徐 飛，胡 軍，劉 彤，許林康

(1.西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065；2.西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安 710065)

采用合適的數(shù)字通信技術(shù)在數(shù)據(jù)傳輸方面顯得格外重要，傳統(tǒng)的信號源是采用復(fù)雜的硬件電路組成。這樣的信號源電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、參數(shù)固定、調(diào)試和維修比較困難以及頻率精度不高等缺點[1]。直接數(shù)字頻率合成技術(shù)有著頻率切換快、帶寬寬、相位連續(xù)性好以及頻率分辨率高等優(yōu)點[2]。所以此項技術(shù)也被廣泛應(yīng)用在石油開采方面，因此采用一種又省時、又省力的實時的井下數(shù)據(jù)采集辦法是多年來眾多國內(nèi)外石油公司研發(fā)部門一直夢寐以求的一項技術(shù)[3-4]。

1 基帶信號產(chǎn)生

1.1 硬件電路設(shè)計

井下聲波傳輸FSK系統(tǒng)主要測量井下溫度信息，溫度測量模塊采用DS18B20溫度傳感器，DS18B20采用單總線結(jié)構(gòu)。它與DSPIC僅需DQ這一數(shù)據(jù)線就可實現(xiàn)與DSPIC的雙向通訊。DSPIC測得溫度傳感器的十進(jìn)制數(shù)字信號后，在DSPIC內(nèi)將這些十進(jìn)制信號轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制信號。在DSPIC內(nèi)部定時器的作用下，每隔一段時間進(jìn)入定時器根據(jù)二進(jìn)制信號的值改變相關(guān)引腳的電平值。

1.2 軟件設(shè)計

為了保證測量到的每組溫度信息，都轉(zhuǎn)換成真實有效的FSK調(diào)制基帶信號，編寫了溫度采集及基帶信號產(chǎn)生程序流程框圖。圖1為程序流程框圖。

圖1 溫度采集及調(diào)制載波信號發(fā)生程序流程框圖

系統(tǒng)初始化后，溫度傳感器采集井下溫度信息。DSPIC內(nèi)部通過十進(jìn)制轉(zhuǎn)二進(jìn)制算法即將所需轉(zhuǎn)化的數(shù)除以2，所得余數(shù)為k1，將所得商再除以2，所得余數(shù)為k2……重復(fù)步驟直到商為0；讀數(shù)時從最后一個余數(shù)讀起，即kn,k(n-1)…k2,k1；所得數(shù)便是轉(zhuǎn)化成的二進(jìn)制數(shù)。將這些二進(jìn)制數(shù)據(jù)存儲到一個數(shù)組data里面。隨后啟動定時器，定時器預(yù)裝載值設(shè)為5625。

當(dāng)計數(shù)器超過預(yù)裝載值6630時，進(jìn)入定時器中斷。在中斷程序里面得到data數(shù)組里面的值。設(shè)立一個計數(shù)值cnt，每當(dāng)進(jìn)入一次定時器中斷，cnt加一。Data數(shù)組的索引值index加一。從而判斷data數(shù)組里面的數(shù)組為0還是為1，如果為0，輸出基帶信號引腳RC5的電平值為0；反之，則設(shè)為1。當(dāng)cnt的值為8的時候，cnt的值重新設(shè)為0。這樣，DSPIC就將十進(jìn)制的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制的基帶信號。

2 調(diào)制信號產(chǎn)生

2.1 硬件電路設(shè)計

調(diào)制基帶信號產(chǎn)生后，DSPIC與外部AD9834采用模擬三線SPI通信。通過軟件處理將數(shù)據(jù)寫入AD9834寄存器中，AD9834轉(zhuǎn)換為正弦波。當(dāng)基帶信號為1時，輸出5k左右頻率的正弦波，當(dāng)頻率為0時，輸出10k左右頻率的正弦波，這樣調(diào)制信號產(chǎn)生了。

2.2 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計包括DSPIC與AD9834模擬SPI通信，寫入不同的頻率控制字產(chǎn)生不同頻率的正弦波以及結(jié)合基帶信號產(chǎn)生調(diào)制信號。程序框圖見圖2所示。

圖2 調(diào)制信號產(chǎn)生流程框圖

系統(tǒng)上電復(fù)位之后，對各模塊進(jìn)行初始化。定時器初始化，當(dāng)計數(shù)器值溢出后，進(jìn)入定時器中斷，中斷程序里面產(chǎn)生基帶信號。當(dāng)基帶信號為高電平“1”時，向AD9834里面寫入頻率控制字0x4001和0x50c7。由于AD9834的輸出頻率fout=fMCLK*頻率寄存器的值/2^28,可以得出fout=5.7KHZ。同理，當(dāng)基帶信號為高電平“0”時，向AD9834里面寫入頻率控制字0x4002和0x50c7，可以得出fout=10.2kHZ。

3 試驗

為了驗證整個系統(tǒng)的正確性，用示波器顯示最終的調(diào)至波形結(jié)果。圖3是溫度十進(jìn)制信息經(jīng)過相應(yīng)的十進(jìn)制轉(zhuǎn)二進(jìn)制算法后，在定時器的作用下，產(chǎn)生的基帶信號。由基帶信號可知，溫度二進(jìn)制數(shù)據(jù)為“0001 0001”，所以溫度二進(jìn)制數(shù)據(jù)為17℃。圖4是調(diào)制信號，從圖4中可以看出，‘0’代表的一種頻率，‘1’代表另一種頻率。

圖3 基帶信號

圖4 調(diào)制信號

圖5是對調(diào)制信號放大后的波形，當(dāng)基帶信號為‘1’的時候，產(chǎn)生了頻率為5.682kHZ的正弦波。圖6也是對調(diào)制信號放大后的波形，當(dāng)基帶信號為‘0’的時候，產(chǎn)生了頻率為10.42kHZ的正弦波。由此可以看出，整個系統(tǒng)驗證正確。

圖5 5.682 kHZ的正弦波

圖6 10.42kHZ的正弦波

4 結(jié)語

本系統(tǒng)利用DSPIC作為主控芯片，配合外部溫度傳感器和DDS芯片AD9834完成井下聲波傳輸?shù)腇SK調(diào)制。該系統(tǒng)的調(diào)制由軟件完成，節(jié)省了井下空間，降低了聲波在井下傳輸過程造成的衰減問題，在井下聲波傳輸領(lǐng)域有較廣泛的應(yīng)用前景。