基于FSK的感應(yīng)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)海洋石油勘探的需求，設(shè)計(jì)了電纜定深裝置，其采用了基于FSK的感應(yīng)通信系統(tǒng)。系統(tǒng)地介紹了感應(yīng)通信的發(fā)展?fàn)顩r及其基本原理，重點(diǎn)闡述FSK調(diào)制解調(diào)模塊所選用的XR2206和XR2211芯片。感應(yīng)通信作為水下非接觸通信方式之一，以其功耗低、尺寸小、制作簡單等特點(diǎn)必將得到越來越廣泛的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：感應(yīng)通信；頻移鍵控；XR2206；XR2211

O 引言
    海洋是人類資源的寶庫，蘊(yùn)藏著豐富的能源與礦產(chǎn)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們對(duì)海洋資源的探測(cè)與開發(fā)也不斷深入。電纜定深器就是在石油勘探過程中所采用的拖曳電纜深度定位裝置，它可以對(duì)水下的電纜進(jìn)行控制與定位，以便電纜內(nèi)的檢波器接收空氣槍震源所返回的地震波，其采用的通信方式為基于FSK的感應(yīng)通信。

1 感應(yīng)通信的發(fā)展現(xiàn)狀
    水下通信方式可分為：水聲通信、水下激光與紅外通信、超長波通信、感應(yīng)通信。水聲通信的缺點(diǎn)是傳輸速率慢、容量小、抗干擾能力差；而在激光通信中，浮游生物以及海底的泥塵可能造成通訊的暫時(shí)中斷；超長波通信的弊端則是功耗高、成本大；相比而言，感應(yīng)通信方式制作簡單、造價(jià)低廉、對(duì)周圍的環(huán)境不敏感。考慮到功耗、方便性和具體的安裝條件，所以在電纜定深器的設(shè)計(jì)過程中，采用了感應(yīng)通信方式進(jìn)行信號(hào)傳出。
    美國的阿爾文(Alvin)號(hào)載人深潛器是非常著名的用于深海探測(cè)的載人深潛器，其采樣器、化學(xué)傳感器、溫度檢測(cè)等方面，都采用電磁耦合技術(shù)進(jìn)行信號(hào)傳輸，并在多次出航中的應(yīng)用都很成功。國外的研究實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明：電磁耦合非接觸式信號(hào)傳輸技術(shù)是適合用于深海環(huán)境下的近距離通信方式。
    另外，國外已利用感應(yīng)通信方式開發(fā)出海洋地震勘探拖曳線陣產(chǎn)品，其利用總線地址輪詢和廣播通信方式，通信距離可達(dá)數(shù)公里。
    在國內(nèi)，某研究所將感應(yīng)通信技術(shù)進(jìn)行了成功的工程應(yīng)用，研制出用于海洋探測(cè)的電纜定深器，其通信距離、速率和并聯(lián)的節(jié)點(diǎn)數(shù)等均有較大優(yōu)勢(shì)，良好的性能在多次探測(cè)作業(yè)中得以驗(yàn)證。其通信部分就是采用基于FSK調(diào)制解調(diào)方式的感應(yīng)通信。

2 感應(yīng)通信的原理
    根據(jù)電磁感應(yīng)原理，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)使次級(jí)線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，感應(yīng)通信正是運(yùn)用了這一原理進(jìn)行工作。
    在感應(yīng)通信中，由于信號(hào)與空間距離的三次方成比例迅速衰減，所以同時(shí)在近距離內(nèi)的多個(gè)通訊能夠?qū)崿F(xiàn)頻分復(fù)用，相互之間沒有干擾。

    圖1是電磁耦合信號(hào)傳輸裝置的系統(tǒng)簡圖，由于通訊模式是半雙工的，所以只介紹電纜定深器一側(cè)傳輸數(shù)據(jù)的工作過程：電纜定深器內(nèi)解調(diào)適配電路將感應(yīng)裝置耦合的信號(hào)濾波、放大、均衡整形后解調(diào)還原成通信數(shù)據(jù)，發(fā)送給定深器內(nèi)的中心控制器，控制器根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)、指令進(jìn)行相應(yīng)的操作；當(dāng)電纜定深器需上傳數(shù)據(jù)給船上設(shè)備時(shí)，將通信數(shù)據(jù)調(diào)制后，通過放大驅(qū)動(dòng)電路發(fā)送給其內(nèi)部的感應(yīng)裝置，通過感應(yīng)耦合以及信號(hào)的處理，船上控制設(shè)備便可接到該數(shù)據(jù)。圖2為電纜定深器系統(tǒng)工作示意圖。

