摘要：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(lái)實(shí)現(xiàn)鉆桿之間的無(wú)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(jì)了一套可以實(shí)現(xiàn)雙向通信的FSK系統(tǒng)，并測(cè)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(kāi)采過(guò)程中需要對(duì)井下高溫、高壓的環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)的了解，所以對(duì)信號(hào)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)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(jì)一套既能抗干擾、又能以較快的波特率傳輸信號(hào)的系統(tǒng)對(duì)這類作業(yè)來(lái)說(shuō)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(shí)驗(yàn)室搭建并模擬了整個(gè)通信過(guò)程。
1 理論分析
該系統(tǒng)主要涉及兩個(gè)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(wú)線通信就必須對(duì)信號(hào)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(shí)又簡(jiǎn)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(hào)“0”和“1”。載波的頻率隨二進(jìn)制基帶信號(hào)在f1和f2兩個(gè)頻點(diǎn)間變化。其表達(dá)式如式(1)所示，2FSK信號(hào)波形如圖1所示。
1.2 電磁感應(yīng)理論
這里的無(wú)線通信實(shí)際上是一種感應(yīng)通信，在兩個(gè)鉆桿的相鄰處放置兩個(gè)線圈，其中一個(gè)線圈(主線圈)內(nèi)電流的變化會(huì)在其周圍產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)，這個(gè)交變的磁場(chǎng)使另一個(gè)線圈(次線圈)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，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(jì)
系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。整個(gè)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(shí)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(shí)復(fù)用)，地面主要向下傳輸控制信號(hào)，井下向上傳輸溫度、壓力等信息，上下具有對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此在后面的分析中只分析單向信號(hào)傳輸?shù)哪K即可。當(dāng)然在實(shí)際的鉆井作業(yè)中，有的井深達(dá)千米，需要多級(jí)鉆桿級(jí)聯(lián)，所以每過(guò)3到5級(jí)鉆桿后需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)放大調(diào)制，實(shí)際上就是需要一個(gè)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(jì)
通過(guò)對(duì)信道特性測(cè)試發(fā)現(xiàn)，在四級(jí)鉆桿級(jí)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(shí)輸出信號(hào)的幅度最大，說(shuō)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(jià)格低廉、滿足要求的XR2206作為調(diào)制芯片，與其配對(duì)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(gè)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(shí)電容，取為1000pF。為得到f1和f2，可求得兩個(gè)定時(shí)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(gè)5 kΩ的電阻再串聯(lián)一個(gè)10 kΩ的電位器以便于準(zhǔn)確調(diào)節(jié)。數(shù)字信號(hào)從9腳輸入，調(diào)制后的信號(hào)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(dòng)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。
根據(jù)XR2211芯片手冊(cè)，按照其步驟計(jì)算出相關(guān)參數(shù)。中心頻率，R0的推薦范圍是10～100 kΩ，這里選取R0=16.67 kΩ，則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)，當(dāng)波特率是9 600 b/s時(shí)，Cf=27 pF。波特率是其他數(shù)值的時(shí)候相應(yīng)的改變Cf的值即可。以上計(jì)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(jì)
由于信道環(huán)境惡劣，存在著各種噪聲，信號(hào)兒乎都淹沒(méi)在噪聲里面，所以需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波。這里需要一個(gè)帶通濾波器，如果選擇普通的有源濾波器，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單但參數(shù)調(diào)整困難，而且要用在頻率較高的場(chǎng)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(diǎn)，其主要的特性參數(shù)如下：
