基于FSK無線通信的隨鉆測井系統設計

　　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。

　　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。

　　2.1 調制模塊和解調模塊設計

　　通過對信道特性測試發現，在四級鉆桿級聯(共40m)、耦合線圈的匝數為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：

　　◆單片集成函數發生器，能產生高穩定度、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，頻率溫度穩定性為20×10-6/℃。

　　由XR2206構成的調制模塊電路如圖4所示。

　　根據前面的分析，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的電阻再串聯一個10 kΩ的電位器以便于準確調節。數字信號從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：

　　◆工作頻率范圍為0.01 Hz～300 kHz。

　　◆工作電壓為4.5～20 V，頻率溫度穩定性為20×10-6/℃，HCMOS/TTL/邏輯兼容性。

　　◆寬的動態范圍為10 mV～3 Vrms。

　　由XR2211構成的解調模塊電路如圖5所示。