油井下的声波无线通信技术的模拟研究

方案

声波无线传输系统进行模拟时，信息源即为声波源。由计算机发送出窄带调频波信号，该信号被LM567音频解码模块接收，连接STM32-V5开发板，通过计算机处理得到解调后结果，与编码比较从而判断解码是否正确，以验证无线声波传输系统的可行性。模拟系统流程如图3所示。

2.2 基于安富莱STM32-V5和LM567音频芯片的解码设计

2.2.1 安富莱STM32-V5开发板

安富莱STM32-V5开发板与之前的STM32系列相比具有重大突破，开发板拓展了多项功能，可以外接更多模块，例如MP3音频解码模块、OLED显示模块、摄像头模块、双路16位ADC模块、示波器模块、nRF24L01无线模块、AD7606数据采集模块、GPS模块等;显示界面完善，支持多种触摸液晶屏，底层驱动自动识别，可以实现所有显示模块的相同固件支持。

2.2.2 LM567音频解码模块

该模块采用LM567鉴频芯片，模块实物如图4所示。

模块搭载麦克风、LM358双运放、LM567鉴频器、调节频率的电位器、电源指示灯和输出指示灯，右边6个引脚分别代表地管脚、电源管脚、输出管脚、鉴频器信号输入管脚、鉴频器耦合频率输出管脚、放大器实时输出管脚。模块电路如图5所示。

LM567是一种常见的锁相环电路音调解码器，主要用于振荡、调制、解调和遥控编解码电路。该芯片内部结构较为复杂，包含一个稳定的锁相环路和一个晶体管开关，为了让主要的锁相环路保持相对稳定，特加入电流控制振荡器、鉴相器和反馈滤波器。当输入端接收到选定的音频时，即可产生一个接地方波[4]。当输入信号于通带内时提供饱和晶体管对地开关，电路由I与Q检波器构成，由电压控制振荡器驱动振荡器确定译码器中心频率。用外接元件独立设定中心频率带宽和输出延时。其工作时类似于一个低压电源开关，当接收到一个位于所选定窄频带内的输入音调时，开关接通，当用作音调控制开关时，频率范围为0.1～500 kHz，检测带宽可以设定在中心频率14%内的任意值。输出开关延时可以通过选择外电阻和电容在一个宽时间范围内任意改变[4]。此模块的1，2引脚分别表示输出滤波和回路滤波;3，8代表输入输出端口;5，6则是定时电阻和定时电容端。

此模块工作时会对输入频率和设定频率进行比较，自动滤除其他频率的声音，相同时才输出低电平信号。搭载鉴频器能够对固定频率音频信号进行识别，搭载放大器将麦克风拾取的声音信号进行100倍放大。此外，模块上还有精密电位器，接收到声波信号后调整电位器，将此频率固定，方便对比。

3 操作系统实现

3.1 音频模块与开发板连接

在安富莱STM32-V5开发板上配有摇杆和各种按钮，开发设计图如图6所示，摇杆原理如图7所示。PH2，PH3分别代表摇杆上下键的引脚，且每触发一次上下键相当于输出一次低电平，就需要将该输出定义的变量进行修改，并判断PH2或PH3引脚的状态。如果输出是低电平，则返回“0”，输出是高电平则返回“1”。将2个LM567音频解码模块的输出脚接入到摇杆上下键的引脚上，每次接收到不同频率的声波信号时，会将输出量输入到引脚上表示摇杆被触发。

3.2 定义解码成果

之前的编码利用两种不同频率的声波信号，将其定义为“0”和“1”，解码时液晶屏上显示十六进制数，可方便呈现编码结果。例如编码时将“0”“1”按照0 1 0 1 0 1 0 1排序，那么解码后在液晶屏上显示的十六进制数即为55。

3.3 解码程序设计

硬件选用的音频解码模块输出量为一个低电平，且编码设计时程序定义了两个量进行排序，所以设计解码程序时就要考虑加入循环语句。将解码转换成十六进制数，加上循环结构可以使用循环移位计算。具体设计流程如图8所示。

当500 Hz解调电路模块输出为低电平且600 Hz解调电路模块输出为高电平时，证明接收的声波信号代表数字1，即摇杆上键被按下，此时先进位1，再进行携带进位的8位数组的左移运算，使最后一位变成1。下一次接收到的信号如果为0，即当500 Hz解调电路模块输出高电平且600 Hz解调电路模块输出为低电平时，证明接收到的声波信号代表数字0，类似摇杆下键被按下，此时先将进位位置0，再携带进位左移，则最后一位变成0，倒数第二位變成1。每个按键8位是一个循环，两个按键即接收16位是完整的一次循环。将该16位信息转换成十六进制数显示在液晶屏，得到解码结果，如图9所示。

4 结 语

（1）文中分析了声波信号在油管柱传输时的特性，包括声波的波动方程、沿油管柱传输时的衰减特性、井下传输的噪声干扰等，得出了声波在井下传输时会有一种梳状滤波器结构特性， 从而要求井下声波传输时考虑选择窄带调频波作为模拟系统搭建的媒介。

（2）文中分析了实际操作系统如何达到声波调制和解调的目的，分析如何生成窄带调频波与LM567音频解码模块的功能特性，并对开发板和音频解码模块如何连接进行了详细分析，从而实现了拾取声波、解码显示的目的。

参 考 文 献

[1]方奇.通信信号调制识别算法研究[D].长沙：国防科学技术大学，2011.

[2]居滋培，林燕凌，王斌，等.基于LabVIEW的微波频偏软测量方法研究[J].自动化仪表，2008（1）：21-23.

[3]何燕侠.井下声波传输信号检测技术研究[D].西安：西安石油大学，2013.

[4]黄昆.存储技术快速变迁—直连方式存储是否会成为历史[J].中国计算机用户，2006（44）：38.

[5]束文杰.基于钻柱信道的井下声波通信方法的研究[D].北京：中国石油大学，2012.

[6]胡长翠，张明友，张琴，等.井下测试数据无线传输技术探讨[J].钻采工艺，2011（1）：48-50.

[7]张子钢.油井下数字无线电传输技术研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2001.

[8]王颖.井下无线传输技术[D].西安：西安石油大学，2010.

[9]段志峰.油气井随钻声波遥测系统的结构设计[D].北京：中国石油大学，2011.

[10]刘峰，顾中国，李斌，等.油井现场噪声采集及分析[J].声学技术，2003（Z2）：316-318.

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