CN101247184A - 一种用于水下机器人的通信转发系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种用于水下机器人的通信转发系统。系统以水下机器人为工作载体，其组成包括：电子耐压舱(1)、收发合置换能器(9)、连接电子耐压舱(1)与收发合置换能器(9)的水密电缆(11)和连接电子耐压舱(1)与水下机器人(10)的水密电缆(12)。本发明系统集成度高、性能可靠、低功耗实时运行，能够为智能水下机器人提供无缆移动通信服务、为其他水下通信节点提供信息的转发服务，可以在远距离完成高可靠性低速通信传输，在近距离完成大量多媒体数据处理与高速传输，并且系统嵌入实时操作系统，实现本系统的智能任务调度及与水下机器人的系统对接。

Description

一种用于水下机器人的通信转发系统

(一)技术领域

本发明涉及水下机器人技术和水声通信技术领域，具体涉及一种用于水下机器人的通信转发系统。

(二)背景技术

随着人类开发海洋的深入，水下机器人由于机动灵活，能够在深海中长时间工作而日益成为人类开发利用海洋的重要工具。因此，装载在水下机器人上的系统要求具有集成度高、功耗低及智能实时工作等特点。水下机器人技术的开发与应用也离不开水声通信技术的全面运用。在水下机器人工作的过程中，通常要与水面舰艇、潜艇、各种潜器或水下工作站进行通信，完成指令、命令以及大量数据的传输与处理，这就需要在水下机器人上建立可远距离可靠传输、具有强大处理能力的通信转发系统。

由于水声环境复杂，传感器接收到的声信号随机起伏并且带有严重的衰减，因此水声通信对系统有很高的要求，系统需要进行复杂控制和大量数字信号处理。目前，水声通信技术的应用系统情况不一，系统结构大都比较简单，功能单一，集成度不高，对应用于水下机器人的通信系统研究很少。在国内文献中，有些系统是由单一功能的设备模块拼接而成；有些系统是用单片机进行简单的控制，或是用DSP实现通信算法，由通用计算机控制系统。如文献Freitag，L.；Grund，M.；Singh，S.；Partan，J.；Koski，P.；Ball，K.The WHOI micro-modem：an acousticcommunications and navigation system for multiple platforms.OCEANS 2005(IEEECat.No.05CH37711)，2005，pt.2，1086-92 Vol.2.(WHOI微型调制解调器：用于多平台的通信导航系统)。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种集成度高、性能可靠、低功耗实时运行，能够为智能水下机器人提供无缆移动通信服务、为其他水下通信节点提供信息的转发服务，可以在远距离完成高可靠性低速通信传输，在近距离完成大量多媒体数据处理与高速传输，并且能实现本系统的智能任务调度及与水下机器人的系统对接的一种用于水下机器人的通信转发系统。

本发明的目的是这样实现的：

本发明所采用的技术方案是：系统以水下机器人为工作载体，其组成包括：电子耐压舱1、收发合置换能器9、连接电子耐压舱1与收发合置换能器9的水密电缆11和连接电子耐压舱1与水下机器人10的水密电缆12。

本发明还可以包括这样一些特征：

1、所述的电子耐压舱1包括：信号处理板2、预调理电路板7和发射机8；其中，信号处理板2、预调理电路板7与收发合置换能器9依次由电信号连接接收信号；信号处理板2、发射机8与收发合置换能器9依次由电信号连接发送信号。

2、所述的信号处理板2包括：以ARM 3为核心的嵌入式处理模块，以DSP 5为核心的高速数据处理模块，以FPGA 4核心的信号控制、数据缓冲模块和高性能低功耗内置A/D、D/A的Codec 6模块；其中，FPGA 4分别与ARM 3、DSP 5、Codec 6由电信号互连；ARM3与DSP 5由电信号互连；信号处理板2与水下机器人10的连接，具体通过ARM 3与水下机器人10由电信号互连。

3、所述的以ARM 3为核心的嵌入式处理模块包括：FLASH1 11，SDRAM1 12，实时时钟芯片13，以太网物理层芯片14和串口RS232芯片15；其中，ARM 3通过片上外部总线接口EBI与DSP 5由电信号连接；通过片上外部总线接口EBI与FPGA 4由电信号连接。

