基于FSK无线通信的随钻测井系统设计

摘要：采用抗干扰能力比较强的FSK技术构成感应通信系统，利用耦合线圈来实现钻杆之间的无线通信，钻杆内部采用同轴电缆传输信息，这样可以获得较高的数据比特率。本文以AT89C51单片机为控制系统，设计了一套可以实现双向通信的FSK系统，并测试了该系统的可靠性以及误码率。
关键词：感应通信；频移键控；调制解调

引言
    石油、天然气是人类赖以生存的自然资源，在钻井开采过程中需要对井下高温、高压的环境进行实时的了解，所以对信号传输的实时性要求很高。但是井下的环境恶劣，通信系统里存在各种干扰，所以设计一套既能抗干扰、又能以较快的波特率传输信号的系统对这类作业来说至关重要。本文以AT89C51单片机为控制器，XR2206和XR22111分别为FSK调制解调芯片，在实验室搭建并模拟了整个通信过程。

1 理论分析
    该系统主要涉及两个理论：2FSK调制理论和电磁感应理论。
1．1 2FSK调制理论
    要进行无线通信就必须对信号进行调制，数字调制的方式有很多种，比如ASK、FSK、PSK等，综合考虑后这里选择既具有一定抗干扰能力同时又简单易行的2FSK调制。2FSK就是利用不同频率的正弦波去代表数字信号“0”和“1”。载波的频率随二进制基带信号在f1和f2两个频点间变化。其表达式如式(1)所示，2FSK信号波形如图1所示。
   

1．2 电磁感应理论
    这里的无线通信实际上是一种感应通信，在两个钻杆的相邻处放置两个线圈，其中一个线圈(主线圈)内电流的变化会在其周围产生交变的磁场，这个交变的磁场使另一个线圈(次线圈)产生感应电动势，这就是感应通信的原理，其示意图如图2所示。

2 系统硬件设计
    系统的硬件结构框图如图3所示。整个系统以两片单片机为核心，以XR2206和XR2211为调制解调芯片，以MAX275为带通滤波器芯片，放大电路采用基本的共射极放大电路。系统可实现双向通信(不是全双工，只能工作在半双工方式下，即信道可以分时复用)，地面主要向下传输控制信号，井下向上传输温度、压力等信息，上下具有对称结构，因此在后面的分析中只分析单向信号传输的模块即可。当然在实际的钻井作业中，有的井深达千米，需要多级钻杆级联，所以每过3到5级钻杆后需要对信号进行解调放大调制，实际上就是需要一个中继模块，该中继模块完成解调放大再调制的功能。

2．1 调制模块和解调模块设计
    通过对信道特性测试发现，在四级钻杆级联(共40m)、耦合线圈的匝数为400匝(耦合线圈采用的铜丝半径0．2mm)的情况下，当输入120 kHz的正弦波时输出信号的幅度最大，说明由感应线圈构成的信道的谐振频率是120 kHz，载波频率可以选在120 kHz附近，因此采用价格低廉、满足要求的XR2206作为调制芯片，与其配对的XR2211作为解调芯片。
    XR2206主要性能参数：
    ◆单片集成函数发生器，能产生高稳定度、高精度的正弦波、方波、三角波等波形。
    ◆工作频率的范围为0．01 Hz～1 MHz。
    ◆工作电压为10～26 V，频率温度稳定性为20×10-6／℃。
    由XR2206构成的调制模块电路如图4所示。

    根据前面的分析，选择2FSK的两个载波分别为f1=110 kHz，f2=130 kHz，把“1”调制在f1上，把“0”调制在f2上。XR2206的5、6脚之间的电容为定时电容，取为1000pF。为得到f1和f2，可求得两个定时电阻R1=1／f1c=9．09 kHz，R2=1／f2c=7．7 kHz，这里R1和R2分别选取一个5 kΩ的电阻再串联一个10 kΩ的电位器以便于准确调节。数字信号从9脚输入，调制后的信号从2脚输出；13、14脚串接的500 Ω的电位器可以改善输出波形；3脚所接的电位器R3作用是调节输出的幅度；15、16脚串接的10 kΩ的电位器可以改善输出正弦波形的畸变。
    XR2211性能参数：
    ◆工作频率范围为0．01 Hz～300 kHz。
    ◆工作电压为4．5～20 V，频率温度稳定性为20×10-6／℃，HCMOS／TTL／逻辑兼容性。
    ◆宽的动态范围为10 mV～3 Vrms。
    由XR2211构成的解调模块电路如图5所示。

