基于FSK無(wú)線通信的隨鉆測(cè)井系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(lái)實(shí)現(xiàn)鉆桿之間的無(wú)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(cè)試了該系統(tǒng)的可靠性以及誤碼率。
關(guān)鍵詞：感應(yīng)通信；頻移鍵控；調(diào)制解調(diào)

引言
石油、天然氣是人類賴以生存的自然資源，在鉆井開(kāi)采過(guò)程中需要對(duì)井下高溫、高壓的環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)的了解，所以對(duì)信號(hào)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(hào)的系統(tǒng)對(duì)這類作業(yè)來(lái)說(shuō)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(guò)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(wú)線通信就必須對(duì)信號(hào)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(jiǎn)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(hào)“0”和“1”。載波的頻率隨二進(jìn)制基帶信號(hào)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(hào)波形如圖1所示。

1．2 電磁感應(yīng)理論
這里的無(wú)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(chǎng)，這個(gè)交變的磁場(chǎng)使另一個(gè)線圈(次線圈)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，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(hào)，井下向上傳輸溫度、壓力等信息，上下具有對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此在后面的分析中只分析單向信號(hào)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(jí)鉆桿級(jí)聯(lián)，所以每過(guò)3到5級(jí)鉆桿后需要對(duì)信號(hào)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。