4、所述的以DSP 5为核心的高速数据处理模块包括：FLASH2 16和SDRAM217；其中，DSP 5通过片上主机接口HPI与ARM 3由电信号连接；DSP 5通过片上外部存储器接口EMIF与FPGA 4由电信号连接。

5、所述的以FPGA 4核心的信号控制、数据缓冲模块除分别与ARM 3、DSP 5、Codec 6由电信号数据互连外，还与信号处理板2上控制信号由电信号连接。

6、所述的高性能低功耗内置A/D、D/A的Codec 6模块具体与预调理电路板7由电信号连接接收信号，与发射机8由电信号连接发送信号。

7、所述的预调理电路板7包括：滤波器18和前置放大器19；其中，Codec6、滤波器18和前置放大器19由电信号依次连接。

本发明的系统以水下机器人为工作载体，电子耐压舱1和收发合置换能器9装载在水下机器人上，并由水下机器人提供工作用电。其中，电子耐压舱1是密封的耐压壳体，为电子系统提供干燥、密闭的工作环境；收发合置换能器9是通信收发数据的重要组件，装配在水下机器人上对收发合置换能器的收发面无遮挡的位置。

本发明的信号处理板2是整个通信转发系统的数据处理和控制核心。信号处理板2采用了高性能、低功耗的双处理器结构和嵌入式操作系统，使系统实现了实时智能任务调度和高速信号处理。其中，ARM 3为信号处理板2的主处理器，通过在其上装载嵌入式实时操作系统来完成对整个系统平台的管理与任务的分配，同时也提供了与水下机器人10的系统对接。DSP 5为信号处理板2的协处理器，通过在其上进行数字信号处理完成通信编解码算法、命令传输与大量多媒体数据处理。FPGA 4为信号处理板2的信号控制、数据缓冲核心，用通用I/O引脚连接各器件的控制管脚，实现了控制信号之间的对接功能，保证了器件的正常工作；其内部还生成了异步先入先出存储器FIFO，并完成了串-并、并-串数据转换，这使Codec 6、ARM 3与DSP 5之间实现了数据格式的统一，在异步时钟范围内实行同步数据传输，为读写数据提供了转换与缓冲。Codec 6内置模数转换器A/D和数模转换器D/A，对接收到的信号进行采样量化，对需要发送的离散信号恢复为连续信号。整个信号处理板2集多片高性能、低功耗控制处理芯片于一身，完成了系统控制、信号处理、数据缓冲及连续离散信号转换，为用于水下机器人的通信转发系统提供了强大的硬件平台。

本发明的信号处理板2采用了双处理器结构，具体由主处理器ARM 3和协处理器DSP 5构成。ARM 3主要任务是控制系统的运行并结合了嵌入式实时操作系统；DSP 5主要任务是实现数字信号处理，完成通信编解码算法、命令传输与大量多媒体数据处理。在双处理器结构中，ARM 3以控制为主，DSP 5以信号处理为主受到ARM 3的控制，ARM 3通过片上外部总线接口EBI与DSP 5主机接口HPI连接，实现双处理器结构的主从通信方式。此时，DSP 5可看作ARM 3的一片外接存储器。其中，ARM 3与DSP 5具体可以通过双向三态总线收发器实现数据线和地址线的连接。

本发明的Codec 6内置模数转换器A/D和数模转换器D/A。Codec 6的配置是通过ARM 3片上I²C接口、SPI接口进行配置，或通过DSP 5的McBSP在时钟停止模式下支持SPI模式配置。其中，控制管脚通过FPGA 4转接。

本发明的信号处理板2与预调理电路板7连接，通过前置放大器19和滤波器18实现对获得的水声电信号前置放大和滤波处理，为后端Codec 6提供待采集信号。信号处理板2与发射机8连接，提高Codec 6发射信号的功率，供收发合置换能器9使用。

