基于FSK無線通信的隨鉆測井系統(tǒng)設計

摘要：采用抗干擾能力比較強的FSK技術構成感應通信系統(tǒng)，利用耦合線圈來實現(xiàn)鉆桿之間的無線通信，鉆桿內部采用同軸電纜傳輸信息，這樣可以獲得較高的數(shù)據(jù)比特率。本文以AT89C51單片機為控制系統(tǒng)，設計了一套可以實現(xiàn)雙向通信的FSK系統(tǒng)，并測試了該系統(tǒng)的可靠性以及誤碼率。
關鍵詞：感應通信；頻移鍵控；調制解調

引言
    石油、天然氣是人類賴以生存的自然資源，在鉆井開采過程中需要對井下高溫、高壓的環(huán)境進行實時的了解，所以對信號傳輸?shù)膶崟r性要求很高。但是井下的環(huán)境惡劣，通信系統(tǒng)里存在各種干擾，所以設計一套既能抗干擾、又能以較快的波特率傳輸信號的系統(tǒng)對這類作業(yè)來說至關重要。本文以AT89C51單片機為控制器，XR2206和XR22111分別為FSK調制解調芯片，在實驗室搭建并模擬了整個通信過程。

1 理論分析
    該系統(tǒng)主要涉及兩個理論：2FSK調制理論和電磁感應理論。
1．1 2FSK調制理論
    要進行無線通信就必須對信號進行調制，數(shù)字調制的方式有很多種，比如ASK、FSK、PSK等，綜合考慮后這里選擇既具有一定抗干擾能力同時又簡單易行的2FSK調制。2FSK就是利用不同頻率的正弦波去代表數(shù)字信號“0”和“1”。載波的頻率隨二進制基帶信號在f1和f2兩個頻點間變化。其表達式如式(1)所示，2FSK信號波形如圖1所示。
   

1．2 電磁感應理論
    這里的無線通信實際上是一種感應通信，在兩個鉆桿的相鄰處放置兩個線圈，其中一個線圈(主線圈)內電流的變化會在其周圍產生交變的磁場，這個交變的磁場使另一個線圈(次線圈)產生感應電動勢，這就是感應通信的原理，其示意圖如圖2所示。

2 系統(tǒng)硬件設計
    系統(tǒng)的硬件結構框圖如圖3所示。整個系統(tǒng)以兩片單片機為核心，以XR2206和XR2211為調制解調芯片，以MAX275為帶通濾波器芯片，放大電路采用基本的共射極放大電路。系統(tǒng)可實現(xiàn)雙向通信(不是全雙工，只能工作在半雙工方式下，即信道可以分時復用)，地面主要向下傳輸控制信號，井下向上傳輸溫度、壓力等信息，上下具有對稱結構，因此在后面的分析中只分析單向信號傳輸?shù)哪K即可。當然在實際的鉆井作業(yè)中，有的井深達千米，需要多級鉆桿級聯(lián)，所以每過3到5級鉆桿后需要對信號進行解調放大調制，實際上就是需要一個中繼模塊，該中繼模塊完成解調放大再調制的功能。

2．1 調制模塊和解調模塊設計
    通過對信道特性測試發(fā)現(xiàn)，在四級鉆桿級聯(lián)(共40m)、耦合線圈的匝數(shù)為400匝(耦合線圈采用的銅絲半徑0．2mm)的情況下，當輸入120 kHz的正弦波時輸出信號的幅度最大，說明由感應線圈構成的信道的諧振頻率是120 kHz，載波頻率可以選在120 kHz附近，因此采用價格低廉、滿足要求的XR2206作為調制芯片，與其配對的XR2211作為解調芯片。
    XR2206主要性能參數(shù)：
    ◆單片集成函數(shù)發(fā)生器，能產生高穩(wěn)定度、高精度的正弦波、方波、三角波等波形。
    ◆工作頻率的范圍為0．01 Hz～1 MHz。
    ◆工作電壓為10～26 V，頻率溫度穩(wěn)定性為20×10-6／℃。
    由XR2206構成的調制模塊電路如圖4所示。

