CN101309119B

CN101309119B - 含有水声通讯采水控制器的水声载波通讯系统及应用方法

Info

Publication number: CN101309119B
Application number: CN2008100433483A
Authority: CN
Inventors: 钟小滨; 常旭东
Original assignee: SHANGHAI INSTRUMENT RESEARCH INSTITUTE
Current assignee: SHANGHAI INSTRUMENT RESEARCH INSTITUTE
Priority date: 2008-05-08
Filing date: 2008-05-08
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2028-05-08
Also published as: CN101309119A

Abstract

本发明涉及一种含有水声通讯采水控制器的水声载波通讯系统及其应用方法。水声载波通讯系统包括水面通讯控制器和水面超声波收发换能器、水下通讯控制器和水下超声波收发换能器、水深传感器、流速仪。水下通讯控制器通过采集和处理水深传感器和流速仪的数据，计算出水面超声波收发换能器与水下超声波收发换能器之间的距离，并据此调节程控放大器的放大倍率，使得接收信号的幅值高于门限电压且不超过额定幅值，据此抑制杂波信号的放大，达到降低信号传输误码率的目的。本发明解决了水声通讯中噪声、回波和发射收发换能器产生的较大余振对接收信号影响的问题。

Description

含有水声通讯采水控制器的水声载波通讯系统及应用方法

技术领域

本发明涉及一种含有水声通讯采水控制器的水声载波通讯系统及其应用方法。

背景技术

现有的声控通讯控制器中大多采用超声波载波通讯，载波方法可采用FSK、PSK、QPSK、ASK等，受超声波收发换能器特性影响，载波频率多在20kHz～120kHz之间。由于载波频率太低无法使用现有的无线通信专用调制解调芯片处理信号，只能用多片电路及分立元件搭制。使得水声通讯的设计和制造成本很高。

水声通讯与空中无线电通讯相比有几大特点，一是频率越高的声波在水中衰减越快，表现为对数特性，即有：声波在水中的衰减率为-20LOG(S/S₀)，其中S为通讯距离，S₀＝1米；二是噪声和回波对接收信号影响较大；三是发射收发换能器会产生较大的余振。正常发射波形如图2所示。以下简称水声噪声、回波和余振为杂波。

考虑到衰减因素和收发换能器接收灵敏度的影响，当采水深度达到100米时，需要前置放大器的放大倍数至少达到60dB左右，才能有效的传输信号。如果采用固定放大倍率，在浅水水域通讯时，如图3所示，不仅有用信号被放大到削顶失真，杂波也被放大到与有用信号同等水平，仅靠选频滤波和设置信号门限无法完全消除这些杂波，给有用信号识别造成了很多困难，很容易产生误码。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对上述问题，提出一种可降低杂波影响、限制这些无用信号、以达到降低水声载波通讯误码率的含有水声通讯采水控制器的水声载波通讯系统及其应用方法。

本发明的一个技术方案：

一种用于水声通讯的采水控制器，发出脉宽调制信号和通讯信号的单片机通过发射驱动器与变压器相连，所述发射驱动器将脉宽调制信号和通讯信号合成载波通讯信号；前置放大器依次与程控放大器、带通滤波器、低通滤波器及门限比较器相连；所述变压器的输出端分别与超声波收发换能器的输入端、前置放大器的输入端相连，所述门限比较器的输出端与所述单片机的输入端相连，所述单片机的输入\输出端与所述程控放大器的控制端相连。

所述发射驱动器包括信号调制电路和功率驱动电路，脉宽调制信号和通讯信号经所述信号调制电路合成载波通讯信号后，通过功率驱动电路输出到所述变压器。

所述微处理单元的外围电路包括由晶体振荡器和电容构成的时钟电路。

本发明的另一个技术方案：

一种水面通讯控制器，发出脉宽调制信号和通讯信号的单片机通过发射驱动器与变压器相连，所述发射驱动器将脉宽调制信号和通讯信号合成载波通讯信号；前置放大器依次与程控放大器、带通滤波器、低通滤波器及门限比较器相连；所述变压器的输出端分别与水面超声波收发换能器的输入端、前置放大器的输入端相连，所述门限比较器的输出端与所述单片机的输入端相连，所述单片机的输入\输出端与所述程控放大器的控制端相连，所述单片机的输入\输出端通过外设驱动器与显示器和键盘相连。

