專利名稱：含有水聲通訊采水控制器的水聲載波通訊系統(tǒng)及應(yīng)用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種含有水聲通訊采水控制器的水聲載波通訊系統(tǒng)及其應(yīng)用方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的聲控通訊控制器中大多采用超聲波載波通訊，載波方法可采用FSK、 PSK、 QPSK、 ASK等，受超聲波收發(fā)換能器特性影響，載波頻率多在20kHz 120kHz之間。由于載波頻率 太低無法使用現(xiàn)有的無線通信專用調(diào)制解調(diào)芯片處理信號，只能用多片電路及分立元件搭制。 使得水聲通訊的設(shè)計(jì)和制造成本很高。水聲通訊與空中無線電通訊相比有幾大特點(diǎn)， 一是頻率越高的聲波在水中衰減越快，表 現(xiàn)為對數(shù)特性，即有聲波在水中的衰減率為-20LOG (S/So)，其中S為通訊距離，S(^l米； 二是噪聲和回波對接收信號影響較大；三是發(fā)射收發(fā)換能器會產(chǎn)生較大的余振。正常發(fā)射波 形如圖2所示。以下簡稱水聲噪聲、回波和余振為雜波?？紤]到衰減因素和收發(fā)換能器接收靈敏度的影響，當(dāng)采水深度達(dá)到100米時(shí)，需要前置放 大器的放大倍數(shù)至少達(dá)到60dB左右，才能有效的傳輸信號。如果采用固定放大倍率，在淺水 水域通訊時(shí)，如圖3所示，不僅有用信號被放大到削頂失真，雜波也被放大到與有用信號同等 水平，僅靠選頻濾波和設(shè)置信號門限無法完全消除這些雜波，給有用信號識別造成了很多困 難，很容易產(chǎn)生誤碼。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對上述問題，提出一種可降低雜波影響、限制這些無 用信號、以達(dá)到降低水聲載波通訊誤碼率的含有水聲通訊采水控制器的水聲載波通訊系統(tǒng)及 其應(yīng)用方法。本發(fā)明的一個(gè)技術(shù)方案一種用于水聲通訊的采水控制器，發(fā)出脈寬調(diào)制信號和通訊信號的單片機(jī)通過發(fā)射驅(qū)動 器與變壓器相連，所述發(fā)射驅(qū)動器將脈寬調(diào)制信號和通訊信號合成載波通訊信號；前置放大器依次通程控放大器、帶通濾波器、低通濾波器與門限比較器相連；所述變壓器的輸出端分 別與超聲波收發(fā)換能器的輸入端和所述前置放大器的輸入端相連，所述門限比較器的輸出端與所述單片機(jī)的輸入端相連，所述單片機(jī)的輸入\輸出端與所述程控放大器的控制端相連。所述發(fā)射驅(qū)動器包括信號調(diào)制電路和功率驅(qū)動電路，脈寬調(diào)制信號和通訊信號經(jīng)所述信號調(diào)制電路合成載波通訊信號后，通過功率驅(qū)動電路輸出到所述變壓器。 所述微處理單元的外圍電路包括由晶體振蕩器和電容構(gòu)成的時(shí)鐘電路。 本發(fā)明的另一個(gè)技術(shù)方案一種水面通訊控制器，發(fā)出脈寬調(diào)制信號和通訊信號的單片機(jī)通過發(fā)射驅(qū)動器與變壓器 相連，所述發(fā)射驅(qū)動器將脈寬調(diào)制信號和通訊信號合成載波通訊信號；前置放大器依次通程 控放大器、帶通濾波器、低通濾波器與門限比較器相連；所述變壓器的輸出端分別與水面超 聲波收發(fā)換能器的輸入端和所述前置放大器的輸入端相連，所述門限比較器的輸出端與所述 單片機(jī)的輸入端相連，所述單片機(jī)的輸入\輸出端與所述程控放大器的控制端相連，所述單片 機(jī)的輸入\輸出端通過外設(shè)驅(qū)動器與顯示器和鍵盤相連。一種水下通訊控制器，發(fā)出脈寬調(diào)制信號和通訊信號的單片機(jī)通過發(fā)射驅(qū)動器與變壓器 相連，所述發(fā)射驅(qū)動器將脈寬調(diào)制信號和通訊信號合成載波通訊信號；前置放大器依次通程 控放大器、帶通濾波器、低通濾波器與門限比較器相連；所述變壓器的輸出端分別與水下超 聲波收發(fā)換能器的輸入端和所述前置放大器的輸入端相連，所述門限比較器的輸出端與所述 單片機(jī)的輸入端相連，所述單片機(jī)的輸入\輸出端與所述程控放大器的控制端相連，所述單片 機(jī)的模數(shù)轉(zhuǎn)換端分別與水深傳感器和流速儀相連。