CN105913100B - 具有低频唤醒功能的井下智能控制***及其控制方法 - Google Patents

具有低频唤醒功能的井下智能控制***及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种具有低频唤醒功能的井下智能控制***及其控制方法，包括射频标签，所述射频标签信号连接低频唤醒控制***，所述低频唤醒控制***连接井下测量控制***的输入端，所述低频唤醒控制***和所述井下测量控制***均由电源管理单元供电。有益效果：本发明所述的具有低频唤醒功能的井下智能控制***及其控制方法，通过在井下电子测量控制***的前端设置低频唤醒控制***，从地面通过射频芯片由低频唤醒控制***控制井下电子测量控制***的工作与休眠，降低其在非工作状态下的功率损耗，提高有效数据的存储率，对延长工具的井下工作时间，提高存储空间的利用率具有重要的价值。

Description

具有低频唤醒功能的井下智能控制***及其控制方法
技术领域
本发明属于石油、天然气钻井领域，尤其是涉及一种具有低频唤醒功能的井下智能控制***及其控制方法。
背景技术
石油钻井工具中，井下电子测量控制单元负责对工具位姿、井下环境信息、地层信息进行信号测量，根据测量结果进行分析决策，控制石油钻井工具执行相应的动作。井下测量控制***通常有两种供电方式，采用涡轮发电机进行供电，能够获得大功率的稳定直流电能，但此种供电方式结构复杂，且仅限于随钻测量阶段，在其他阶段，如压裂过程中，电子测量控制单元需实时监测井下压力、温度信息，此时无法通过涡轮发电机进行电力供应；采用高温电池供电，存在电池容量有限、井下高温高压环境对电池寿命影响严重，由于耐高温高压电池的研制是当前世界性难题，因此，要延长电池工作时间，只能靠增加电池数量来实现，电池数量的增加必然导致工具尺寸的增大，不利于工具的集成化和小型化。此外，电子测量控制单元在井下工作的整个过程中，并不需要时刻进行信号的采集，电子测量控制单元的持续工作一方面增加了电源的功率损耗，另一方面也导致了大量无用数据的存储，给存储模块带来较大的负荷。
射频识别技术通过电磁感应或电磁传播进行数据通信，当射频标签进入读写器天线识别区域后，读写器解码标签信息并执行相应的操作。射频识别技术具有读写速度快、准确率高、体积小等优点。研究一种具有低频唤醒功能的井下智能控制***，用于实现井下电子测量控制单元的各模块的休眠/唤醒控制，降低井下电子测量控制单元的功率损耗，延长其井下工作时间，具有重要的价值。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种具有低频唤醒功能的井下智能控制***，以解决井下电子测量控制单元功率损耗大、浪费资源的问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种具有低频唤醒功能的井下智能控制***，包括射频标签、低频唤醒控制***、井下测量控制***和电源管理单元，所述低频唤醒控制***包括微处理器及其连接的低频唤醒单元、功率放大单元和信号调理单元，所述信号调理单元的信号输入端连接包络检波单元，所述包络检波单元的输入端连接接收天线，所述功率放大单元的输出端连接发射天线，所述发射天线和所述接收天线均与所述射频标签信号连接，所述射频标签与所述低频唤醒单元控制耦合，所述微处理器与所述井下测量控制***的输入端连接，所述低频唤醒控制***和所述井下测量控制***均由所述电源管理单元供电。
进一步的，所述射频标签选用无源射频标签，频率为125KHz。
进一步的，所述低频唤醒单元的芯片型号为AS3932，所述AS3932的外接晶振频率为12MHz。
进一步的，所述微处理器的芯片为STM32系列单片机。
