УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОПРЯЖЕНИЯ И ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ГЕОФИЗИЧЕСКОЙ АППАРАТУРЫ С ПЕРСОНАЛЬНЫМ КОМПЬЮТЕРОМ

Полезная модель относится к области геофизических исследований скважин, а именно к сопряжению и взаимодействию геофизической аппаратуры с персональным компьютером. Устройство предназначено для приема и декодирования сигналов геофизической аппаратуры, как наземной, так и скважинной ее части с последующей передачей декодированной информации в персональный компьютер по универсальной последовательной шине USB [1], а также для кодирования и передачи управляющих команд с персонального компьютера на геофизическую аппаратуру.
Из предшествующего уровня техники известен ряд устройств, обеспечивающих сопряжение и взаимодействие геофизической аппаратуры с персональным компьютером.
Компьютеризированный геофизический регистратор, приведенный в [2] применяется, в том числе для приема информационных сигналов, поступающих от скважинного прибора по геофизическому кабелю. После декодирования данные передаются в персональный компьютер одновременно с некоторыми наземными каротажными параметрами (глубина, скорость движения лебедки, натяжение кабеля). Недостатком данного устройства является то, что часть регистратора, отвечающая за сопряжение и взаимодействие с геофизической аппаратурой, состоит из множества блоков, которые конструктивно выполнены отдельными модулями (узел коммутации, узел декодирования, интерфейс с датчиками глубины, интерфейс с компьютером). Это в свою очередь ведет к снижению надежности эксплуатации в условиях проведения полевых работ при геофизических исследованиях нефтегазовых скважин.
Наиболее близким по технической сущности устройством для сопряжения и взаимодействия геофизической аппаратуры с персональным компьютером является «блок МЕГА-МАКС», входящий в состав каротажной станции [3], представляющей собой компьютеризированный аппаратно-программный комплекс, предназначенный для проведения геофизических исследований в нефтяных и газовых скважинах. Данное устройство состоит из блока коммутации, микропроцессорного модуля, платы для взаимодействия с внешними блоками, модуля сигнального процессора обработки телеметрии скважинной аппаратуры и обеспечивает непрерывный сбор телеметрической информации от скважинной и наземной аппаратуры. Для этого устройства присущи те же недостатки, что и для устройства, приведенного в [4].
Большинство современных устройств, выполняющих функции сопряжения и взаимодействия геофизической аппаратуры с персональным компьютером являются составной частью геофизических регистраторов, конструктивно и функционально выполнены подобно устройствам, приведенным в [2] и [3]. Степень надежности при этом определяется выбором варианта схемно-конструктивного построения аппаратуры [4]. В большинстве случаев технический уровень реализации подобных устройств ниже (например, отсутствуют адаптивные аналоговые фильтры [5] для повышения помехоустойчивости при приеме кодированной информации с геофизической аппаратуры, что ведет к снижению надежности), чем в системах анализа и обработки сигналов, используемых в других отраслях промышленности для подавления шумов [6].
Данная полезная модель устраняет недостатки аналогов и прототипа.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является снижение энергопотребления, повышение надежности, безопасности, эргономичности по сравнению с уже известными техническими решениями за счет структурной и параметрической оптимизаций схемотехнических и конструкторских решений [7] [8] [9].
Технический результат достигается за счет того, что устройство для сопряжения и взаимодействия геофизической аппаратуры с персональным компьютером конструктивно выполнено в виде компактного и герметичного моноблока [10], содержащего печатную плату с установленными на ней интегральными микросхемами с низким энергопотреблением: операционных усилителей, усилителей мощности, аналоговых коммутаторов, микроконтроллеров [11] [12] [13] [14], аналого-цифровых преобразователей и цифровых потенциометров. Эти элементы входят в состав функционального блока обработки сигналов, который осуществляет прием/передачу и кодирование/декодирование информационных сигналов при проведении геофизических исследований скважин. Для подключения наземной и подземной части геофизической аппаратуры на печатной плате расположен функциональный блок соединительных контактов, для повышения безопасности содержащий элементы, обеспечивающие гальваническую развязку [15], также здесь размещены: разъем USB для соединения с персональным компьютером и разъем для подключения сети переменного тока 220 В. Кроме того, блок обработки сигналов снабжен управляющими программами, в которых реализованы функции адаптированной фильтрации, кодирования и декодирования для конкретного вида геофизической аппаратуры. Применение интегральных схем с низким энергопотреблением [16] [17], позволит в режиме приема информации использовать для питания устройства только напряжение 5 В, которое присутствует на соответствующем контакте разъема USB, согласно спецификации [1]. Поэтому, функциональный блок источника питания, который также расположен на печатной плате и состоит из трансформаторов и микросхем преобразователей, выполнен таким образом, что бы обеспечить питанием функциональные блоки устройства от интерфейса USB при отсутствии сети переменного тока 220 В.
