基于FSK無線通信的隨鉆測井系統(tǒng)設(shè)計

張林，陳客松

（電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，成都611731）

張林（碩士研究生），主要研究方向為陣列優(yōu)化及高速數(shù)字電路設(shè)計；陳客松（副教授），主要研究方向為陣列優(yōu)化及嵌入式系統(tǒng)設(shè)計。

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(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單片機為控制器，XR2206和XR2211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

要進行無線通信就必須對信號進行調(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”。載波的頻率隨二進制基帶信號在f1和f2兩個頻點間變化［1］。其表達式如式（1）所示，2FSK信號波形如圖1所示。

圖1 2FSK信號波形

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。

圖2 感應(yīng)通信示意圖

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(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。

圖3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

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120kHz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120kHz，載波頻率可以選在120kHz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［2］。

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0.01Hz～1MHz。

◆工作電壓為10～26V，頻率溫度穩(wěn)定性為20×10－6／C°。

由XR2206構(gòu)成的調(diào)制模塊電路如圖4所示。

圖4 調(diào)制模塊電路

根據(jù)前面的分析，選擇2FSK的兩個載波分別為f1＝110kHz，f2＝130kHz，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1000 pF。為得到f1和f2，可求得兩個定時電阻R1＝1／f1c＝9.09kHz，R2＝1／f2c＝7.7kHz，這里 R1和 R2分別選取一個5kΩ的電阻再串聯(lián)一個10kΩ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500Ω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10kΩ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0.01Hz～300kHz。

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

◆寬的動態(tài)范圍為10mV～3Vrms。

由XR2211構(gòu)成的解調(diào)模塊電路如圖5所示。

圖5 解調(diào)模塊電路

根據(jù)XR2211芯片手冊，按照其步驟計算出相關(guān)參數(shù)。中心頻率的推薦范圍是10～100kΩ，這里選取 R0＝16.67kΩ，則 C0＝1／f0R0＝500pF，R1＝2R0·f0／（f2－f1）＝200kΩ，C1＝1 250×C0／R10.52＝12pF；Rf≥5R1，取Rf＝1MΩ，RB≥5Rf，取RB＝5MΩ，Rsum＝（Rf＋R1）RB／（Rf＋R1＋RB）＝967kΩ；Cf＝0.25／（Rsum×波特率），當(dāng)波特率是9 600b／s時，Cf＝27pF。波特率是其他數(shù)值的時候相應(yīng)的改變Cf的值即可。以上計算得到的數(shù)值如果不是標(biāo)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(gòu)成所需的電阻或者電容。

2.2 濾波電路設(shè)計

由于信道環(huán)境惡劣，存在著各種噪聲，信號幾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(diào)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(yán)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［3］：

◆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0.01Hz～300kHz。

◆增益帶寬積為16MHz。

◆單5V電源供電或者±5V電源供電。

由MAX275構(gòu)成的帶通濾波電路如圖6所示。

圖6 帶通濾波電路

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130kHz，所以設(shè)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(nèi)?？稍O(shè)定其通頻帶范圍是105～135 kHz，根據(jù)這些要求可求出相關(guān)參數(shù)：R1＝5.1kΩ，R2＝16.7kΩ（可由10kΩ電阻串聯(lián)10kΩ電位器實現(xiàn)），R3＝16.7kΩ（可由10kΩ電阻串聯(lián)10kΩ電位器實現(xiàn)），R4＝11.7kΩ（可由11kΩ電阻串聯(lián)1kΩ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(diào)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(yīng)如圖7所示。

圖7 濾波器歸一化幅度響應(yīng)圖

由圖7可以看出，該濾波器通頻帶范圍大概是110～133kHz，中心頻率在121kHz左右，能夠滿足實際要求。

2.3 放大電路設(shè)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30mV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1MHz的運放，就不適合對頻率超過100kHz的信號進行放大，所以本文采用由三極管構(gòu)成的放大電路。設(shè)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(guān)于放大電路有很多書籍資料可供參考［4］，這里不再贅述。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)中軟件主要分兩部分：一是在系統(tǒng)調(diào)試過程中所需的測試軟件，比如產(chǎn)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(jié)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 600b／s時，系統(tǒng)誤碼率測試結(jié)果如表1所列。

表1 系統(tǒng)誤碼率測試結(jié)果

結(jié) 語

本文以XR2206和XR2211為調(diào)制解調(diào)芯片，AT89C51單片機為控制芯片，設(shè)計了一套FSK感應(yīng)通信系統(tǒng)，在實驗室得到驗證，獲得了9 600b／s的波特率。該系統(tǒng)可應(yīng)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(zhì)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(dāng)嚴(yán)重；另外受到香農(nóng)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(diào)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。

［1］繁昌信，曹麗娜.通信原理［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2008：184－186.

［2］衛(wèi)樺林.XR2206和XR2211調(diào)制解調(diào)器在遠距離點對點通信中的應(yīng)用［J］.電力系統(tǒng)通信，1995（5）：40－43.

［3］王彥文，劉清.基于MAX275的有源帶通濾波器的設(shè)計與應(yīng)用［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報，2005，29（1）：72－75.

［4］康光華，陳大欽，張林.電子技術(shù)基礎(chǔ)－模擬部分［M］.北京：高等教育出版社，2006：116－134.