基于FSK無線通信的隨鉆測井系統設計

摘要：采用抗干擾能力比較強的FSK技術構成感應通信系統，利用耦合線圈來實現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據比特率。本文以AT89C51單片機為控制系統，設計了一套可以實現雙向通信的FSK系統，并測試了該系統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、高壓的環境進行實時的了解，所以對信號傳輸的實時性要求很高。但是井下的環境惡劣，通信系統里存在各種干擾，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對這類作業來說至關重要。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 系統硬件設計
系統的硬件結構框圖如圖3所示。整個系統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。系統可實現雙向通信(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的模塊即可。當然在實際的鉆井作業中，有的井深達千米，需要多級鉆桿級聯，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。