本文關(guān)鍵詞：井地電位數(shù)據(jù)采集及無線通訊協(xié)議研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：我國對石油能源的消耗量巨大，而國內(nèi)的石油產(chǎn)量在逐年減少，石油能源的安全形勢不容忽視。針對這種情況，我國在最近的《國家科技發(fā)展綱要》中明確提出要開采復(fù)雜地質(zhì)條件的石油資源，提高老油田的采收率，緩解國家石油能源供應(yīng)緊張的現(xiàn)狀。老油田注水開采是實現(xiàn)油井增產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的重要手段，油井注水會導(dǎo)致地下底層電阻率的變化或者異常。井地電阻率成像方法是利用人工發(fā)射激發(fā)電場，用測量儀器測量反映到地表的電位變化，通過反演技術(shù)就可以知道地下底層的電阻率異常，進而可以描述出油井注水的注水走向以及波及范圍，給油井的注水開采提供技術(shù)支持。對激發(fā)電場形成的電位數(shù)據(jù)準確采集是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，本文針對這方面進行深入的研究。 本文的主要研究內(nèi)容主要分為兩大部分：一是井地電位數(shù)據(jù)采集的研究，二是ZigBee無線通信協(xié)議的研究。針對第一部分研究內(nèi)容，本文調(diào)研了多種相關(guān)儀器的設(shè)計以及同類產(chǎn)品的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢，提出了一種分布式的無線數(shù)據(jù)傳輸井地電位采集節(jié)點設(shè)計方案。分析了井地電位的信號特征，對方案進行了論證并進行了儀器的設(shè)計和相關(guān)技術(shù)的研究，對采集節(jié)點的性能進行了多方面的測試并對測試結(jié)果進行了分析，實驗結(jié)果表明節(jié)點的設(shè)計達到了設(shè)計要求，能充分滿足井地電位數(shù)據(jù)采集的要求。第二部分對ZigBee的通信協(xié)議進行了研究，從ZigBee協(xié)議的特點入手，分析了ZigBee協(xié)議與同類協(xié)議相比較的優(yōu)勢。在深入研究ZigBee協(xié)議之后指出了協(xié)議在本文應(yīng)用條件下存在的不足之處，重點是協(xié)議的信道接入機制存在的缺陷。針對這一問題，本文提出了一種選擇循環(huán)信道共享機制，對該機制進行了分析和描述。最后對該機制就行了仿真測試表明，在本文的應(yīng)用條件下，該機制對丟包率、網(wǎng)絡(luò)反應(yīng)時間和吞吐量等網(wǎng)絡(luò)性能都有改善。 采集節(jié)點采用“MSP430主控制器+FPGA從控制器”作為系統(tǒng)控制部分，采用模塊化設(shè)計各個功能部分，包括：系統(tǒng)校正模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）、時序控制單元、大容量存儲模塊、無線收發(fā)模塊、電源及掉電保護模塊等。校正功能包括直流偏置的補償和接地電阻的測試功能。放大部分利用斬波技術(shù)去除放大器的失調(diào)電壓和1/f噪聲。ADC模塊采用“調(diào)制器+數(shù)字濾波器”的設(shè)計方式，利用Δ-∑調(diào)制技術(shù)和過采樣采集技術(shù)，提高了系統(tǒng)采集的分辨率。通過實驗驗證了采集精度和穩(wěn)定性。利用FPGA控制模數(shù)采集的時序，達到了采集要求。利用FPGA設(shè)計緩存FIFO，解決ADC和主控制器之間的速率匹配問題。利用FPGA控制大容量SRAM的形式設(shè)計了大容量、高速存儲模塊，解決數(shù)據(jù)的本地存儲問題。利用SZ05系列ZigBee模塊設(shè)計無線傳輸模塊。對無線模塊進行了丟包率等方面的性能測試，實驗結(jié)果證實無線收發(fā)模塊能達到設(shè)計要求。獨立設(shè)計各個模塊的電源，并采取特別屏蔽及保護措施設(shè)計了模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的基準電壓，保證基準電壓的準確性。為易失性存儲器SRAM設(shè)計了掉電的保護措施，保證數(shù)據(jù)可靠。 對ZigBee無線通訊協(xié)議進行了研究。對改進的選擇循環(huán)信道接入機制進行分析，詳細分析了該機制避免信道沖突的方法，對機制的實現(xiàn)方式進行了描述。