fsk无线通信的随钻测井系统设计-凯发旗舰

 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。

 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。