进一步的，所述低频唤醒单元包括低频唤醒接收器U1，电容C1，电容C2，电容C3，晶振Y1，第一接收天线ANT1，第二接收天线ANT2和第三接收天线ANT3，所述低频唤醒接收器U1的XIN引脚连接所述晶振Y1的第一端，所述晶振Y1的第一端与所述电容C1的第二端连接，所述电容C1的第一端连接所述电源管理单元，所述电容C1的第一端连接所述电容C2的第一端，所述电容C2的第一端与所述电容C3的第一端连接，所述电容C3的第二端接地，所述电容C2的第二端与所述晶振Y1的第二端连接，所述晶振Y1的第二端连接所述低频唤醒接收器U1的XOUT引脚，所述低频唤醒接收器U1的LF1P引脚与所述第一接收天线ANT1的第一端连接，所述第一接收天线ANT1的第二端接地，所述低频唤醒接收器U1的LF2P引脚与所述第二接收天线ANT2的第一端连接，所述第二接收天线ANT2的第二端接地，所述低频唤醒接收器U1的LF3P引脚与所述第三接收天线ANT3的第一端连接，所述第三接收天线ANT3的第二端接地，所述低频唤醒接收器U1的LFN引脚为所述第一接收天线ANT1、所述第二接收天线ANT2和所述第三接收天线ANT3的公共接地端，所述低频唤醒接收器U1的VCC引脚为3.3V电源的正输入端并与所述电源管理单元连接，所述低频唤醒接收器U1的GND引脚接地，所述低频唤醒接收器U1的Vss引脚为电源负输入端，单电源供电时接地，所述低频唤醒接收器U1的WAKE引脚与所述微处理器的PB6引脚连接，所述低频唤醒接收器U1的DAT引脚与所述微处理器的PB5引脚连接，所述低频唤醒接收器U1的CL_DAT为时钟信号恢复引脚，用于曼彻斯特解码，所述低频唤醒接收器U1的CS引脚、SCL引脚、SDI引脚和SDO引脚分别与所述的微处理器的SPI引脚、SPI_SCK引脚、SPI_MOSI引脚和SPI_MISO引脚连接。
相对于现有技术，本发明所述的具有低频唤醒功能的井下智能控制***具有以下优势：
(1)本发明所述的具有低频唤醒功能的井下智能控制***，通过在井下电子测量控制***的前端设置低频唤醒控制***，从地面通过射频芯片由低频唤醒控制***控制井下电子测量控制***的工作与休眠，降低其在非工作状态下的功率损耗，提高有效数据的存储率，对延长工具的井下工作时间，提高存储空间的利用率具有重要的价值。
本发明的另一目的在于提出一种具有低频唤醒功能的井下智能控制***的控制方法，以实现井下电子测量控制单元的各模块的休眠/唤醒控制，降低井下电子测量控制单元的功率损耗，延长其井下工作时间。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种具有低频唤醒功能的井下智能控制***的控制方法，包括按顺序执行的下列步骤：
S001：开始工作；
S002：所述低频唤醒单元进行待机监听模式，此时所述低频唤醒控制***中的其它单元及所述井下测量控制***均进入休眠状态，所述低频唤醒单元进入低功耗待机监听状态；
S003：对所述射频标签检测，在所述低频唤醒单元的天线监听区域内，若没有检测到所述射频标签，则转步骤S002；
S004：所述低频唤醒单元检测到所述射频标签且所述射频标签携带唤醒信息，则所述低频唤醒单元输出唤醒信号至所述微处理器；
S005：所述微处理器从休眠状态中恢复过来，产生载波频率为125KHz的调制信号；
S006：所述功率放大单元对所述微处理器输出的调制信号进行功率放大；
S007：所述发射天线持续发射调制信号，等待所述射频标签的到来；
S008：对所述射频标签检测，在所述接收天线的监听区域内，若没有检测到所述射频标签，则重复步骤S006至步骤S007；
S009：所述接收天线接收所述射频标签发射的调制信号，发送至所述包络检波单元；
S010：所述包络检波单元对所述射频标签发射的调制信号进行包络检波，将所述射频标签携带的信息从载波中分离出来；
S011：所述信号调理单元对所述包络检波单元输出的信号进行放大、滤波和整形操作；
S012：所述微处理器对所述信号调理单元输出的信号进行解码操作；
S013：所述微处理器对解码后的信息进行判断，是否接收到休眠指令；
S014：若所述射频标签携带的为控制信息，则由所述微处理器唤醒所述井下测量控制***中的对应模块执行相应动作；
S015：若所述射频标签携带的为休眠指令，则所述微处理器控制所述井下测量控制***中的对应模块停止工作，所述微处理器进入休眠状态，重复步骤S002至步骤S014。
所述具有低频唤醒功能的井下智能控制***与上述具有低频唤醒功能的井下智能控制***的控制方法相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的具有低频唤醒功能的井下智能控制***结构框图；