    根据XR2211芯片手册，按照其步骤计算出相关参数。中心频率，R0的推荐范围是10～100 kΩ，这里选取R0=16．67 kΩ，则C0=1／f0R0=500 pF，R1=2R0·f0／(f2-f1)=200 kΩ，C1=1 250×C0／R10．52=12 pF；Rf≥5R1，取Rf=1 MΩ，RB≥5Rf，取RB=5 MΩ，Rsum=(Rf+R1)RB／(Rf+R1+RB)=967 kΩ；Cf=0．25／(Rsum×波特率)，当波特率是9 600 b／s时，Cf=27 pF。波特率是其他数值的时候相应的改变Cf的值即可。以上计算得到的数值如果不是标称值的电阻或者电容，可以采用串联或者并联的方式构成所需的电阻或者电容。
2．2 滤波电路设计
    由于信道环境恶劣，存在着各种噪声，信号儿乎都淹没在噪声里面，所以需要对信号进行滤波。这里需要一个带通滤波器，如果选择普通的有源滤波器，实现简单但参数调整困难，而且要用在频率较高的场合。由于元件周围的分布电容将严重影响滤波器的特性，其稳定性也较差。这里选择模拟集成有源滤波器MAX275，使用MAX275可以避免有源滤波器的缺点，其主要的特性参数如下：
    ◆通过外接不同电阻可以实现巴特沃斯、切比雪夫、贝赛尔型的低通、带通滤波器。
    ◆滤波器的中心频率范围为0．01 Hz～300 kHz。
    ◆增益带宽积为16 MHz。
    ◆单5 V电源供电或者±5 V电源供电。
    由MAX275构成的带通滤波电路如图6所示。

    根据MAX275手册可以求出外围元件的参数，由于选取的载波频率分别是110kHz和1 30 kHz，所以设定带通滤波器的中心频率为120kHz，且两个载波频率必须在滤波器的通带以内。可设定其通频带范阿是105～135kHz，根据这些要求可求出相关参数：R1=5．1 kΩ，R2=16．7 kΩ(可由10 kΩ电阻串联10 kΩ电位器实现)，R3=16．7 kΩ(可由10 kΩ电阻串联10 kΩ电位器实现)，R4=11．7 kΩ(可由11 kΩ电阻串联1 kΩ电位器实现)。由于MAX275是两级级联的滤波器，因此两级的参数可选取一样，即R5=R1，R6=R2，R7=R3，R8=R4。调试电路时测试该滤波器的性能，得到数据后用MATLAB绘制，其幅度响应如图7所示。

    由图7可以看出，该滤波器通频带范围大概是110～133 kHz，中心频率在121 kHz左右，能够满足实际要求。
2．3 放大电路设计
    任何通信系统都离不开放大电路，本系统也不例外。信号经过4级钻杆后只有30 mV左右，完全被噪声淹没，所以至少要把信号放大100倍以上才能满足后级电路的处理要求。放大电路的实现方式很多，可以选择分立元件搭建，也可以用集成运放实现。但是这里必须注意集成运放有一个增益带宽积，比如对于一个增益带宽积为1 MHz的运放，就不适合对频率超过100 kHz的信号进行放大，所以本文采用由三极管构成的放大电路。设计放大电路时要注意选取截止频率比较高的三极管，这里选择高频小功率管3DG100，要确保三极管对有用信号的放大不会出现截止失真和饱和失真，放大电路的组态很多，这里选择共射极放大电路。一级放大电路显然不能满足放大的要求，采用二级放大电路后可满足要求，同时共射极放大电路输出与输入反相，二级放大后的输出与输入就满足同相的要求了。关于放大电路有很多书籍资料可供参考，这里不再赘述。

3 系统软件设计
    本系统中软件主要分两部分：一是在系统调试过程中所需的测试软件，比如产生特定频率的方波信号来模拟二进制的“1”和“0”，可在单片机外围增加一个键盘电路来灵活地选择不同波特率的数据进行测试；二是在系统工作过程中起控制作用的软件，用于控制信息的传输方向等。软件的编写必须遵守单片机与计算机的串口通信协议。如果对发送数据进行编码，虽然可以提高通信系统的可靠性，降低误码率，但是会影响有效数据传输的速率，所以这里不对信道进行编码。

4 测试方法及结果
    该系统的测试遵循从部分到整体的原则，先对每个模块进行测试，每个模块测试完毕后再对整个系统进行测试。一台PC机发送数据，另一台PC机接收数据，比较发送的数据和接收的数据从而得到误码率。在波特率为9 600 b／s时，系统误码率测试结果如表1所列。

结语
    本文以XR2206和XR2211为涮制解调芯片，AT89C51单片机为控制芯片，设计了一套FSK感应通信系统，在实验室得到验证，获得了9 600 b／s的波特率。该系统可应用于石油、天然气等井下作业以及海洋资源的探测工作。但是相对于国外的水平还有待提高，在实际运用中该系统还有很多因素要考虑：在器件选择方面，精度太差的电阻和电容会影响信号的质量，会出现载波频率偏移等问题；电路的阻抗匹配是该系统的最大问题，信号往往是在失配条件下进行传输的，在耦合线圈处信号的损失相当严重；另外受到香农定理的限制，该系统的通信速率不可能很高，可以考虑把信号调制到更高的频段上，但是此时又要在耦合线圈处增加电容、电感等元件改变信道的谐振点，使其谐振在更高的频段上。上面的这些问题在以后工作中都是需要认真研究的。