進(jìn)一步，本發(fā)明的技術(shù)方案一種水聲載波通訊系統(tǒng)，包括上述水面通訊控制器和上述水下通訊控制器。 所述水面超聲波收發(fā)換能器和水下超聲波收發(fā)換能器的指向角均為30° ~60° 。所述程控放大器的放大倍數(shù)為1 IOOO倍。 再進(jìn)一步，本發(fā)明的技術(shù)方案一種水聲載波通訊系統(tǒng)的應(yīng)用方法，水下通訊控制器通.過釆集和處理水深傳感器和流速儀的數(shù)據(jù)，計(jì)算出水面收發(fā)換能器和水下收發(fā)換能器之間的距離，并據(jù)此調(diào)節(jié)程控放大器的 放大倍數(shù)，使得接收信號的幅值高于門限比較器的門限電壓且不超過額定幅值。所述水面通訊控制器和所述水下通訊控制器均采用半雙工工作模式。本發(fā)明的有益效果-本發(fā)明在水下通訊控制器上，接入水深傳感器和流速儀，通過水下通訊控制器上的微處 理器采集水深和流速數(shù)據(jù)，測算出水下收發(fā)換能器與水面收發(fā)換能器之間的距離。再根據(jù)距離的遠(yuǎn)近，由水下通訊控制器上的微處理器通過程控放大器自動控制信號放大倍數(shù)，使得有 用的載波信號可以通過信號門限且不失真。以此限制雜波信號的放大，達(dá)到降低信號傳輸誤 碼率的目的。采用本發(fā)明的水聲載波通訊系統(tǒng)的應(yīng)用方法，結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，誤碼率低。W圖說明圖l、水聲通訊系統(tǒng)工作示意圖。圖2、包含有各種雜波的載波通訊信號圖。圖3、飽和放大后的載波通訊信號圖。圖4、水面通訊控制器原理框圖。圖5、水下通訊控制器原理框圖。圖6、用于水聲通訊的采水控制器電氣原理圖。圖7、通過了帶通濾波器的包含同頻回波、余振的載波信號圖。圖8、經(jīng)過低通濾波器檢波還原后的包含雜波的通訊信號圖。圖9、經(jīng)過門限比較器的干凈的通訊信號圖。
具體實(shí)施方式
根據(jù)附圖
l，工作船1上載有一臺水面通訊控制器2，與水面超聲波收發(fā)換能器3相連，并 將水面超聲波換能器3放置在距離水面1米左右的水中。船上纜車通過鋼纜4將水下通訊控制器 6懸掛在水中。水下超聲波收發(fā)換能器5與水下通訊控制器6相連，水深傳感器和流速儀安裝在 置于采集水樣的作業(yè)容器7上的水下通訊控制器6內(nèi)。具體工作原理-根據(jù)圖4，微處理器(MCU)、存忙器(MEM)、通用異步收發(fā)器(UART)、輸入/輸出口 (1/0)、脈寬調(diào)制口 (PWM)構(gòu)成單片機(jī)，單片機(jī)系統(tǒng)的PWM口發(fā)出PWM調(diào)制信號，UART 口發(fā)出通訊信號，通過發(fā)射驅(qū)動器合成載波通訊信號，在經(jīng)過變壓器驅(qū)動水面超聲波收發(fā)換 能器發(fā)出水聲載波通訊信號。鍵盤、顯示器、外設(shè)驅(qū)動器與單片機(jī)的I/0口構(gòu)成人機(jī)控制界面。根據(jù)圖5， MCU、 MEM、 UART、 I/O、 PWM、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)構(gòu)成單片機(jī)，單片 機(jī)的PWM口發(fā)出PWM調(diào)制信號，UART口發(fā)出通訊信號，通過發(fā)射驅(qū)動器合成載波通訊信號， 在經(jīng)過變壓器驅(qū)動水面超聲波收發(fā)換能器發(fā)出水聲載波通訊信號。水下超聲波收發(fā)換能器發(fā)出的水聲載波通訊信號，通過水面超聲波收發(fā)換能器接收到前置放大器，傳輸?shù)绞軉纹瑱C(jī)控制放大倍率的程控放大器，經(jīng)過帶通濾波器濾除雜波，再經(jīng)過 低通濾波器還原出有用信號，通過門限比較器濾除回波、余振等同頻雜波，通過UART口傳 輸給單片機(jī)。單片機(jī)通過ADC口接收流速儀和水深傳感器的信號。