图2为本发明实施例所述的低频唤醒单元的电路结构连接图；
图3为本发明实施例所述的具有低频唤醒功能的井下智能控制***的控制方法流程图。
附图标记说明：
100-射频标签；200-低频唤醒控制***；2001-低频唤醒单元；2002-微处理器；2003-功率放大单元；2004-发射天线；2005-接收天线；2006-包络检波单元；2007-信号调理单元；300-井下测量控制***；400-电源管理单元。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
一种具有低频唤醒功能的井下智能控制***及其控制方法，如图1至3所示，包括射频标签100、低频唤醒控制***200、井下测量控制***300和电源管理单元400，所述低频唤醒控制***200包括微处理器2002及其连接的低频唤醒单元2001、功率放大单元2003和信号调理单元2007，所述信号调理单元2007的信号输入端连接包络检波单元2006，所述包络检波单元2006的输入端连接接收天线2005，所述功率放大单元2003的输出端连接发射天线2004，所述发射天线2004和所述接收天线2005均与所述射频标签100信号连接，所述射频标签100与所述低频唤醒单元2001控制耦合，所述微处理器2002与所述井下测量控制***300的输入端连接，所述低频唤醒控制***200和所述井下测量控制***300均由所述电源管理单元400供电，其中所述井下测量控制***300用于实现工具状态、井下环境、地层参数等信息的测量及工具状态控制。
所述射频标签100选用无源射频标签，频率为125KHz，所述射频标签100携带编码信息，用于与所述低频唤醒控制***200进行数据通信。
所述低频唤醒单元2001的芯片型号为AS3932，所述AS3932的外接晶振频率为12MHz，所述微处理器2002的芯片为STM32系列单片机。
所述低频唤醒单元2001包括低频唤醒接收器U1，电容C1，电容C2，电容C3，晶振Y1，第一接收天线ANT1，第二接收天线ANT2和第三接收天线ANT3，所述低频唤醒接收器U1的XIN引脚连接所述晶振Y1的第一端，所述晶振Y1的第一端与所述电容C1的第二端连接，所述电容C1的第一端连接所述电源管理单元400，所述电容C1的第一端连接所述电容C2的第一端，所述电容C2的第一端与所述电容C3的第一端连接，所述电容C3的第二端接地，所述电容C2的第二端与所述晶振Y1的第二端连接，所述晶振Y1的第二端连接所述低频唤醒接收器U1的XOUT引脚，所述低频唤醒接收器U1的LF1P引脚与所述第一接收天线ANT1的第一端连接，所述第一接收天线ANT1的第二端接地，所述低频唤醒接收器U1的LF2P引脚与所述第二接收天线ANT2的第一端连接，所述第二接收天线ANT2的第二端接地，所述低频唤醒接收器U1的LF3P引脚与所述第三接收天线ANT3的第一端连接，所述第三接收天线ANT3的第二端接地，所述低频唤醒接收器U1的LFN引脚为所述第一接收天线ANT1、所述第二接收天线ANT2和所述第三接收天线ANT3的公共接地端，所述低频唤醒接收器U1的VCC引脚为3.3V电源的正输入端并与所述电源管理单元400连接，所述低频唤醒接收器U1的GND引脚接地，所述低频唤醒接收器U1的Vss引脚为电源负输入端，单电源供电时接地，所述低频唤醒接收器U1的WAKE引脚与所述微处理器2002的PB6引脚连接，所述低频唤醒接收器U1的DAT引脚与所述微处理器2002的PB5引脚连接，所述低频唤醒接收器U1的CL_DAT为时钟信号恢复引脚，用于曼彻斯特解码，所述低频唤醒接收器U1的CS引脚、SCL引脚、SDI引脚和SDO引脚分别与所述的微处理器2002的SPI引脚、SPI_SCK引脚、SPI_MOSI引脚和SPI_MISO引脚连接。
所述的控制方法包括按顺序执行的下列步骤：
S001：开始工作；
S002：所述低频唤醒单元2001进行待机监听模式，此时所述低频唤醒控制***200中的其它单元及所述井下测量控制***300均进入休眠状态，所述低频唤醒单元2001进入低功耗待机监听状态；
S003：对所述射频标签100检测，在所述低频唤醒单元2001的天线监听区域内，若没有检测到所述射频标签100，则转步骤S002；