    根據(jù)前面的分析，選擇2FSK的兩個載波分別為f1=110 kHz，f2=130 kHz，把“1”調制在f1上，把“0”調制在f2上。XR2206的5、6腳之間的電容為定時電容，取為1000pF。為得到f1和f2，可求得兩個定時電阻R1=1／f1c=9．09 kHz，R2=1／f2c=7．7 kHz，這里R1和R2分別選取一個5 kΩ的電阻再串聯(lián)一個10 kΩ的電位器以便于準確調節(jié)。數(shù)字信號從9腳輸入，調制后的信號從2腳輸出；13、14腳串接的500 Ω的電位器可以改善輸出波形；3腳所接的電位器R3作用是調節(jié)輸出的幅度；15、16腳串接的10 kΩ的電位器可以改善輸出正弦波形的畸變。
    XR2211性能參數(shù)：
    ◆工作頻率范圍為0．01 Hz～300 kHz。
    ◆工作電壓為4．5～20 V，頻率溫度穩(wěn)定性為20×10-6／℃，HCMOS／TTL／邏輯兼容性。
    ◆寬的動態(tài)范圍為10 mV～3 Vrms。
    由XR2211構成的解調模塊電路如圖5所示。

    根據(jù)XR2211芯片手冊，按照其步驟計算出相關參數(shù)。中心頻率，R0的推薦范圍是10～100 kΩ，這里選取R0=16．67 kΩ，則C0=1／f0R0=500 pF，R1=2R0·f0／(f2-f1)=200 kΩ，C1=1 250×C0／R10．52=12 pF；Rf≥5R1，取Rf=1 MΩ，RB≥5Rf，取RB=5 MΩ，Rsum=(Rf+R1)RB／(Rf+R1+RB)=967 kΩ；Cf=0．25／(Rsum×波特率)，當波特率是9 600 b／s時，Cf=27 pF。波特率是其他數(shù)值的時候相應的改變Cf的值即可。以上計算得到的數(shù)值如果不是標稱值的電阻或者電容，可以采用串聯(lián)或者并聯(lián)的方式構成所需的電阻或者電容。
2．2 濾波電路設計
    由于信道環(huán)境惡劣，存在著各種噪聲，信號兒乎都淹沒在噪聲里面，所以需要對信號進行濾波。這里需要一個帶通濾波器，如果選擇普通的有源濾波器，實現(xiàn)簡單但參數(shù)調整困難，而且要用在頻率較高的場合。由于元件周圍的分布電容將嚴重影響濾波器的特性，其穩(wěn)定性也較差。這里選擇模擬集成有源濾波器MAX275，使用MAX275可以避免有源濾波器的缺點，其主要的特性參數(shù)如下：
    ◆通過外接不同電阻可以實現(xiàn)巴特沃斯、切比雪夫、貝賽爾型的低通、帶通濾波器。
    ◆濾波器的中心頻率范圍為0．01 Hz～300 kHz。
    ◆增益帶寬積為16 MHz。
    ◆單5 V電源供電或者±5 V電源供電。
    由MAX275構成的帶通濾波電路如圖6所示。

    根據(jù)MAX275手冊可以求出外圍元件的參數(shù)，由于選取的載波頻率分別是110kHz和1 30 kHz，所以設定帶通濾波器的中心頻率為120kHz，且兩個載波頻率必須在濾波器的通帶以內?？稍O定其通頻帶范阿是105～135kHz，根據(jù)這些要求可求出相關參數(shù)：R1=5．1 kΩ，R2=16．7 kΩ(可由10 kΩ電阻串聯(lián)10 kΩ電位器實現(xiàn))，R3=16．7 kΩ(可由10 kΩ電阻串聯(lián)10 kΩ電位器實現(xiàn))，R4=11．7 kΩ(可由11 kΩ電阻串聯(lián)1 kΩ電位器實現(xiàn))。由于MAX275是兩級級聯(lián)的濾波器，因此兩級的參數(shù)可選取一樣，即R5=R1，R6=R2，R7=R3，R8=R4。調試電路時測試該濾波器的性能，得到數(shù)據(jù)后用MATLAB繪制，其幅度響應如圖7所示。

