西安石油大學光電油氣測井與檢測教育部重點實驗室 王添翼
時間是物理學的基本單位之一,它也是物質存在的基本形式之一,既所謂四維時空坐標的第四維。由于兩井之間的地下介質復雜,一口井發射電磁波信號和另一口接收信號在井間探測過程中,如果缺少時間這個參量,去分析地層特性,那么將變得非常困難,所以提高信號的時間同步的精度,對于分析地層特性來說,是十分有意義的。本文以應用為向導,研究基于GPS的低成本實時性的高精度時間同步系統在探測井間剩余油的應用。
在地球物理探測領域,通常采用同步技術有三種,GPS衛星導航定位系統是美國國防部的衛星導航定位系統。GPS不但可以用來精密定位,還可以用來精密定時,GPS提供的高精度系統信號,其精度可以達到10-12到10-13量級。這樣的精度在許多的實際應用中都能達到要求。
GPS時間系統是由GPS系統定義和使用的時間系統。衛星定位系統以時間為基本觀測量,由于衛星高速飛行,因此,要求時間系統必須十分精確,否則,就會帶來很大的距離誤差。GPS時間系統以原子頻率標準作為時間基準[5],以1980年1月6日0時作為起點。它不存在跳秒,它的時間與協調時秒以下的差異可以保持在100μS內,并定期公布誤差,在星歷文件中發布的衛星鐘差就是相對GPS時間系統的鐘差。GPS接收機每秒發生時刻輸出脈沖信號,即秒脈沖PPS,并在稍后(約0.5s),通過串行通信端口發送該秒時刻的國際標準時間(時、分、秒數值)和當前GPS接收機天線的地理定位信息[6]。利用GPS秒脈沖和絕對時標(串行通信數據信號)定時對傳感器節點進行同步觸發。GPS接收機穩定接收衛星信號后,秒脈沖信號的邊沿時刻與標準時間的秒時刻定時誤差小于40ns。若定義GPS接收機給出的秒脈沖時刻與標準時鐘的偏差為定時偏差,定義GPS接收機輸出的秒脈沖周期的起伏程度為定時穩定度,則GPS接收機產品的定時偏差指標和定時穩定度典型值通常40ns。換言之,GPS接收機的輸出可作為時間基準應用于同步控制裝置,一般均可以滿足實驗數據同步的要求。
XBEE Pro模塊設計滿足IEEE 802 15.4標準,工作頻率2.4GHz。作為一種新興的中距離、低速率的無線模塊,在這個領域里得到了廣泛關注和應用。該模塊體積小,功耗低,傳輸距離最大可達到1500m(室外),接口簡單,容易使用。
XBEE Pro模塊的基本性能參數如下:發射功率1mW,接收靈敏度-92dBM,RF傳輸速率250Kbit/s;在3.3v電源下,發送的電流45mA,接收電流50mA。
XBee Pro模塊可以通過UART接口直接與控制器的UART接口相連,硬件接口簡單實用。圖1給出了Microchip公司的微控制器PIC16F887與XBee Pro的連接方法。除了將控制器和XBee Pro的UART發送和接收互連之外,用控制器的PORTC的第0個引腳RC0控制XBee Pro的SLEEP_RQ信號,可以在需要時控制XBee Pro模塊進入睡眠模式。由于沒有使用硬件流程控制,為了防止緩沖器溢出,在進行模塊參數配置時必須使UART接口的傳輸速率小于XBee Pro模塊的數據傳輸速率。
圖1 PIC16F887與XBee Pro的連接方法
GPS作為系統的一部分,它必須滿足體積小、能耗低、可靠性高、授時精度高、數據更新頻率快等基本工作要求。在本系統的設計中采用的GPS模塊是Stsail公司生產的H-8123定位授時模塊,H-8123在僅為25.0×28.0×7.5mm大小的模塊上融合了高靈敏度、低功耗等特點。該模塊采用16并行跟蹤通道設計,接收來自L1波段的C/A碼信息,跟蹤靈敏度達-160dBm,將定位和授時范圍擴展到傳統GPS接收機不能覆蓋的地方。數據最大更新頻率為5Hz,熱啟動時間小于1s,冷啟動時間小于32s,重新捕獲時間小于1s,且動態性能達到515m/s,工作電壓范圍為3.5g~5.25V。該模塊具有很高的授時精度,1PPS脈沖的上升沿表示同步準確時刻,其均方根誤差為50ns,99%小于100ns,粒度為43ns,在GPS接收機取得有效導航解后,通過串口默認輸出按照美國國家海洋電子協會的NEMA 0183 ASCⅡ碼接口編碼的數據[7],其中包含1PPS同步脈沖的UTC時刻,如圖2所示。
圖2 1PPS與 UTC時刻關系圖
圖3 系統硬件組成圖
本系統使用由Stsail公司生產的H-8123定位授時模塊,它采用U-blox公司生產的G6010主芯片,授時誤差〈30μS,主控MCU采用PIC16f877,無線模塊采用zigbee技術的XBEE模塊。本系統工作原理:單片機實時接收GPS的時間信號,當有觸發信號經過AD模塊進入單片機,單片機進入中斷程序,將時間信息和觸發信號的幅值與周期進行二次編碼,生成數據包,發射端由XBEE無線發射模塊將此數據包進行透傳,發送給接收端XBEE模塊,接收端單片機接收到數據包后進行解碼。通過串口上傳給上位機程序予以顯示。如圖3所示。
在MCU收到觸發信號時,MCU將對觸發信號進行分析,并將此時刻的GPS的時間信號提取出來,進行編碼,通過無線模塊發送與接收,并在上位機予以顯示。具體程序流程圖如圖4所示。
圖4 工作流程
通過實驗發現。在此機制上建立的時間同步實現方法。通過示波器觀察,系統實驗誤差小于〈25μS。能夠滿足井間探測同步要求。
本文在無線傳感器通過GPS時間定位系統中,通過只在發射端嵌入一個GPS接收機,運用GPS的授時原理,利用GPS的秒脈沖和絕對時標,采用無線透傳方式對接收傳感器節點進行同步觸發、時鐘校準、同步采集并存儲采集時刻的時間,從而在時鐘校準的基礎上,達到理想的同步采集誤差15μS左右,采用這種設計不但可以克服通過電纜同步的地理障礙,而且,提高了實驗的智能化,提高了測試的準確性。
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