一种水下通讯控制器，发出脉宽调制信号和通讯信号的单片机通过发射驱动器与变压器相连，所述发射驱动器将脉宽调制信号和通讯信号合成载波通讯信号；前置放大器依次通程控放大器、带通滤波器、低通滤波器与门限比较器相连；所述变压器的输出端分别与水下超声波收发换能器的输入端和所述前置放大器的输入端相连，所述门限比较器的输出端与所述单片机的输入端相连，所述单片机的输入\输出端与所述程控放大器的控制端相连，所述单片机的模数转换端分别与水深传感器和流速仪相连。

进一步，本发明的技术方案：

一种水声载波通讯系统，包括上述水面通讯控制器和上述水下通讯控制器。

所述水面超声波收发换能器和水下超声波收发换能器的指向角均为30°～60°。

所述程控放大器的放大倍数为1～1000倍。

再进一步，本发明的技术方案：

一种水声载波通讯系统的应用方法，水下通讯控制器通过采集和处理水深传感器和流速仪的数据，计算出水面收发换能器和水下收发换能器之间的距离，并据此调节程控放大器的放大倍数，使得接收信号的幅值高于门限比较器的门限电压且不超过额定幅值。

所述水面通讯控制器和所述水下通讯控制器均采用半双工工作模式。

本发明的有益效果：

本发明在水下通讯控制器上，接入水深传感器和流速仪，通过水下通讯控制器上的微处理器采集水深和流速数据，测算出水下收发换能器与水面收发换能器之间的距离。再根据距离的远近，由水下通讯控制器上的微处理器通过程控放大器自动控制信号放大倍数，使得有用的载波信号可以通过信号门限且不失真。以此限制杂波信号的放大，达到降低信号传输误码率的目的。

采用本发明的水声载波通讯系统的应用方法，结构简单，成本低廉，误码率低。

图说明

图1、水声通讯系统工作示意图。

图2、包含有各种杂波的载波通讯信号图。

图3、饱和放大后的载波通讯信号图。

图4、水面通讯控制器原理框图。

图5、水下通讯控制器原理框图。

图6、用于水声通讯的采水控制器电气原理图。

图7、通过了带通滤波器的包含同频回波、余振的载波信号图。

图8、经过低通滤波器检波还原后的包含杂波的通讯信号图。

图9、经过门限比较器的干净的通讯信号图。

具体实施方式

根据附图1，工作船1上载有一台水面通讯控制器2，与水面超声波收发换能器3相连，并将水面超声波换能器3放置在距离水面1米左右的水中。船上缆车通过钢缆4将水下通讯控制器6悬挂在水中。水下超声波收发换能器5与水下通讯控制器6相连，水深传感器和流速仪安装在置于采集水样的作业容器7上的水下通讯控制器6内。

具体工作原理：

根据图4，微处理器(MCU)、存贮器(MEM)、通用异步收发器(UART)、输入/输出口(I/O)、脉宽调制口(PWM)构成单片机，单片机系统的PWM口发出PWM调制信号，UART口发出通讯信号，通过发射驱动器合成载波通讯信号，在经过变压器驱动水面超声波收发换能器发出水声载波通讯信号。

键盘、显示器、外设驱动器与单片机的I/O口构成人机控制界面。

根据图5，MCU、MEM、UART、I/O、PWM、模数转换器(ADC)构成单片机，单片机的PWM口发出PWM调制信号，UART口发出通讯信号，通过发射驱动器合成载波通讯信号，在经过变压器驱动水面超声波收发换能器发出水声载波通讯信号。

水下超声波收发换能器发出的水声载波通讯信号，通过水面超声波收发换能器接收到前置放大器，传输到受单片机控制放大倍率的程控放大器，经过带通滤波器滤除杂波，再经过低通滤波器还原出有用信号，通过门限比较器滤除回波、余振等同频杂波，通过UART口传输给单片机。

单片机通过ADC口接收流速仪和水深传感器的信号。

水深传感器可以探知水下超声波收发换能器下潜位置的水压，结合预先输入的水的比重，可以计算出水下收发换能器下潜深度；流速仪可以探知此时的水流速度。微处理器通过采集水深传感器和流速仪的数据，加上预先测定水下超声波收发换能器5、水下通讯控制器6和作业容器7的水阻系数，可以测算出水下超声波收发换能器5与水面超声波收发换能器3的水平漂移距离。根据下潜深度和水平漂移距离，微处理器可以计算出水下超声波收发换能器5与水面超声波收发换能器3的实际距离。水下通讯控制器6根据这个距离设定程控放大器的倍率，并将此距离数据发往水面通讯控制器2。同样水面通讯控制器2将此据设定其程控放大器的倍率，并将这一距离数据显示在屏幕上。