水深傳感器可以探知水下超聲波收發(fā)換能器下潛位置的水壓，結(jié)合預(yù)先輸入的水的比重， 可以計(jì)算出水下收發(fā)換能器下潛深度；流速儀可以探知此時(shí)的水流速度。微處理器通過釆集 水深傳感器和流速儀的數(shù)據(jù)，加上預(yù)先測定水下超聲波收發(fā)換能器5、水下通訊控制器6和作 業(yè)容器7的水阻系數(shù)，可以測算出水下超聲波收發(fā)換能器5與水面超聲波收發(fā)換能器3的水平漂 移距離。根據(jù)下潛深度和水平漂移距離，微處理器可以計(jì)算出水下超聲波收發(fā)換能器5與水面 超聲波收發(fā)換能器3的實(shí)際距離。水下通訊控制器6根據(jù)這個(gè)距離設(shè)定程控放大器的倍率，并 將此距離數(shù)據(jù)發(fā)往水面通訊控制器2。同樣水面通訊控制器2將此據(jù)設(shè)定其程控放大器的倍率， 并將這一距離數(shù)據(jù)顯示在屏幕上。 '水面通訊控制器和水下通訊控制器均采用半雙工工作模式。均通過同一收發(fā)換能器發(fā)射 和接收超聲波載波信號。水聲載波通訊系統(tǒng)的通訊過程如下將水下通訊控制器6放入水中，根據(jù)微處理器算出水 面超聲波收發(fā)換能器3與水下超聲波收發(fā)換能器5之間的距離，微處理器將據(jù)此設(shè)定程控放大 器的放大倍數(shù)，使得有用的載波信號可以通過信號門限且不失真，而噪聲、余振和回波等無 用信號則因幅值小無法通過門限比較器；水面通訊控制器2首先通過水面超聲波收發(fā)換能器發(fā) 出距離探測指令給水下通訊控制器6，水下通訊控制器6通過采樣測算，返回兩超聲波收發(fā)換 能器之間的距離數(shù)據(jù)，水面通訊控制器2同樣據(jù)此設(shè)定自身的程控放大器的倍率。在整個(gè)工作 過程中，水下通訊控制器6可以不間斷的發(fā)回距離探測數(shù)據(jù)，水面通訊控制器將據(jù)此不斷修正 程控放大倍率。其中超聲波收發(fā)換能器為無錫超宇電子有限公司的型號GCC-200的產(chǎn)品，水 深傳感器為上海力格儀表有限公司型號為SMP833的產(chǎn)品。.由于水面通訊控制器與水下通訊控制器的通訊控制電路相同，區(qū)別在于水面通訊控制器 有鍵盤、顯示器等人機(jī)界面電路，而水下通訊控制器有執(zhí)行驅(qū)動電路和傳感器采樣電路，因 此僅給出用于水聲通訊的采水控制器電氣原理圖，如圖6所示。單片機(jī)Ul為美國模擬器件公司生產(chǎn)的多功能單片機(jī)ADuC848，開關(guān)三極管Q1、四2輸入 與門U2和雙D觸發(fā)器U103構(gòu)成信號調(diào)制電路，與開關(guān)三極管Q2、開關(guān)三極管Q3、功率管 M0S1、功率管M0S2構(gòu)成的功率驅(qū)動電路組合構(gòu)成發(fā)射驅(qū)動器。程控放大器UI08為美國德克薩斯半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的程控放大器PGA202，運(yùn)算放大器U6A構(gòu)成有源帶通濾波器。運(yùn)算放大 器U6B、運(yùn)算放大器U7和運(yùn)算放大器U9構(gòu)成低通濾波器。基準(zhǔn)電壓源U5、運(yùn)算放大器U4構(gòu) 成門限比較器。水面通訊控制器與水下通訊控制器之間采用半雙工模式互相通訊。 單片機(jī)U1由其中的PWM 口 38腳發(fā)出 一路PWM波，由UART口 17腳發(fā)出 一路通訊信號， 經(jīng)過信號調(diào)制電路，合成載波通訊信號，再經(jīng)過功率驅(qū)動電路、變壓器，驅(qū)動超聲波換能器 收發(fā)，發(fā)出水聲載波通訊信號。由同一超聲波收發(fā)換能器接收來自另一臺控制器發(fā)出的水聲 載波通訊信號，傳輸給程控放大器轉(zhuǎn)換為載波電壓信號，經(jīng)過帶通濾波器濾除雜波，波形圖 如圖7所示；再經(jīng)過低通濾波器還原出有用信號，波形圖如圖8所示；通過門限比較器濾除回 波、余振等同頻雜波，傳送給單片機(jī)系統(tǒng)，波形圖如圖9所示。水下通訊控制器包括水深傳感器和流速儀，單片機(jī)U1分別通過模擬輸入口1、 3腳采集這 兩個(gè)傳感器的傳輸?shù)哪M信號，通過軟件運(yùn)算，可以得知水面和水下超聲波收發(fā)換能器之間 的距離，并據(jù)此通過I/0口 (27、 28腳)輸出控制信號到程控放大器U108的A0、 Al端l、 2腳， 控制程控放大器的放大倍率，使得有用的載波信號可以通過門限比較器且不失真。以此限制 雜波信號的放大，達(dá)到降低信號傳輸誤碼率的目的。