В условиях проведения полевых работ при геофизических исследованиях нефтегазовых скважин в качестве персонального компьютера предпочтительнее использовать ноутбук в защищенном исполнении [18], поскольку он обладает повышенной устойчивостью к вибрации, ударам, большой запыленности и влажности, агрессивным химическим средам.
Сущность полезной модели поясняется на фигурах 1 и 2.
На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства: герметичный корпус - 1, в котором расположена печатная плата - 2; разъем USB для соединения с персональным компьютером - 3; блок соединительных контактов - 4; блок источника питания - 5; блок обработки сигналов - 6; разъем для подключения сети переменного тока 220 В - 7.
На фиг. 2 показана функциональная схема блока обработки сигналов: активный аналоговый фильтр - 1; аналого-цифровой преобразователь - 2; аналоговый коммутатор - 3; микроконтроллер - 4; цифровой потенциометр - 5; усилитель мощности - 6; канал связи для сигналов, не требующих декодирования и фильтрации - 7.
Устройство работает следующим образом.
С персонального компьютера через разъем USB 3 (фиг. 1) на устройство поступают управляющие команды, которые обрабатываются и кодируются в блоке обработки сигналов 6 (фиг. 1), после чего кодированная информация передается на геофизическую аппаратуру через блок соединительных контактов 4 (фиг. 1). Сюда же поступают информационные сигналы со скважинной и наземной части аппаратуры при проведении геофизических исследований скважин. С блока соединительных контактов 4 (фиг. 1) информационные сигналы подаются на блок обработки сигналов 6 (фиг. 1), где происходит их декодирование, предварительная обработка и передача в персональный компьютер по USB. Питание блока обработки сигналов и блока соединительных контактов обеспечивается блоком источника питания 5 (фиг. 1), в котором реализовано автоматическое переключение на входное напряжение, поступающее через разъем USB 3 (фиг. 1) при отсутствии сети переменного тока 220 В на разъеме 7 (фиг. 1).
Для реализации адаптированной фильтрации используется активный аналоговый фильтр 1 (фиг. 2), ко второму входу которого подключен выход аналогового коммутатора 3 (фиг. 2), а к третьему входу подключен выход цифрового потенциометра 5 (фиг. 2). Выход активного аналогового фильтра 1 (фиг. 2) подключен к входу аналого-цифрового преобразователя 2 (фиг. 2), выход которого соединен с первым входом микроконтроллера 4 (фиг. 2). Входы аналогового коммутатора 3 (фиг. 2) и цифрового потенциометра 5 (фиг. 2) соединены с первым и вторым выходами микроконтроллера 4 (фиг. 2) соответственно.
При приеме геофизических данных информационный сигнал с блока соединительных контактов поступает на первый вход активного фильтра 1 (фиг. 2), с выхода которого данные направляются на вход аналого-цифрового преобразователя 2 (фиг. 2). Оцифрованный сигнал с выхода аналого-цифрового преобразователя 2 (фиг. 2) поступает на первый вход микроконтроллера 4 (фиг. 2), где осуществляется анализ принятых данных с помощью методов, описанных в [5]. По результатам анализа происходит формирование сигналов управления для аналогового коммутатора 3 (фиг. 2) и цифрового потенциометра 5 (фиг. 2), тем самым обеспечивается перестройка активного аналогового фильтра и его адаптация к принимаемому сигналу. Аналоговым коммутатором осуществляется грубая настройка активного аналогового фильтра, а с помощью цифрового потенциометра производится точная настройка активного аналогового фильтра. Сигналы с геофизической аппаратуры, не требующие декодирования и фильтрации (например, с датчика глубины), поступают через блок соединительных контактов на второй вход микроконтроллера 4 (фиг. 2) по каналу связи 7 (фиг. 2). После успешного принятия информационных сигналов данные передаются в персональный компьютер по USB.
