摘要：針對海洋石油勘探的需求，設(shè)計了電纜定深裝置，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，蘊藏著豐富的能源與礦產(chǎn)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，人們對海洋資源的探測與開發(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，它可以對水下的電纜進行控制與定位，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、造價低廉、對周圍的環(huán)境不敏感?？紤]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)計過程中，采用了感應(yīng)通信方式進行信號傳出。
    美國的阿爾文(Alvin)號載人深潛器是非常著名的用于深海探測的載人深潛器，其采樣器、化學(xué)傳感器、溫度檢測等方面，都采用電磁耦合技術(shù)進行信號傳輸，并在多次出航中的應(yīng)用都很成功。國外的研究實踐經(jīng)驗表明：電磁耦合非接觸式信號傳輸技術(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，通信距離可達數(shù)公里。
    在國內(nèi)，某研究所將感應(yīng)通信技術(shù)進行了成功的工程應(yīng)用，研制出用于海洋探測的電纜定深器，其通信距離、速率和并聯(lián)的節(jié)點數(shù)等均有較大優(yōu)勢，良好的性能在多次探測作業(yè)中得以驗證。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)電流的變化會在其周圍產(chǎn)生交變的磁場，這個交變的磁場使次級線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，感應(yīng)通信正是運用了這一原理進行工作。
    在感應(yīng)通信中，由于信號與空間距離的三次方成比例迅速衰減，所以同時在近距離內(nèi)的多個通訊能夠?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，將通信數(shù)據(jù)調(diào)制后，通過放大驅(qū)動電路發(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)多個感應(yīng)節(jié)點，在該點電纜外部掛接一個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，利用總線地址輪詢和廣播通信方式，實現(xiàn)船上控制設(shè)備與多個拖曳線陣外掛設(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
3．1 調(diào)制單元設(shè)計
    電纜定深器在設(shè)計過程中選用XR2206作為調(diào)制芯片。XR2206由一個壓控振蕩器(VCO)、電流開關(guān)和一個乘法器與正弦波調(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，輸出信號可受外加電壓控制，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芯片進行調(diào)頻時，1腳接地，9腳為數(shù)字電平輸入引腳，2腳為信號輸出引腳，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腳輸出信號幅度正比于3腳外接電阻，對于正弦FSK波形來說Vout(p-p)≈0.6R7(V)。內(nèi)部的壓控振蕩器VCO實際上是一個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電容和電阻，該VCO定時電阻端有兩引腳，與地之間可以接兩個電阻，因此可以由7、8引腳提供兩個離散的輸出頻率，以方便地組成FSK調(diào)制器。設(shè)9腳為高電平時對應(yīng)輸出頻率f1=24．7kHz，低電平時對應(yīng)輸出頻率f2=27．4kHz，波特率fb=2400b／s。取定時電容C0=330pF，可算出定時電阻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
    電纜定深器在設(shè)計過程中以XR221l為解調(diào)單元的核心芯片，它由一個預(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)，實際應(yīng)用時適當(dāng)調(diào)整參數(shù)。a．中心振蕩頻率：；b．定時電阻：；c．定時電容：；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)制端的信號是峰值為3V的等幅調(diào)頻信號，當(dāng)兩個線圈距離很近時，用這個信號來驅(qū)動發(fā)信線圈，收信線圈的耦合信號強度和調(diào)制端信號強度基本相同。解調(diào)芯片XR2211接收信號的電壓范圍是10mV～3V，當(dāng)線圈的距離增大而耦合電信號幅值不超出這個范圍時，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)的電纜直接進行信號傳輸，尤其在深海高壓的情況下，如果電纜扯斷，水將通過導(dǎo)線的縫隙進入運載設(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傳輸?shù)姆绞絹泶_保水下作業(yè)安全順利地進行。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，傳輸速率小于20kb／s，當(dāng)通信距離在100m時，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個通信節(jié)點。在海水中通信時，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)點數(shù)將更低。通過中海油服多次海上實際作業(yè)驗證，目前，感應(yīng)通信的通信距離可達到6000m，此時的通信速率為2400b／  s，可并聯(lián)的節(jié)點數(shù)多達128個，通信成功率達98％左右，具有較強的抗干擾能力。感應(yīng)通信在傳輸距離與并聯(lián)節(jié)點方面的優(yōu)勢將在水下通信領(lǐng)域發(fā)揮更為重要的作用。
    研究電磁感應(yīng)信號傳輸技術(shù)將促進我國的海洋探測能力和海洋科學(xué)的發(fā)展。同時，感應(yīng)式無線信號傳輸技術(shù)在其它近距離無線通信場合也具有很大的應(yīng)用潛力。