekaifa。muqian
，suizuanqianrushichulidanyuanyijingtongguodimianxunhuanshiyanhejingxiaxunhuanshiyanliangcishangbaixiaoshideyunxingshiyan，gongzuowending，gongnengzhengchang，wanquandadaosuizuancejingdimianxitongdeyaoqiu。

開發背景
        suizuancejingjishushiyouqitiankantankaifadeguanjianjishuzhiyi，muqianweijijiaguojixingdagongsisuolongduan。zaiguoneisuizuancejinghexiangguandedingxiangzuanjingfuwushichangshang，guowaijishuzhanjuzhudaodiwei
，qizhongguoneidehaishangshichangzewanquanweiguowaijishusuolongduan。jinnianlai，guoneiqiyegouzhideguowaisuizuancejingzhuangbeigujimeiniandouxuhuafeishuyiyuanrenminbi
，baokuojiama/電阻率/中子密度/MWD在內的隨鑽測井設備（井下儀器按每種2支配置）售價超過4000萬元，不僅購置和維護成本高昂
，而且受到技術和市場的雙重限製

，在相當程度上製約著我國油氣資源

、特別是海上油氣田的勘探開發
，也限製了國內相關企業的發展。隨著我國深水油氣資源勘探開發的展開，這個問題將愈顯嚴重。

         zizhuyanfasuizuanxiangmudechenggongshishijiangxingchengwoguozizhuzhishichanquandexiangduiwanzhengdesuizuancejingjishuhezhuangbei，dapoguowaijishudelongduan，yujinkoushebeixiangbijiangdadajiangdiqishengchan、維護和使用成本
，為我國海上、特別是深水油氣資源的勘探開發，以及我國油田服務企業的發展壯大提供有效的技術支撐。

泥漿正脈衝編碼技術
        正(zheng)脈(mai)衝(chong)信(xin)號(hao)是(shi)通(tong)過(guo)瞬(shun)時(shi)部(bu)分(fen)阻(zu)擋(dang)鑽(zuan)柱(zhu)內(nei)泥(ni)漿(jiang)柱(zhu)的(de)通(tong)行(xing)，迫(po)使(shi)壓(ya)力(li)升(sheng)高(gao)而(er)產(chan)生(sheng)的(de)。因(yin)此(ci)
，當(dang)脈(mai)衝(chong)器(qi)提(ti)升(sheng)閥(fa)上(shang)行(xing)部(bu)分(fen)阻(zu)擋(dang)泥(ni)漿(jiang)流(liu)，壓(ya)力(li)上(shang)升(sheng)，當(dang)提(ti)升(sheng)閥(fa)歸(gui)位(wei)
，鑽(zuan)柱(zhu)壓(ya)力(li)回(hui)到(dao)原(yuan)始(shi)狀(zhuang)態(tai)
，如(ru)圖(tu)1所示：

        nijiangzhengmaichongbianmashitongguotiaozhengnijiangmaichongzhijiandemaichongjiangeshixianshuzibianmadeyizhongbianmafangshi。maichongweizhibianmadexinxihuozheshujuyinhanzailianggemaichongdezhijiandemaichongjiangezhong，butongmaichongjiangechangdudaibiaobutongdexinxi，rutu2所示。

Data = (Interval - MIN_TIME) / BIT_TIME

         其中，Data為編碼數據
，Interval為間隔時長，從上式知道，編碼的數據越大，脈衝間隔就越大，反之亦然。

         對於一個實際的遙測物理係統中，需要定義些參數
，最小間隔時長（MIN_TIME）是指在數據編碼中一個用於編碼對應數值0的時間長度
，如果一個間隔等於最小間隔時長，則這個間隔編碼數據信息為0。由於噪音的存在，在井底下產生的壓力信號不同於在地麵上的壓力信號，這裏定義比特寬度(BIT_WIDTH)來校正傳送的值
，隻要一個間隔的脈衝落在BW窗口內，認為無論偏移多少為一個有效的脈衝，實際脈衝位置與比特寬度內的理論脈衝位置值一致。

係統構成
         隨鑽嵌入式處理單元（以下簡稱EPU）同時承擔多項采集測量處理任務和係統通訊任務，是整個隨鑽地麵係統的核心中樞。現場的深度、泥漿壓力、鉤載、死繩和泵衝傳感器信號進入進入EPU，經過安全隔離柵隔離

、信號調理板調理之後，送入cRIO的數據采集卡，由FPGA對數據進行采集
，得到的數據經過CPU處理後，通過LAN傳送給上位機。同時，上位機通過cRIO的中轉，通過RS485總線與司鑽顯示器和DBC中控進行通訊，驅動Bypass電磁閥，進行指令下傳。係統架構如圖3所示。

