基于FSK无线通信的随钻测井系统设计

　　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。