    工作過程中，在長距離通信線纜上，等間隔并聯(lián)多個(gè)感應(yīng)節(jié)點(diǎn)，在該點(diǎn)電纜外部掛接一個(gè)電纜定深器或其它設(shè)備，船上控制設(shè)備通過拖曳線纜內(nèi)的雙絞線上并聯(lián)的磁棒線圈，與掛接在拖纜外部的電纜定深器內(nèi)部的磁棒線圈感應(yīng)耦合傳輸信號(hào)，利用總線地址輪詢和廣播通信方式，實(shí)現(xiàn)船上控制設(shè)備與多個(gè)拖曳線陣外掛設(shè)備傳輸之間的數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸采用載波通信技術(shù)，以達(dá)到數(shù)公里甚至十幾公里無中繼傳輸。電纜定深器由電池供電，在電池電量耗盡后，必須將整個(gè)線陣回收后，更換定深器內(nèi)的電池。

3 FSK調(diào)制解調(diào)部分的設(shè)計(jì)
3．1 調(diào)制單元設(shè)計(jì)
    電纜定深器在設(shè)計(jì)過程中選用XR2206作為調(diào)制芯片。XR2206由一個(gè)壓控振蕩器(VCO)、電流開關(guān)和一個(gè)乘法器與正弦波調(diào)整器組成，是一種單片集成函數(shù)發(fā)生器，可以產(chǎn)生高精度、高穩(wěn)定度的正弦波、方波、鋸齒波等波形信號(hào)，輸出信號(hào)可受外加電壓控制，是理想的FSK調(diào)制器
芯片，其內(nèi)部框圖如圖3所示。

    XR2206的工作特性：a．電壓電源10～26V；b．頻率溫度穩(wěn)定性20ppm／℃；c．頻率掃描范圍2000：1；d．振蕩頻率為0．01Hz～lMHz；e．正弦波失真度O．5％；f. FSK鍵控電平1．4V；g．正弦波輸出阻抗600Ω；h．功耗≤750mW。
    用于電纜定深器的調(diào)制器如圖4所示。

    在利用XR2206芯片進(jìn)行調(diào)頻時(shí)，1腳接地，9腳為數(shù)字電平輸入引腳，2腳為信號(hào)輸出引腳，13腳和14腳的電阻R6用來調(diào)節(jié)正弦波的畸變，3腳為乘法器與正弦波調(diào)整器的輸出端，所接電阻R7的作用是調(diào)節(jié)輸出的幅度，即2腳輸出信號(hào)幅度正比于3腳外接電阻，對(duì)于正弦FSK波形來說Vout(p-p)≈0.6R7(V)。內(nèi)部的壓控振蕩器VCO實(shí)際上是一個(gè)輸出頻率與輸入電流成正比的可控振蕩器，其振蕩頻率取決于定時(shí)電容和電阻，該VCO定時(shí)電阻端有兩引腳，與地之間可以接兩個(gè)電阻，因此可以由7、8引腳提供兩個(gè)離散的輸出頻率，以方便地組成FSK調(diào)制器。設(shè)9腳為高電平時(shí)對(duì)應(yīng)輸出頻率f1=24．7kHz，低電平時(shí)對(duì)應(yīng)輸出頻率f2=27．4kHz，波特率fb=2400b／s。取定時(shí)電容C0=330pF，可算出定時(shí)電阻R1=1／f1C0=122.68kΩ，R2=1／f2C0=110.59kΩ。13腳與14腳串入200Ω電阻可以改善輸出波形。
3．2 解調(diào)單元的設(shè)計(jì)
    電纜定深器在設(shè)計(jì)過程中以XR221l為解調(diào)單元的核心芯片，它由一個(gè)預(yù)放大器、鎖相環(huán)PLL、相位檢波器、內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源和比較器等組成，使用其中的VCO鑒相器和外部環(huán)接濾波器組成基本的鎖相環(huán)路，再和FSK比較器組成，就可實(shí)現(xiàn)FSK解調(diào)功能。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