本发明的有益效果是：

1、系统采用了高性能、低功耗的双处理器结构，智能控制和信号处理能力优势互补，可以在复杂水声环境下为水下机器人提供稳定可靠的移动通信转发服务；

2、系统的核心功能模块均采用低功耗、集成度高的器件，实现的系统体积小、功耗低，对于水下机器人有限的空间和供电电池，系统可以方便的装载并长时间工作于水下；

3、嵌入式实时操作系统应用于硬件系统，可以控制整个通信转发系统的工作，实现智能任务调度，并实现与水下机器人的系统对接；

4、基于双处理器结构和嵌入式操作系统的应用，提高了系统的灵活性与通用性，使系统的容错能力好、软件系统与算法可升级、维护费用低；

5、系统除用于水下机器人外，还可以用于船基或岸基的水下通信节点。本发明能够搭载在水下机器人上长时间低功耗实时工作，完成水声命令的发射和接收、大量多媒体数据的处理与传输，为水下机器人提供可靠的无缆移动通信转发服务。

(四)附图说明

图1是本发明的总体结构框图。

图2是本发明中以ARM为核心的嵌入式处理模块原理结构图。

图3是本发明中以DSP为核心的高速数据处理模块原理结构图。

图4是本发明中数字信号在信号处理板中的传输过程结构图。

图5是本发明中预调理电路板的结构图。

图6是本发明中信号处理板电路图。

图7是本发明中ARM与DSP主从通信的连接电路图。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1，本发明以水下机器人为工作载体，包括：电子耐压舱1、收发合置换能器9、连接电子耐压舱1与收发合置换能器9的水密电缆11和连接电子耐压舱1与水下机器人10的水密电缆12。电子耐压舱1由信号处理板2，预调理电路板7和发射机8组成。

结合图1-3，信号处理板2包括：以ARM 3为核心的嵌入式处理模块，以DSP 5为核心的高速数据处理模块，以FPGA 4核心的信号控制、数据缓冲模块和高性能低功耗内置A/D、D/A的Codec 6模块。其中，以ARM 3为核心的嵌入式处理模块包括：FLASH1 11，SDRAM1 12，实时时钟芯片13，以太网物理层芯片14和串口RS232芯片15；以DSP 5为核心的高速数据处理模块包括：FLASH2 16和SDRAM2 17；FPGA 4是信号处理板2的数据和控制信号的中心。信号处理板2各模块间均由电信号连接，具体连接是：ARM 3通过片上外部总线接口EBI与DSP 5的片上主机接口HPI相连；FPGA4分别与ARM 3的外部总线接口EBI、DSP 5外部存储器接口EMIF、Codec 6数据互连；信号处理板2上控制信号通过FPGA 4实现对接；ARM 3提供与水下机器人10互连的接口，完成系统对接。

结合图1、5，预调理电路板7包括：滤波器18和前置放大器19。其中，收发合置换能器9、前置放大器19、滤波器18和Codec 6由电信号依次连接，接收信号；Codec 6、发射机8和收发合置换能器9由电信号依次连接，发送信号。

结合图4，本发明中ARM 3为信号处理板2的主处理器，通过在其上装载嵌入式实时操作系统来完成对整个系统平台的管理与任务的分配，同时也提供了与水下机器人10的系统对接。DSP 5为信号处理板2的协处理器，通过在其上进行数字信号处理完成通信编解码算法、命令传输与大量多媒体数据处理。FPGA4为信号处理板2的信号控制、数据缓冲核心，用通用I/O引脚连接各器件的控制管脚，实现了控制信号之间的对接功能；其内部还生成了异步先入先出存储器FIFO，并完成了串-并、并-串数据转换，这使Codec 6、ARM 3与DSP5之间实现了数据格式的统一，在异步时钟范围内实行同步数据传输，为读写数据提供了转换与缓冲。

下面以信号处理板2为系统提供的通信转发服务为例，具体说明数字信号在信号处理板2中的传输过程如下：嵌入式操作系统控制并管理整个系统平台，接收数据时，Codec 6将接收到的模拟水声电信号采样量化成数字信号，从SDOUT管脚串行输出。FPGA4接收来自Codec 6的串行数据，进行数据串-并转换并存放于FIFO中。当FIFO半满时给出半满信号，DSP 5通过外部存储器接口EMIF从FIFO并行读出数据，在片上进行数字信号处理实现通信数据的编解码或多媒体数据的处理，完成后给出信号并启动主机接口HPI。ARM 3作为主设备通过外部总线接口EBI对DSP 5的运算结果进行读取，再由ARM 3通过外部总线接口EBI送往FPGA4。FPGA4接收来自ARM 3的并行数据存入FIFO，进行数据并-串转换并串行送往Codec 6。Codec 6通过SDIN脚接收数据，将数字信号恢复成模拟信号并向外发送。其中，ARM 3、DSP 5和FPGA 4之间均采用并行通信，可实现相互无缝连接；FPGA 4与Codec 6之间采用串行通信；FPGA 4的内部实现了串-并、并-串数据转换和在异步时钟范围内实行同步数据传输。