    由圖7可以看出，該濾波器通頻帶范圍大概是110～133 kHz，中心頻率在121 kHz左右，能夠滿足實際要求。
2．3 放大電路設計
    任何通信系統(tǒng)都離不開放大電路，本系統(tǒng)也不例外。信號經(jīng)過4級鉆桿后只有30 mV左右，完全被噪聲淹沒，所以至少要把信號放大100倍以上才能滿足后級電路的處理要求。放大電路的實現(xiàn)方式很多，可以選擇分立元件搭建，也可以用集成運放實現(xiàn)。但是這里必須注意集成運放有一個增益帶寬積，比如對于一個增益帶寬積為1 MHz的運放，就不適合對頻率超過100 kHz的信號進行放大，所以本文采用由三極管構成的放大電路。設計放大電路時要注意選取截止頻率比較高的三極管，這里選擇高頻小功率管3DG100，要確保三極管對有用信號的放大不會出現(xiàn)截止失真和飽和失真，放大電路的組態(tài)很多，這里選擇共射極放大電路。一級放大電路顯然不能滿足放大的要求，采用二級放大電路后可滿足要求，同時共射極放大電路輸出與輸入反相，二級放大后的輸出與輸入就滿足同相的要求了。關于放大電路有很多書籍資料可供參考，這里不再贅述。

3 系統(tǒng)軟件設計
    本系統(tǒng)中軟件主要分兩部分：一是在系統(tǒng)調試過程中所需的測試軟件，比如產生特定頻率的方波信號來模擬二進制的“1”和“0”，可在單片機外圍增加一個鍵盤電路來靈活地選擇不同波特率的數(shù)據(jù)進行測試；二是在系統(tǒng)工作過程中起控制作用的軟件，用于控制信息的傳輸方向等。軟件的編寫必須遵守單片機與計算機的串口通信協(xié)議。如果對發(fā)送數(shù)據(jù)進行編碼，雖然可以提高通信系統(tǒng)的可靠性，降低誤碼率，但是會影響有效數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?，所以這里不對信道進行編碼。

4 測試方法及結果
    該系統(tǒng)的測試遵循從部分到整體的原則，先對每個模塊進行測試，每個模塊測試完畢后再對整個系統(tǒng)進行測試。一臺PC機發(fā)送數(shù)據(jù)，另一臺PC機接收數(shù)據(jù)，比較發(fā)送的數(shù)據(jù)和接收的數(shù)據(jù)從而得到誤碼率。在波特率為9 600 b／s時，系統(tǒng)誤碼率測試結果如表1所列。

結語
    本文以XR2206和XR2211為涮制解調芯片，AT89C51單片機為控制芯片，設計了一套FSK感應通信系統(tǒng)，在實驗室得到驗證，獲得了9 600 b／s的波特率。該系統(tǒng)可應用于石油、天然氣等井下作業(yè)以及海洋資源的探測工作。但是相對于國外的水平還有待提高，在實際運用中該系統(tǒng)還有很多因素要考慮：在器件選擇方面，精度太差的電阻和電容會影響信號的質量，會出現(xiàn)載波頻率偏移等問題；電路的阻抗匹配是該系統(tǒng)的最大問題，信號往往是在失配條件下進行傳輸?shù)?，在耦合線圈處信號的損失相當嚴重；另外受到香農定理的限制，該系統(tǒng)的通信速率不可能很高，可以考慮把信號調制到更高的頻段上，但是此時又要在耦合線圈處增加電容、電感等元件改變信道的諧振點，使其諧振在更高的頻段上。上面的這些問題在以后工作中都是需要認真研究的。