基于FSK無線通信的隨鉆測井系統(tǒng)設(shè)計

　　采用抗干擾能力比較強(qiáng)的FSK技術(shù)構(gòu)成感應(yīng)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(nèi)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(jī)為控制系統(tǒng)，設(shè)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。

　　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(jìn)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(shè)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(guān)重要。本文以AT89C51單片機(jī)為控制器，XR2206和XR22111分別為FSK調(diào)制解調(diào)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(diào)制理論和電磁感應(yīng)理論。

　　1.1 2FSK調(diào)制理論

　　要進(jìn)行無線通信就必須對信號進(jìn)行調(diào)制，數(shù)字調(diào)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(diào)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(jìn)制基帶信號在f1和f2兩個頻點間變化。其表達(dá)式如式(1)所示，2FSK信號波形如圖1所示。

　　1.2 電磁感應(yīng)理論

　　這里的無線通信實際上是一種感應(yīng)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(nèi)電流的變化會在其周圍產(chǎn)生交變的磁場，這個交變的磁場使另一個線圈(次線圈)產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，這就是感應(yīng)通信的原理，其示意圖如圖2所示。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。整個系統(tǒng)以兩片單片機(jī)為核心，以XR2206和XR2211為調(diào)制解調(diào)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(fù)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(jié)構(gòu)，因此在后面的分析中只分析單向信號傳輸?shù)哪K即可。當(dāng)然在實際的鉆井作業(yè)中，有的井深達(dá)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(jìn)行解調(diào)放大調(diào)制，實際上就是需要一個中繼模塊，該中繼模塊完成解調(diào)放大再調(diào)制的功能。

　　2.1 調(diào)制模塊和解調(diào)模塊設(shè)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(dāng)輸入120 kHz的正弦波時輸出信號的幅度最大，說明由感應(yīng)線圈構(gòu)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(diào)制芯片，與其配對的XR2211作為解調(diào)芯片。

　　XR2206主要性能參數(shù)：

　　◆單片集成函數(shù)發(fā)生器，能產(chǎn)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(gòu)成的調(diào)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(diào)制在f1上，把“0”調(diào)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(zhǔn)確調(diào)節(jié)。數(shù)字信號從9腳輸入，調(diào)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(diào)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(gòu)成的解調(diào)模塊電路如圖5所示。