權(quán)利要求
1、一種用于水聲通訊的采水控制器，其特征在于發(fā)出脈寬調(diào)制信號和通訊信號的單片機(jī)通過發(fā)射驅(qū)動器與變壓器相連，所述發(fā)射驅(qū)動器將脈寬調(diào)制信號和通訊信號合成載波通訊信號；前置放大器依次通程控放大器、帶通濾波器、低通濾波器與門限比較器相連；所述變壓器的輸出端分別與超聲波收發(fā)換能器的輸入端和所述前置放大器的輸入端相連，所述門限比較器的輸出端與所述單片機(jī)的輸入端相連，所述單片機(jī)的輸入\輸出端與所述程控放大器的控制端相連。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述用于水聲通訊的采水控制器，其特征在于所述發(fā)射驅(qū)動器包括信號 調(diào)制電路和功率驅(qū)動電路，脈寬調(diào)制信號和通訊信號經(jīng)所述信號調(diào)制電路合成載波通訊信 號后，通過功率驅(qū)動電路輸出到所述變壓器。
3、 一種水面通訊控制器，其特征在于包括權(quán)利要求l的采水控制器，所述單片機(jī)的輸入\輸出端通過外設(shè)驅(qū)動器與顯示器和鍵盤相連。
4、 一種水下通訊控制器，其特征在于包括權(quán)利要求l的采水控制器，所述單片機(jī)的模數(shù)轉(zhuǎn) 換端分別與水深傳感器和流速儀相連。
5、 一種水聲載波通訊系統(tǒng)，其特征在于包括權(quán)利要求3的水面通訊控制器和權(quán)利要求4的水下通訊控制器。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的水聲載波通訊系統(tǒng)，其特征在于所述超聲波收發(fā)換能器的指向角為30° 60° 。
7、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的水聲載波通訊系統(tǒng)，其特征在于所述程控放大器的放大倍數(shù)為1 IOOO倍。
8、 一種權(quán)利要求5所述的水聲載波通訊系統(tǒng)的應(yīng)用方法，其特征在于水下通訊控制器通過采集和處理水深傳感器和流速儀的數(shù)據(jù)，計(jì)算出水面收發(fā)換能器和水下收發(fā)換能器之間的 距離，并據(jù)此調(diào)節(jié)程控放大器的放大倍數(shù)，使得接收信號的幅值高于門限比較器的門限電 壓且不超過額定幅值。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的水聲載波通訊系統(tǒng)的應(yīng)用方法，其特征在于所述水面通訊控制器 和所述水下通訊控制器均采用半雙工工作模式。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種含有水聲通訊采水控制器的水聲載波通訊系統(tǒng)及其應(yīng)用方法。水聲載波通訊系統(tǒng)包括水面通訊控制器和水面超聲波收發(fā)換能器、水下通訊控制器和水下超聲波收發(fā)換能器、水深傳感器、流速儀。水下通訊控制器通過采集和處理水深傳感器和流速儀的數(shù)據(jù)，計(jì)算出水面超聲波收發(fā)換能器與水下超聲波收發(fā)換能器之間的距離，并據(jù)此調(diào)節(jié)程控放大器的放大倍率，使得接收信號的幅值高于門限電壓且不超過額定幅值，據(jù)此抑制雜波信號的放大，達(dá)到降低信號傳輸誤碼率的目的。本發(fā)明解決了水聲通訊中噪聲、回波和發(fā)射收發(fā)換能器產(chǎn)生的較大余振對接收信號影響的問題。
文檔編號H04B13/02GK101309119SQ200810043348
公開日2008年11月19日 申請日期2008年5月8日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月8日
發(fā)明者常旭東, 鐘小濱 申請人:上海儀器儀表研究所