    XR2211的工作特性：a．工作電壓范圍4．5～20V：b．工作頻率范圍O．01Hz～300kHz；c．寬動(dòng)態(tài)范圍10mV～3V；d．頻率溫度穩(wěn)定性Max=50ppm／℃。

    圖6為XR2211外圍電路。載波中心頻率26kHz，數(shù)字“1”調(diào)制頻率24．7kHz，數(shù)字“O”調(diào)制頻率27．4kHz。傳輸波特率2400b／s，根據(jù)以下公式確定其外圍電路相關(guān)參數(shù)，實(shí)際應(yīng)用時(shí)適當(dāng)調(diào)整參數(shù)。a．中心振蕩頻率：；b．定時(shí)電阻：；c．定時(shí)電容：；d．。其余各參數(shù)選取如下：R3=100kΩ；R4=510kΩ；C3=1nF；C6=10nF；R8=470kΩ。其中，RO和C0決定鎖相環(huán)中心頻率f0，R2決定系統(tǒng)帶寬，C2決定鎖相濾波時(shí)間常數(shù)和鎖相阻尼因子，C3、R3組成一階數(shù)字濾波，決定輸出FSK波形。
    XR2206的頻率范圍是0．01～1MHz，XR2211的頻率范圍是0．01～300kHz，兩者配合使用時(shí)調(diào)制器的載頻應(yīng)該在0．0l～300kHz范圍內(nèi)選取。調(diào)制端的信號(hào)是峰值為3V的等幅調(diào)頻信號(hào)，當(dāng)兩個(gè)線圈距離很近時(shí)，用這個(gè)信號(hào)來驅(qū)動(dòng)發(fā)信線圈，收信線圈的耦合信號(hào)強(qiáng)度和調(diào)制端信號(hào)強(qiáng)度基本相同。解調(diào)芯片XR2211接收信號(hào)的電壓范圍是10mV～3V，當(dāng)線圈的距離增大而耦合電信號(hào)幅值不超出這個(gè)范圍時(shí)，仍能保證通信。

4 總結(jié)與展望
    由于工作環(huán)境在水下，因此不適合通過傳統(tǒng)的電纜直接進(jìn)行信號(hào)傳輸，尤其在深海高壓的情況下，如果電纜扯斷，水將通過導(dǎo)線的縫隙進(jìn)入運(yùn)載設(shè)備，造成破壞性甚至災(zāi)難性的后果，即使電纜沒有扯斷，它與其他物體的纏繞也可能引發(fā)一系列的故障。因此必須采用非接觸信號(hào)傳輸?shù)姆绞絹泶_保水下作業(yè)安全順利地進(jìn)行。海下的工作環(huán)境與工作狀況的特殊性，要求必須采用無線信號(hào)傳輸方式。
    另外，傳統(tǒng)的有線通信中較為常用的RS232在通信距離小于15m時(shí)，傳輸速率小于20kb／s，當(dāng)通信距離在100m時(shí)，其通信速率很難讓人滿意。功能較為完善的RS485的通信最長距離也不過1200m，最多并聯(lián)32個(gè)通信節(jié)點(diǎn)。在海水中通信時(shí)，由于信道環(huán)境更為惡劣，其通信距離、速率以及并聯(lián)的節(jié)點(diǎn)數(shù)將更低。通過中海油服多次海上實(shí)際作業(yè)驗(yàn)證，目前，感應(yīng)通信的通信距離可達(dá)到6000m，此時(shí)的通信速率為2400b／  s，可并聯(lián)的節(jié)點(diǎn)數(shù)多達(dá)128個(gè)，通信成功率達(dá)98％左右，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。感應(yīng)通信在傳輸距離與并聯(lián)節(jié)點(diǎn)方面的優(yōu)勢(shì)將在水下通信領(lǐng)域發(fā)揮更為重要的作用。
    研究電磁感應(yīng)信號(hào)傳輸技術(shù)將促進(jìn)我國的海洋探測(cè)能力和海洋科學(xué)的發(fā)展。同時(shí)，感應(yīng)式無線信號(hào)傳輸技術(shù)在其它近距離無線通信場(chǎng)合也具有很大的應(yīng)用潛力。