◆通過(guò)外接不同電阻可以實(shí)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0.01 Hz～300 kHz。
◆增益帶寬積為16 MHz。
◆單5 V電源供電或者±5 V電源供電。
由MAX275構(gòu)成的帶通濾波電路如圖6所示。
根據(jù)MAX275手冊(cè)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1 30 kHz，所以設(shè)定帶通濾波器的中心頻率為120kHz，且兩個(gè)載波頻率必須在濾波器的通帶以內(nèi)�？稍O(shè)定其通頻帶范阿是105～135kHz，根據(jù)這些要求可求出相關(guān)參數(shù)：R1=5.1 kΩ，R2=16.7 kΩ(可由10 kΩ電阻串聯(lián)10 kΩ電位器實(shí)現(xiàn))，R3=16.7 kΩ(可由10 kΩ電阻串聯(lián)10 kΩ電位器實(shí)現(xiàn))，R4=11.7 kΩ(可由11 kΩ電阻串聯(lián)1 kΩ電位器實(shí)現(xiàn))。由于MAX275是兩級(jí)級(jí)聯(lián)的濾波器，因此兩級(jí)的參數(shù)可選取一樣，即R5=R1，R6=R2，R7=R3，R8=R4。調(diào)試電路時(shí)測(cè)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。
由圖7可以看出，該濾波器通頻帶范圍大概是110～133 kHz，中心頻率在121 kHz左右，能夠滿足實(shí)際要求。
2.3 放大電路設(shè)計(jì)
任何通信系統(tǒng)都離不開(kāi)放大電路，本系統(tǒng)也不例外。信號(hào)經(jīng)過(guò)4級(jí)鉆桿后只有30 mV左右，完全被噪聲淹沒(méi)，所以至少要把信號(hào)放大100倍以上才能滿足后級(jí)電路的處理要求。放大電路的實(shí)現(xiàn)方式很多，可以選擇分立元件搭建，也可以用集成運(yùn)放實(shí)現(xiàn)。但是這里必須注意集成運(yùn)放有一個(gè)增益帶寬積，比如對(duì)于一個(gè)增益帶寬積為1 MHz的運(yùn)放，就不適合對(duì)頻率超過(guò)100 kHz的信號(hào)進(jìn)行放大，所以本文采用由三極管構(gòu)成的放大電路。設(shè)計(jì)放大電路時(shí)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(duì)有用信號(hào)的放大不會(huì)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(jí)放大電路顯然不能滿足放大的要求，采用二級(jí)放大電路后可滿足要求，同時(shí)共射極放大電路輸出與輸入反相，二級(jí)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(shū)籍資料可供參考，這里不再贅述。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)中軟件主要分兩部分：一是在系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程中所需的測(cè)試軟件，比如產(chǎn)生特定頻率的方波信號(hào)來(lái)模擬二進(jìn)制的“1”和“0”，可在單片機(jī)外圍增加一個(gè)鍵盤電路來(lái)靈活地選擇不同波特率的數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試；二是在系統(tǒng)工作過(guò)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(xiě)必須遵守單片機(jī)與計(jì)算機(jī)的串口通信協(xié)議。如果對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)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(huì)影響有效數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾�，所以這里不對(duì)信道進(jìn)行編碼。
4 測(cè)試方法及結(jié)果
該系統(tǒng)的測(cè)試遵循從部分到整體的原則，先對(duì)每個(gè)模塊進(jìn)行測(cè)試，每個(gè)模塊測(cè)試完畢后再對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。一臺(tái)PC機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，另一臺(tái)PC機(jī)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9 600 b/s時(shí)，系統(tǒng)誤碼率測(cè)試結(jié)果如表1所列。
結(jié)語(yǔ)
本文以XR2206和XR2211為涮制解調(diào)芯片，AT89C51單片機(jī)為控制芯片，設(shè)計(jì)了一套FSK感應(yīng)通信系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)室得到驗(yàn)證，獲得了9 600 b/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(cè)工作。但是相對(duì)于國(guó)外的水平還有待提高，在實(shí)際運(yùn)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(huì)影響信號(hào)的質(zhì)量，會(huì)出現(xiàn)載波頻率偏移等問(wèn)題；電路的阻抗匹配是該系統(tǒng)的最大問(wèn)題，信號(hào)往往是在失配條件下進(jìn)行傳輸?shù)�，在耦合線圈處信號(hào)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(hào)調(diào)制到更高的頻段上，但是此時(shí)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(diǎn)，使其諧振在更高的頻段上。上面的這些問(wèn)題在以后工作中都是需要認(rèn)真研究的。