При передаче данных на геофизическую аппаратуру микроконтроллер 4 (фиг. 2) получает с персонального компьютера управляющие команды по USB, после чего происходит их анализ, кодирование и формирование управляющих сигналов, которые поступают на усилитель мощности 6 (фиг. 2), выход которого соединен с блоком соединительных контактов, а вход подключен к третьему выходу микроконтроллера 4 (фиг. 2).
Предлагаемая полезная модель может быть использована при проведении комплексных геофизических исследований в процессе разведки, бурения, освоения и эксплуатации скважин.
Экономическая эффективность предлагаемого устройства обусловлена снижением энергопотребления, повышением надежности, эргономичности.
Литература:
1. Universal Serial Bus Specification. Режим доступа: http://wvvw.usb.org/developers/docs/usb20_docs/ (дата обращения: 16.06.2014).
2. Блок каротажного регистратора ВУЛКАН V3. Режим доступа: http://www.npf-geofizika.ru/?part_id=41,251&obj_id=438 (дата обращения: 11.06.2014).
3. Каротажная станция МЕГА-МАКС. Режим доступа: http://www.tpg.ru/main.php?eng=&pid=8&id=50&print (дата обращения: 16.06.2014).
4. Комаров Ю.Л. Надежность радиоэлектронной аппаратуры. Учебное пособие. Казань: Изд-во Казан, гос. техн. ун-та. 2005. 304 с.
5. Адаптивные фильтры: Пер. с англ. / Грант П.М., Коуэн К.Ф.Н., Фридлендер Б. и др.; под ред. К.Ф.Н. Коуэна и П.М. Гранта. - М.: Мир, 1988. 388 с.
6. Пат. 2237965 РФ. МПК H03H 21/00, G01S 15/89, A61B 8/00. Способ цифровой адаптивной фильтрации сигналов и устройство для его выполнения / Баранник Е.А., Бойченко Ю.П., Марусенко А.И., Товстяк В.В.
7. Бельков В.Н., Ланшаков В.Л. Автоматизированное проектирование технических систем: Учебное пособие. Издательство «Академия Естествознания», 2009. 143 с.
8. Стороженко А.С. Разработка и исследование бионических алгоритмов решения задачи параметрической оптимизации для автоматизации схемотехнического проектирования. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Юж. федер. ун-т. Таганрог, 2009. 165 с.
9. Деньдобренко Б.Н., Малика А. Автоматизация конструирования РЭА: Учебник для вузов. - М., Высш. школа, 1980. 384 с.
10. Википедия. Моноблок. Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/Моноблок (дата обращения: 24.06.2014).
11. Сперанский B.C. Сигнальные микропроцессоры и их применение в системах Телекоммуникаций и электроники. Учебное пособие для вузов. - М.: Горячая линия-Телеком, 2008. 168 с.
12. Шишков А.Н. Микроконтроллеры. МАИ, каф. 404. Режим доступа: http://frela-mk.narod.ru/olderfiles/1/Mikrokontrollery.pdf (дата обращения: 23.06.2014).
13. И.В. Сопла, А.С. Самардак, В.А. Иванов. Микропроцессоры и микроконтроллеры. Владивосток: Изд-во Дальневосточного ун-та. 2009. 211 с.
14. Самоделов А. Новые двухъядерные микроконтроллеры для систем управления F28M35x семейства Concerto корпорации Texas Instruments. // Компоненты и технологии. 2011. №10-12.
15. Гук М., Аппаратные интерфейсы ПК. Энциклопедия. - СПб.: Питер, 2002. 528 с. Чередов А.Д. Организация ЭВМ и систем: Учеб. пособие. - Томск: Изд. ТПУ, 2000. 136 с.
16. Романов О. Микросхемы с низким энергопотреблением от компании Analog Devices. // Компоненты и технологии. 2004. №1-2.
17. Йеланд А. Микроконтроллер Cortex-M4 с низким энергопотреблением: все зависит от производителя. // Компоненты и технологии. 2013. №2.
18. М. Дьяков. Ноутбуки и планшеты в защищенном исполнении. Режим доступа: http://onotebook.ru/?p=1009&preview=true (дата обращения: 26.06.2014).