泥漿脈衝信號濾波解碼
        在井場現場，泥漿脈衝信號是通過安裝在立管上的壓力傳感器采集獲得的。

        在(zai)現(xian)場(chang)條(tiao)件(jian)下(xia)，從(cong)井(jing)下(xia)發(fa)出(chu)的(de)泥(ni)漿(jiang)脈(mai)衝(chong)信(xin)號(hao)傳(chuan)遞(di)到(dao)地(di)麵(mian)時(shi)，混(hun)雜(za)了(le)非(fei)常(chang)強(qiang)的(de)背(bei)景(jing)噪(zao)聲(sheng)，其(qi)來(lai)源(yuan)主(zhu)要(yao)有(you)泥(ni)漿(jiang)泵(beng)活(huo)塞(sai)周(zhou)期(qi)往(wang)複(fu)運(yun)動(dong)產(chan)生(sheng)的(de)泥(ni)漿(jiang)泵(beng)噪(zao)聲(sheng)、鑽頭粘卡後突然釋鑽柱產生大弧度擺動產生的鑽柱扭矩噪聲和鑽柱鑽進中的震動產生的鑽頭噪聲。

        在EPU中，采集獲得的泥漿脈衝波形數據經過FIR初級濾波
、自適應濾波、小波分析
、互hu相xiang關guan處chu理li等deng一yi係xi列lie濾lv波bo處chu理li，獲huo得de較jiao為wei幹gan淨jing的de脈mai衝chong信xin號hao波bo形xing。之zhi後hou，通tong過guo準zhun確que判pan定ding脈mai衝chong位wei置zhi
，計ji算suan相xiang鄰lin脈mai衝chong的de時shi間jian間jian隔ge

，從cong而er計ji算suan的de到dao相xiang應ying的de通tong訊xun數shu據ju。

深度測量
        zuanjingshendudeceliang
，shitongguoceliangzuanjidagoushangtixiafangyundongguochengjinxingleijia，congerjianjiehuodede。chulexuyaozhunqueshishideceliangdagouweizhiwai，haixuyaozhunquepanduanzuanjushifouguazaidagoushang，gensuidagouyiqishangtixiafang。

        判(pan)斷(duan)鑽(zuan)具(ju)是(shi)否(fou)掛(gua)在(zai)大(da)鉤(gou)上(shang)，先(xian)測(ce)量(liang)大(da)鉤(gou)的(de)載(zai)荷(he)，與(yu)設(she)定(ding)的(de)閾(yu)值(zhi)進(jin)行(xing)比(bi)較(jiao)，高(gao)於(yu)閾(yu)值(zhi)認(ren)為(wei)是(shi)掛(gua)在(zai)大(da)鉤(gou)上(shang)，反(fan)之(zhi)認(ren)為(wei)沒(mei)有(you)掛(gua)在(zai)大(da)鉤(gou)上(shang)
，處(chu)於(yu)座(zuo)卡(ka)狀(zhuang)態(tai)。但(dan)在(zai)鑽(zuan)井(jing)過(guo)程(cheng)中(zhong)，會(hui)有(you)各(ge)種(zhong)震(zhen)動(dong)產(chan)生(sheng)，使(shi)測(ce)量(liang)得(de)到(dao)的(de)載(zai)荷(he)也(ye)隨(sui)之(zhi)劇(ju)烈(lie)波(bo)動(dong)。當(dang)鑽(zuan)井(jing)深(shen)度(du)較(jiao)淺(qian)

，鑽(zuan)具(ju)重(zhong)量(liang)較(jiao)輕(qing)時(shi)，閾(yu)值(zhi)非(fei)常(chang)接(jie)近(jin)大(da)鉤(gou)空(kong)鉤(gou)載(zai)荷(he)，劇(ju)烈(lie)的(de)波(bo)動(dong)很(hen)容(rong)易(yi)越(yue)過(guo)閾(yu)值(zhi)造(zao)成(cheng)誤(wu)判(pan)。

       為wei了le消xiao除chu震zhen動dong的de影ying響xiang
，需xu要yao對dui測ce量liang測ce到dao的de鉤gou載zai進jin行xing濾lv波bo。而er濾lv波bo算suan法fa要yao求qiu一yi方fang麵mian有you效xiao濾lv除chu波bo動dong，另ling一yi方fang麵mian具ju有you很hen低di的de延yan遲chi，這zhe兩liang方fang麵mian是shi一yi對dui矛mao盾dun關guan係xi。在zai綜zong合he了leFIR、IIR、平均值濾波、中值濾波等算法的特點後，使用FPGA模塊的相關濾波模塊設計了一套有效的濾波算法
，能夠進行準確的深度測量。

試驗情況
        在已經進行的地麵循環試驗、井下循環試驗和實鑽試驗中，隨鑽嵌入式處理單元累計工作幾百小時
，成功驗證了其可靠性和實時性。達到的性能指標主要有：

1
、傳輸率：達到了3.0bps
，為目前國內的同類技術的最高水平；

2、誤碼率：在試驗過程中，解碼的誤碼率在1%以下
；

3
、可靠性：在試驗工作過程中

，隨鑽嵌入式處理單元工作穩定，算法運行正常，沒有出現係統崩潰的現象。

總結
         經過試驗驗證，基於CompactRIO開發的隨鑽嵌入式處理單元已經初步達到了實用化的水平。

        在整個處理單元開發過程中，快捷方便的LabVIEW圖形化編程工具極大的解放了開發人員的精力，可以更專注於泥漿脈衝波形濾波解碼算法和深度測量算法的開發。同時
，CompactRIO堅固的結構和極高的可靠性也給人留下了深刻的印象。