基于FSK無線通信的隨鉆測井系統設計

張林，陳客松

（電子科技大學 電子工程學院，成都611731）

張林（碩士研究生），主要研究方向為陣列優化及高速數字電路設計；陳客松（副教授），主要研究方向為陣列優化及嵌入式系統設計。

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XR2211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［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。

圖2 感應通信示意圖

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。

圖3 系統硬件結構框圖

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120kHz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作為調制芯片，與其配對的XR2211作為解調芯片［2］。

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0.01Hz～1MHz。

◆工作電壓為10～26V，頻率溫度穩定性為20×10－6／C°。

由XR2206構成的調制模塊電路如圖4所示。

圖4 調制模塊電路

根據前面的分析，選擇2FSK的兩個載波分別為f1＝110kHz，f2＝130kHz，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的電阻再串聯一個10kΩ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作用是調節輸出的幅度；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：

◆ 工作頻率范圍為0.01Hz～300kHz。

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

◆寬的動態范圍為10mV～3Vrms。

由XR2211構成的解調模塊電路如圖5所示。

圖5 解調模塊電路

根據XR2211芯片手冊，按照其步驟計算出相關參數。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），當波特率是9 600b／s時，Cf＝27pF。波特率是其他數值的時候相應的改變Cf的值即可。以上計算得到的數值如果不是標稱值的電阻或者電容，可以采用串聯或者并聯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，實現簡單但參數調整困難，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，其主要的特性參數如下［3］：

◆通過外接不同電阻可以實現巴特沃斯、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構成的帶通濾波電路如圖6所示。

圖6 帶通濾波電路

根據MAX275手冊可以求出外圍元件的參數，由于選取的載波頻率分別是110kHz和130kHz，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。可設定其通頻帶范圍是105～135 kHz，根據這些要求可求出相關參數：R1＝5.1kΩ，R2＝16.7kΩ（可由10kΩ電阻串聯10kΩ電位器實現），R3＝16.7kΩ（可由10kΩ電阻串聯10kΩ電位器實現），R4＝11.7kΩ（可由11kΩ電阻串聯1kΩ電位器實現）。由于MAX275是兩級級聯的濾波器，因此兩級的參數可選取一樣，即R5＝R1，R6＝R2，R7＝R3，R8＝R4。調試電路時測試該濾波器的性能，得到數據后用MATLAB繪制，其幅度響應如圖7所示。

圖7 濾波器歸一化幅度響應圖

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 放大電路設計

任何通信系統都離不開放大電路，本系統也不例外。信號經過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。放大電路的實現方式很多，可以選擇分立元件搭建，也可以用集成運放實現。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截止失真和飽和失真，放大電路的組態很多，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［4］，這里不再贅述。

3 系統軟件設計

本系統中軟件主要分兩部分：一是在系統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據進行測試；二是在系統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議。如果對發送數據進行編碼，雖然可以提高通信系統的可靠性，降低誤碼率，但是會影響有效數據傳輸的速率，所以這里不對信道進行編碼。

4 測試方法及結果

該系統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進行測試。一臺PC機發送數據，另一臺PC機接收數據，比較發送的數據和接收的數據從而得到誤碼率。在波特率為9 600b／s時，系統誤碼率測試結果如表1所列。

表1 系統誤碼率測試結果

結 語

本文以XR2206和XR2211為調制解調芯片，AT89C51單片機為控制芯片，設計了一套FSK感應通信系統，在實驗室得到驗證，獲得了9 600b／s的波特率。該系統可應用于石油、天然氣等井下作業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，會出現載波頻率偏移等問題；電路的阻抗匹配是該系統的最大問題，信號往往是在失配條件下進行傳輸的，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。

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

［2］衛樺林.XR2206和XR2211調制解調器在遠距離點對點通信中的應用［J］.電力系統通信，1995（5）：40－43.

［3］王彥文，劉清.基于MAX275的有源帶通濾波器的設計與應用［J］.武漢理工大學學報，2005，29（1）：72－75.

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