基于FSK无线通信的随钻测井系统设计

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。

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