S004：所述低频唤醒单元2001检测到所述射频标签100且所述射频标签100携带唤醒信息，则所述低频唤醒单元2001输出唤醒信号至所述微处理器2002；
S005：所述微处理器2002从休眠状态中恢复过来，产生载波频率为125KHz的调制信号；
S006：所述功率放大单元2003对所述微处理器2002输出的调制信号进行功率放大；
S007：所述发射天线2004持续发射调制信号，等待所述射频标签100的到来；
S008：对所述射频标签100检测，在所述接收天线2005的监听区域内，若没有检测到所述射频标签100，则重复步骤S006至步骤S007；
S009：所述接收天线2005接收所述射频标签100发射的调制信号，发送至所述包络检波单元2006；
S010：所述包络检波单元2006对所述射频标签100发射的调制信号进行包络检波，将所述射频标签100携带的信息从载波中分离出来；
S011：所述信号调理单元2007对所述包络检波单元2006输出的信号进行放大、滤波和整形操作；
S012：所述微处理器2002对所述信号调理单元2007输出的信号进行解码操作；
S013：所述微处理器2002对解码后的信息进行判断，是否接收到休眠指令；
S014：若所述射频标签100携带的为控制信息，则由所述微处理器2002唤醒所述井下测量控制***300中的对应模块执行相应动作；
S015：若所述射频标签100携带的为休眠指令，则所述微处理器2002控制所述井下测量控制***300中的对应模块停止工作，所述微处理器2002进入休眠状态，重复步骤S002至步骤S014。
一种具有低频唤醒功能的井下智能控制***及其控制方法，工作原理为：
低频唤醒单元2001用于接收射频标签100的信息并进行解码，若需要唤醒电子测量控制***300工作，则输出唤醒信号至微处理器2002中，微处理器2002接收到唤醒信号，从休眠状态转为工作状态，输出载波频率为125KHz的调制信号，经功率放大单元2003进行信号放大后，由发射天线2004进行发射，当携带操作指令的无源射频标签100进入发射天线的感应区域时，接收天线2005捕获射频标签100发送的编码信息，由包络检波单元2006进行信号的包络检波操作，由信号调理单元2007对信号进行放大、滤波、整形操作后，送入微处理器2002进行解码，根据解码后的信息由微处理器2002唤醒电子测量控制单元300中的部分/全部模块，由电子测量控制单元300完成规定的指令。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种具有低频唤醒功能的井下智能控制***，其特征在于：包括射频标签(100)、低频唤醒控制***(200)、井下测量控制***(300)和电源管理单元(400)，
所述低频唤醒控制***(200)包括微处理器(2002)及其连接的低频唤醒单元(2001)、功率放大单元(2003)和信号调理单元(2007)，所述信号调理单元(2007)的信号输入端连接包络检波单元(2006)，所述包络检波单元(2006)的输入端连接接收天线(2005)，所述功率放大单元(2003)的输出端连接发射天线(2004)，
所述发射天线(2004)和所述接收天线(2005)均与所述射频标签(100)信号连接，所述射频标签(100)与所述低频唤醒单元(2001)控制耦合，所述微处理器(2002)与所述井下测量控制***(300)的输入端连接，所述低频唤醒控制***(200)和所述井下测量控制***(300)均由所述电源管理单元(400)供电，
所述低频唤醒单元(2001)包括低频唤醒接收器U1，电容C1，电容C2，电容C3，晶振Y1，第一接收天线ANT1，第二接收天线ANT2和第三接收天线ANT3，