在仿真條件下對星型網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)性能進行了實驗。在丟包率、網(wǎng)絡(luò)啟動時間和吞吐量對兩種機制進行了比較。實驗結(jié)果表明，新機制對這三個方面的網(wǎng)絡(luò)性能均有提升。 對井地電位數(shù)據(jù)采集節(jié)點進行了性能測試，包括校正功能測試、短路噪聲測試、方波采集測試和油田野外現(xiàn)場試驗。校正功能測試結(jié)果表明了系統(tǒng)有較好直流偏置補償效果。輸入短接方式測量結(jié)果表明系統(tǒng)采集誤差在μV級別。電極短路測試表明噪聲在這種環(huán)境下需要一定時間的穩(wěn)定過程，，并逐漸平穩(wěn)。方波采集測試表明系統(tǒng)可以分辨μV級別的信號，結(jié)果達到預(yù)期。
【關(guān)鍵詞】：井地電位 數(shù)據(jù)采集 無線傳輸 ZigBee協(xié)議 網(wǎng)絡(luò)性能
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號】：TP274.2;TN929.5;TH763
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 緒論11-16
• 1.1 研究的背景11-12
• 1.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀12-14
• 1.3 本課題的研究意義14
• 1.4 研究內(nèi)容及論文結(jié)構(gòu)14-16
• 第2章 井地電位檢測原理與工作方式16-19
• 2.1 井地電阻率層析技術(shù)16-17
• 2.2 工作方式17-19
• 第3章 數(shù)據(jù)采集節(jié)點設(shè)計19-44
• 3.1 數(shù)據(jù)采集需求分析19-20
• 3.2 采集節(jié)點硬件總體設(shè)計20-21
• 3.3 檢波器電路及測試功能模塊設(shè)計21-24
• 3.3.1 檢波器電路21-22
• 3.3.2 校準模塊設(shè)計22-23
• 3.3.3 接地電阻測量模塊23-24
• 3.4 信號轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計24-32
• 3.4.1 信號放大電路設(shè)計24-27
• 3.4.2 A/D 轉(zhuǎn)換電路設(shè)計27-32
• 3.4.2.1 △-∑調(diào)制器設(shè)計27-29
• 3.4.2.2 數(shù)字濾波器設(shè)計29-32
• 3.5 時序控制單元32-34
• 3.6 存儲模塊設(shè)計34-38
• 3.7 無線收發(fā)模塊設(shè)計38-40
• 3.8 主控制器設(shè)計40-42
• 3.9 小結(jié)42-44
• 第4章 采集節(jié)點關(guān)鍵技術(shù)研究44-50
• 4.1 自然電位和直流偏置補償技術(shù)44-45
• 4.2 斬波去除放大器噪聲技術(shù)45-46
• 4.3 過采樣采集技術(shù)46-47
• 4.4 電路抗干擾技術(shù)47-50
• 4.4.1 數(shù)字與模擬信號隔離技術(shù)47-48
• 4.4.2 其他可靠性措施48-50
• 第5章 ZigBee 無線通信協(xié)議研究50-60
• 5.1 ZigBee 技術(shù)簡介50-51
• 5.2 CSMA/CA 信道接入機制研究51-53
• 5.3 改進 CSMA/CA 信道接入機制53-56
• 5.3.1 改變初始退避指數(shù)53-54
• 5.3.2 改變退避指數(shù)范圍及節(jié)點狀態(tài)過渡方案54-56
• 5.4 仿真結(jié)果56-59
• 5.5 小結(jié)59-60
• 第6章 采集節(jié)點性能測試及實驗60-65
• 6.1 校準功能測試60-61
• 6.1.1 偏置補償測試60-61
• 6.1.2 接地電阻功能測試61
• 6.2 短路噪聲測試61-62
• 6.3 方波采集測試62-63
• 6.4 無線通信實驗63-65
• 第7章 全文總結(jié)65-67
• 7.1 論文總結(jié)65-66
• 7.2 進一步研究的展望66-67
• 參考文獻67-70
• 作者簡介及科研成果70-71
• 致謝71

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