结合图6、7，图6为数字信号处理板的电路图，图中按器件实现的功能划分为层次电路。本发明具体电路使用的器件均为低功耗、高性能、集成度高的器件，其中核心器件ARM采用了AT91RM9200，DSP采用了TMS320VC5510A，FPGA采用了XC2V1000，Codec采用了CS42L51。图6中数据信号主要由ARM和DSP的地址总线、数据总线构成，图中为粗黑线；其余连线均为系统的控制信号线，主要与FPGA相连。图7是ARM与DSP主从通信的连接电路图，对于地址总线，ARM的地址线ARM_A[20..1]与DSP的HPI地址线DSPHA[19..0]相连；对于数据总线，ARM的数据线ARM_D[15..0]与DSP的数据线DSPHD_D[15..0]相连。这样，ARM与DSP就实现了主从通信的连接。图7中的地址线和数据线的连接采用了双向三态总线收发器SN74LVTH244A和SN74LVTH32245，使总线可以有效的隔离与连接。

Claims (8)

1、一种用于水下机器人的通信转发系统，其特征是：系统以水下机器人为工作载体，其组成包括：电子耐压舱(1)、收发合置换能器(9)、连接电子耐压舱(1)与收发合置换能器(9)的水密电缆(11)和连接电子耐压舱(1)与水下机器人(10)的水密电缆(12)。

2、根据权利要求1所述的用于水下机器人的通信转发系统，其特征是：所述的电子耐压舱(1)包括：信号处理板(2)、预调理电路板(7)和发射机(8)；其中，信号处理板(2)、预调理电路板(7)与收发合置换能器(9)依次由电信号连接接收信号；信号处理板(2)、发射机(8)与收发合置换能器(9)依次由电信号连接发送信号。

3、根据权利要求2所述的用于水下机器人的通信转发系统，其特征是：所述的信号处理板(2)包括：以ARM(3)为核心的嵌入式处理模块，以DSP(5)为核心的高速数据处理模块，以FPGA(4)核心的信号控制、数据缓冲模块和高性能低功耗内置A/D、D/A的Codec(6)模块；其中，FPGA(4)分别与ARM(3)、DSP(5)、Codec(6)由电信号互连；ARM(3)与DSP(5)由电信号互连；信号处理板(2)与水下机器人(10)的连接，具体通过ARM(3)与水下机器人(10)由电信号互连。

4、根据权利要求3所述的用于水下机器人的通信转发系统，其特征是：所述的以ARM(3)为核心的嵌入式处理模块包括：FLASH1(11)，SDRAM1(12)，实时时钟芯片(13)，以太网物理层芯片(14)和串口RS232芯片(15)；其中，ARM(3)通过片上外部总线接口EBI与DSP(5)由电信号连接；通过片上外部总线接口EBI与FPGA(4)由电信号连接。

5、根据权利要求3所述的用于水下机器人的通信转发系统，其特征是：所述的以DSP(5)为核心的高速数据处理模块包括：FLASH2(16)和SDRAM2(17)；其中，DSP(5)通过片上主机接口HPI与ARM(3)由电信号连接；DSP(5)通过片上外部存储器接口EMIF与FPGA(4)由电信号连接。

6、根据权利要求3所述的用于水下机器人的通信转发系统，其特征是：所述的以FPGA(4)核心的信号控制、数据缓冲模块除分别与ARM(3)、DSP(5)、Codec(6)由电信号数据互连外，还与信号处理板(2)上控制信号由电信号连接。

7、根据权利要求3所述的用于水下机器人的通信转发系统，其特征是：所述的高性能低功耗内置A/D、D/A的Codec(6)模块具体与预调理电路板(7)由电信号连接接收信号，与发射机(8)由电信号连接发送信号。

8、根据权利要求7所述的用于水下机器人的通信转发系统，其特征是：所述的预调理电路板(7)包括：滤波器(18)和前置放大器(19)；其中，Codec(6)、滤波器(18)和前置放大器(19)由电信号依次连接。

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