所述低频唤醒接收器U1的XIN引脚连接所述晶振Y1的第一端，所述晶振Y1的第一端与所述电容C1的第二端连接，所述电容C1的第一端连接所述电源管理单元(400)，所述电容C1的第一端连接所述电容C2的第一端，所述电容C2的第一端与所述电容C3的第一端连接，所述电容C3的第二端接地，所述电容C2的第二端与所述晶振Y1的第二端连接，所述晶振Y1的第二端连接所述低频唤醒接收器U1的XOUT引脚，所述低频唤醒接收器U1的LF1P引脚与所述第一接收天线ANT1的第一端连接，所述第一接收天线ANT1的第二端接地，所述低频唤醒接收器U1的LF2P引脚与所述第二接收天线ANT2的第一端连接，所述第二接收天线ANT2的第二端接地，所述低频唤醒接收器U1的LF3P引脚与所述第三接收天线ANT3的第一端连接，所述第三接收天线ANT3的第二端接地，所述低频唤醒接收器U1的LFN引脚为所述第一接收天线ANT1、所述第二接收天线ANT2和所述第三接收天线ANT3的公共接地端，所述低频唤醒接收器U1的VCC引脚为3.3V电源的正输入端并与所述电源管理单元(400)连接，所述低频唤醒接收器U1的GND引脚接地，所述低频唤醒接收器U1的Vss引脚为电源负输入端，单电源供电时接地，
所述低频唤醒接收器U1的WAKE引脚与所述微处理器(2002)的PB6引脚连接，所述低频唤醒接收器U1的DAT引脚与所述微处理器(2002)的PB5引脚连接，所述低频唤醒接收器U1的CL_DAT为时钟信号恢复引脚，用于曼彻斯特解码，所述低频唤醒接收器U1的CS引脚、SCL引脚、SDI引脚和SDO引脚分别与所述的微处理器(2002)的SPI引脚、SPI_SCK引脚、SPI_MOSI引脚和SPI_MISO引脚连接。
2.根据权利要求1所述的具有低频唤醒功能的井下智能控制***，其特征在于：所述射频标签(100)选用无源射频标签，频率为125KHz。
3.根据权利要求1所述的具有低频唤醒功能的井下智能控制***，其特征在于：所述低频唤醒单元(2001)的芯片型号为AS3932，所述AS3932的外接晶振频率为12MHz。
4.根据权利要求1所述的具有低频唤醒功能的井下智能控制***，其特征在于：所述微处理器(2002)的芯片为STM32系列单片机。
5.一种权利要求1至4任一所述的具有低频唤醒功能的井下智能控制***的控制方法，其特征在于：所述的方法包括按顺序执行的下列步骤：
S001：开始工作；
S002：所述低频唤醒单元(2001)进行待机监听模式，此时所述低频唤醒控制***(200)中的其它单元及所述井下测量控制***(300)均进入休眠状态，所述低频唤醒单元(2001)进入低功耗待机监听状态；
S003：对所述射频标签(100)检测，在所述低频唤醒单元(2001)的天线监听区域内，若没有检测到所述射频标签(100)，则转步骤S002；
S004：所述低频唤醒单元(2001)检测到所述射频标签(100)且所述射频标签(100)携带唤醒信息，则所述低频唤醒单元(2001)输出唤醒信号至所述微处理器(2002)；
S005：所述微处理器(2002)从休眠状态中恢复过来，产生载波频率为125KHz的调制信号；
S006：所述功率放大单元(2003)对所述微处理器(2002)输出的调制信号进行功率放大；
S007：所述发射天线(2004)持续发射调制信号，等待所述射频标签(100)的到来；
S008：对所述射频标签(100)检测，在所述接收天线(2005)的监听区域内，若没有检测到所述射频标签(100)，则重复步骤S006至步骤S007；
S009：所述接收天线(2005)接收所述射频标签(100)发射的调制信号，发送至所述包络检波单元(2006)；
S010：所述包络检波单元(2006)对所述射频标签(100)发射的调制信号进行包络检波，将所述射频标签(100)携带的信息从载波中分离出来；
S011：所述信号调理单元(2007)对所述包络检波单元(2006)输出的信号进行放大、滤波和整形操作；
S012：所述微处理器(2002)对所述信号调理单元(2007)输出的信号进行解码操作；
S013：所述微处理器(2002)对解码后的信息进行判断，是否接收到休眠指令；
S014：若所述射频标签(100)携带的为控制信息，则由所述微处理器(2002)唤醒所述井下测量控制***(300)中的对应模块执行相应动作；
S015：若所述射频标签(100)携带的为休眠指令，则所述微处理器(2002)控制所述井下测量控制***(300)中的对应模块停止工作，所述微处理器(2002)进入休眠状态，重复步骤S002至步骤S014。
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