基于FSK無線通信的隨鉆測井系統(tǒng)設(shè)計(jì)[圖]

相關(guān)專題: 無線 芯片

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),利用耦合線圈來實(shí)現(xiàn)鉆桿之間的無線通信,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,在鉆井開采過程中需要對井下高溫、高壓的環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)的了解,所以對信號傳輸?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的系統(tǒng)對這類作業(yè)來說至關(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)行無線通信就必須對信號進(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“0”和“1”。載波的頻率隨二進(jìn)制基帶信號在f1和f2兩個(gè)頻點(diǎn)間變化。其表達(dá)式如式(1)所示,2FSK信號波形如圖1所示。

1.2 電磁感應(yīng)理論

這里的無線通信實(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,這個(gè)交變的磁場使另一個(gè)線圈(次線圈)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢,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,井下向上傳輸溫度、壓力等信息,上下具有對稱結(jié)構(gòu),因此在后面的分析中只分析單向信號傳輸?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,需要多級鉆桿級聯(lián),所以每過3到5級鉆桿后需要對信號進(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)

通過對信道特性測試發(fā)現(xiàn),在四級鉆桿級聯(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)輸出信號的幅度最大,說明由感應(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)字信號從9腳輸入,調(diào)制后的信號從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,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,信號兒乎都淹沒在噪聲里面,所以需要對信號進(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)簡單但參數(shù)調(diào)整困難,而且要用在頻率較高的場合。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是兩級級聯(lián)的濾波器,因此兩級的參數(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)都離不開放大電路,本系統(tǒng)也不例外。信號經(jīng)過4級鉆桿后只有30 mV左右,完全被噪聲淹沒,所以至少要把信號放大100倍以上才能滿足后級電路的處理要求。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,比如對于一個(gè)增益帶寬積為1 MHz的運(yùn)放,就不適合對頻率超過100 kHz的信號進(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,要確保三極管對有用信號的放大不會(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。一級放大電路顯然不能滿足放大的要求,采用二級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)試過程中所需的測試軟件,比如產(chǎn)生特定頻率的方波信號來模擬二進(jìn)制的“1”和“0”,可在單片機(jī)外圍增加一個(gè)鍵盤電路來靈活地選擇不同波特率的數(shù)據(jù)進(jìn)行測試;二是在系統(tǒng)工作過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,所以這里不對信道進(jìn)行編碼。

4 測試方法及結(jié)果

該系統(tǒng)的測試遵循從部分到整體的原則,先對每個(gè)模塊進(jìn)行測試,每個(gè)模塊測試完畢后再對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行測試。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)誤碼率測試結(jié)果如表1所列。

結(jié)語

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工作。但是相對于國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)影響信號的質(zhì)量,會(huì)出現(xiàn)載波頻率偏移等問題;電路的阻抗匹配是該系統(tǒng)的最大問題,信號往往是在失配條件下進(jìn)行傳輸?shù),在耦合線圈處信號的損失相當(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。上面的這些問題在以后工作中都是需要認(rèn)真研究的。

作者:張林 陳客松   來源:《單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用》
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