基于FSK无线通信的随钻测井系统设计

2012-03-17 18:13:33来源: eefocus

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。

[1] [2]

关键字:FSK  无线通信  单片机

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2012/0317/article_4830.html
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