基于AT89C51单片机的双向通信FSK系统设计与实现

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。

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，放大威廉希尔官方网站 采用基本的共射极放大威廉希尔官方网站 。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构成的调制模块威廉希尔官方网站 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构成的解调模块威廉希尔官方网站 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 滤波威廉希尔官方网站 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。这里需要一个带通滤波器，如果选择普通的有源滤波器，实现简单但参数调整困难，而且要用在频率较高的场合。由于元件周围的分布电容将严重影响滤波器的特性，其稳定性也较差。这里选择模拟集成有源滤波器MAX275，使用MAX275可以避免有源滤波器的缺点，其主要的特性参数如下：

◆通过外接不同电阻可以实现巴特沃斯、切比雪夫、贝赛尔型的低通、带通滤波器。

◆滤波器的中心频率范围为0.01 Hz～300 kHz。

◆增益带宽积为16 MHz。

◆单5 V电源供电或者±5 V电源供电。

由MAX275构成的带通滤波威廉希尔官方网站 如图6所示。

根据MAX275手册可以求出外围元件的参数，由于选取的载波频率分别是110kHz和1 30 kHz，所以设定带通滤波器的中心频率为120kHz，且两个载波频率必须在滤波器的通带以内。可设定其通频带范阿是105～135kHz，根据这些要求可求出相关参数：R1=5.1 kΩ，R2=16.7 kΩ（可由10 kΩ电阻串联10 kΩ电位器实现），R3=16.7 kΩ（可由10 kΩ电阻串联10 kΩ电位器实现），R4=11.7 kΩ（可由11 kΩ电阻串联1 kΩ电位器实现）。由于MAX275是两级级联的滤波器，因此两级的参数可选取一样，即R5=R1，R6=R2，R7=R3，R8=R4。调试威廉希尔官方网站 时测试该滤波器的性能，得到数据后用MATLAB绘制，其幅度响应如图7所示。

由图7可以看出，该滤波器通频带范围大概是110～133 kHz，中心频率在121 kHz左右，能够满足实际要求。

2.3 放大威廉希尔官方网站 设计

任何通信系统都离不开放大威廉希尔官方网站 ，本系统也不例外。信号经过4级钻杆后只有30 mV左右，完全被噪声淹没，所以至少要把信号放大100倍以上才能满足后级威廉希尔官方网站 的处理要求。放大威廉希尔官方网站 的实现方式很多，可以选择分立元件搭建，也可以用集成运放实现。但是这里必须注意集成运放有一个增益带宽积，比如对于一个增益带宽积为1 MHz的运放，就不适合对频率超过100 kHz的信号进行放大，所以本文采用由三极管构成的放大威廉希尔官方网站 。设计放大威廉希尔官方网站 时要注意选取截止频率比较高的三极管，这里选择高频小功率管3DG100，要确保三极管对有用信号的放大不会出现截止失真和饱和失真，放大威廉希尔官方网站 的组态很多，这里选择共射极放大威廉希尔官方网站 。一级放大威廉希尔官方网站 显然不能满足放大的要求，采用二级放大威廉希尔官方网站 后可满足要求，同时共射极放大威廉希尔官方网站 输出与输入反相，二级放大后的输出与输入就满足同相的要求了。关于放大威廉希尔官方网站 有很多书籍资料可供参考，这里不再赘述。

3 系统软件设计

本系统中软件主要分两部分：一是在系统调试过程中所需的测试软件，比如产生特定频率的方波信号来模拟二进制的“1”和“0”，可在单片机外围增加一个键盘威廉希尔官方网站 来灵活地选择不同波特率的数据进行测试；二是在系统工作过程中起控制作用的软件，用于控制信息的传输方向等。软件的编写必须遵守单片机与计算机的串口通信协议。如果对发送数据进行编码，虽然可以提高通信系统的可靠性，降低误码率，但是会影响有效数据传输的速率，所以这里不对信道进行编码。

4 测试方法及结果

该系统的测试遵循从部分到整体的原则，先对每个模块进行测试，每个模块测试完毕后再对整个系统进行测试。一台PC机发送数据，另一台PC机接收数据，比较发送的数据和接收的数据从而得到误码率。在波特率为9 600 b/s时，系统误码率测试结果如表1所列。

结语

本文以XR2206和XR2211为涮制解调芯片，AT89C51单片机为控制芯片，设计了一套FSK感应通信系统，在实验室得到验证，获得了9 600 b/s的波特率。该系统可应用于石油、天然气等井下作业以及海洋资源的探测工作。但是相对于国外的水平还有待提高，在实际运用中该系统还有很多因素要考虑：在器件选择方面，精度太差的电阻和电容会影响信号的质量，会出现载波频率偏移等问题；威廉希尔官方网站 的阻抗匹配是该系统的最大问题，信号往往是在失配条件下进行传输的，在耦合线圈处信号的损失相当严重；另外受到香农定理的限制，该系统的通信速率不可能很高，可以考虑把信号调制到更高的频段上，但是此时又要在耦合线圈处增加电容、电感等元件改变信道的谐振点，使其谐振在更高的频段上。上面的这些问题在以后工作中都是需要认真研究的。