井地电位数据采集及无线通讯协议研究

发布时间：2017-04-09 10:02

  本文关键词：井地电位数据采集及无线通讯协议研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：我国对石油能源的消耗量巨大，而国内的石油产量在逐年减少，石油能源的安全形势不容忽视。针对这种情况，我国在最近的《国家科技发展纲要》中明确提出要开采复杂地质条件的石油资源，提高老油田的采收率，缓解国家石油能源供应紧张的现状。老油田注水开采是实现油井增产、稳产的重要手段，油井注水会导致地下底层电阻率的变化或者异常。井地电阻率成像方法是利用人工发射激发电场，用测量仪器测量反映到地表的电位变化，通过反演技术就可以知道地下底层的电阻率异常，进而可以描述出油井注水的注水走向以及波及范围，给油井的注水开采提供技术支持。对激发电场形成的电位数据准确采集是整个系统的关键部分，本文针对这方面进行深入的研究。 本文的主要研究内容主要分为两大部分：一是井地电位数据采集的研究，二是ZigBee无线通信协议的研究。针对第一部分研究内容，本文调研了多种相关仪器的设计以及同类产品的国内外发展现状和趋势，提出了一种分布式的无线数据传输井地电位采集节点设计方案。分析了井地电位的信号特征，对方案进行了论证并进行了仪器的设计和相关技术的研究，对采集节点的性能进行了多方面的测试并对测试结果进行了分析，实验结果表明节点的设计达到了设计要求，能充分满足井地电位数据采集的要求。第二部分对ZigBee的通信协议进行了研究，从ZigBee协议的特点入手，分析了ZigBee协议与同类协议相比较的优势。在深入研究ZigBee协议之后指出了协议在本文应用条件下存在的不足之处，重点是协议的信道接入机制存在的缺陷。针对这一问题，本文提出了一种选择循环信道共享机制，对该机制进行了分析和描述。最后对该机制就行了仿真测试表明，在本文的应用条件下，该机制对丢包率、网络反应时间和吞吐量等网络性能都有改善。 采集节点采用“MSP430主控制器+FPGA从控制器”作为系统控制部分，采用模块化设计各个功能部分，包括：系统校正模块、模数转换（ADC）、时序控制单元、大容量存储模块、无线收发模块、电源及掉电保护模块等。校正功能包括直流偏置的补偿和接地电阻的测试功能。放大部分利用斩波技术去除放大器的失调电压和1/f噪声。ADC模块采用“调制器+数字滤波器”的设计方式，利用Δ-∑调制技术和过采样采集技术，提高了系统采集的分辨率。通过实验验证了采集精度和稳定性。利用FPGA控制模数采集的时序，达到了采集要求。利用FPGA设计缓存FIFO，解决ADC和主控制器之间的速率匹配问题。利用FPGA控制大容量SRAM的形式设计了大容量、高速存储模块，解决数据的本地存储问题。利用SZ05系列ZigBee模块设计无线传输模块。对无线模块进行了丢包率等方面的性能测试，实验结果证实无线收发模块能达到设计要求。独立设计各个模块的电源，并采取特别屏蔽及保护措施设计了模数转换模块的基准电压，保证基准电压的准确性。为易失性存储器SRAM设计了掉电的保护措施，保证数据可靠。 对ZigBee无线通讯协议进行了研究。对改进的选择循环信道接入机制进行分析，详细分析了该机制避免信道冲突的方法，对机制的实现方式进行了描述。在仿真条件下对星型网络的网络性能进行了实验。在丢包率、网络启动时间和吞吐量对两种机制进行了比较。实验结果表明，新机制对这三个方面的网络性能均有提升。 对井地电位数据采集节点进行了性能测试，包括校正功能测试、短路噪声测试、方波采集测试和油田野外现场试验。校正功能测试结果表明了系统有较好直流偏置补偿效果。输入短接方式测量结果表明系统采集误差在μV级别。电极短路测试表明噪声在这种环境下需要一定时间的稳定过程，，并逐渐平稳。方波采集测试表明系统可以分辨μV级别的信号，结果达到预期。
【关键词】：井地电位 数据采集 无线传输 ZigBee协议 网络性能
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TP274.2;TN929.5;TH763
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-16
• 1.1 研究的背景11-12
• 1.2 国内外发展现状12-14
• 1.3 本课题的研究意义14
• 1.4 研究内容及论文结构14-16
• 第2章 井地电位检测原理与工作方式16-19
• 2.1 井地电阻率层析技术16-17
• 2.2 工作方式17-19
• 第3章 数据采集节点设计19-44
• 3.1 数据采集需求分析19-20
• 3.2 采集节点硬件总体设计20-21
• 3.3 检波器电路及测试功能模块设计21-24
• 3.3.1 检波器电路21-22
• 3.3.2 校准模块设计22-23
• 3.3.3 接地电阻测量模块23-24
• 3.4 信号转换模块设计24-32
• 3.4.1 信号放大电路设计24-27
• 3.4.2 A/D 转换电路设计27-32
• 3.4.2.1 △-∑调制器设计27-29
• 3.4.2.2 数字滤波器设计29-32
• 3.5 时序控制单元32-34
• 3.6 存储模块设计34-38
• 3.7 无线收发模块设计38-40
• 3.8 主控制器设计40-42
• 3.9 小结42-44
• 第4章 采集节点关键技术研究44-50
• 4.1 自然电位和直流偏置补偿技术44-45
• 4.2 斩波去除放大器噪声技术45-46
• 4.3 过采样采集技术46-47
• 4.4 电路抗干扰技术47-50
• 4.4.1 数字与模拟信号隔离技术47-48
• 4.4.2 其他可靠性措施48-50
• 第5章 ZigBee 无线通信协议研究50-60
• 5.1 ZigBee 技术简介50-51
• 5.2 CSMA/CA 信道接入机制研究51-53
• 5.3 改进 CSMA/CA 信道接入机制53-56
• 5.3.1 改变初始退避指数53-54
• 5.3.2 改变退避指数范围及节点状态过渡方案54-56
• 5.4 仿真结果56-59
• 5.5 小结59-60
• 第6章 采集节点性能测试及实验60-65
• 6.1 校准功能测试60-61
• 6.1.1 偏置补偿测试60-61
• 6.1.2 接地电阻功能测试61
• 6.2 短路噪声测试61-62
• 6.3 方波采集测试62-63
• 6.4 无线通信实验63-65
• 第7章 全文总结65-67
• 7.1 论文总结65-66
• 7.2 进一步研究的展望66-67
• 参考文献67-70
• 作者简介及科研成果70-71
• 致谢71

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本文编号：294987