水面通讯控制器和水下通讯控制器均采用半双工工作模式。均通过同一收发换能器发射和接收超声波载波信号。

水声载波通讯系统的通讯过程如下：将水下通讯控制器6放入水中，根据微处理器算出水面超声波收发换能器3与水下超声波收发换能器5之间的距离，微处理器将据此设定程控放大器的放大倍数，使得有用的载波信号可以通过信号门限且不失真，而噪声、余振和回波等无用信号则因幅值小无法通过门限比较器；水面通讯控制器2首先通过水面超声波收发换能器发出距离探测指令给水下通讯控制器6，水下通讯控制器6通过采样测算，返回两超声波收发换能器之间的距离数据，水面通讯控制器2同样据此设定自身的程控放大器的倍率。在整个工作过程中，水下通讯控制器6可以不间断的发回距离探测数据，水面通讯控制器将据此不断修正程控放大倍率。其中超声波收发换能器为无锡超宇电子有限公司的型号GCC-200的产品，水深传感器为上海力格仪表有限公司型号为SMP833的产品。

由于水面通讯控制器与水下通讯控制器的通讯控制电路相同，区别在于水面通讯控制器有键盘、显示器等人机界面电路，而水下通讯控制器有执行驱动电路和传感器采样电路，因此仅给出用于水声通讯的采水控制器电气原理图，如图6所示。

单片机U1为美国模拟器件公司生产的多功能单片机ADuC848，开关三极管Q1、四2输入与门U2和双D触发器U103构成信号调制电路，与开关三极管Q2、开关三极管Q3、功率管MOS1、功率管MOS2构成的功率驱动电路组合构成发射驱动器。程控放大器U108为美国德克萨斯半导体公司生产的程控放大器PGA202，运算放大器U6A构成有源带通滤波器。运算放大器U6B、运算放大器U7和运算放大器U9构成低通滤波器。基准电压源U5、运算放大器U4构成门限比较器。

水面通讯控制器与水下通讯控制器之间采用半双工模式互相通讯。

单片机U1由其中的PWM口38脚发出一路PWM波，由UART口17脚发出一路通讯信号，经过信号调制电路，合成载波通讯信号，再经过功率驱动电路、变压器，驱动超声波换能器收发，发出水声载波通讯信号。由同一超声波收发换能器接收来自另一台控制器发出的水声载波通讯信号，传输给程控放大器转换为载波电压信号，经过带通滤波器滤除杂波，波形图如图7所示；再经过低通滤波器还原出有用信号，波形图如图8所示；通过门限比较器滤除回波、余振等同频杂波，传送给单片机系统，波形图如图9所示。

水下通讯控制器包括水深传感器和流速仪，单片机U1分别通过模拟输入口1、3脚采集这两个传感器的传输的模拟信号，通过软件运算，可以得知水面和水下超声波收发换能器之间的距离，并据此通过I/O口(27、28脚)输出控制信号到程控放大器U108的A0、A1端1、2脚，控制程控放大器的放大倍率，使得有用的载波信号可以通过门限比较器且不失真。以此限制杂波信号的放大，达到降低信号传输误码率的目的。

Claims

1.一种用于水声通讯的采水控制器，其特征在于：发出脉宽调制信号和通讯信号的单片机通过发射驱动器与变压器相连，所述发射驱动器将脉宽调制信号和通讯信号合成载波通讯信号；前置放大器与程控放大器相连，所述的程控放大器与带通滤波器相连，所述的带通滤波器与低通滤波器相连，所述的低通滤波器与门限比较器相连；所述变压器的输出端分别与超声波收发换能器的输入端、前置放大器的输入端相连，所述门限比较器的输出端与所述单片机的输入端相连，所述单片机的输入\输出端与所述程控放大器的控制端相连，用于水声通讯的采水控制器内安装有水深传感器和流速仪，采水控制器的微处理器通过采集和处理水深传感器和流速仪的数据，计算出水面超声波收发换能器和水下超声波收发换能器之间的距离，并据此调节程控放大器的放大倍数。

2.根据权利要求1所述用于水声通讯的采水控制器，其特征在于：所述发射驱动器包括信号调制电路和功率驱动电路，脉宽调制信号和通讯信号经所述信号调制电路合成载波通讯信号后，通过功率驱动电路输出到所述变压器。

3.一种水面通讯控制器，其特征在于：包括权利要求1的采水控制器，所述单片机的输入\输出端通过外设驱动器与显示器和键盘相连。

4.一种水下通讯控制器，其特征在于：包括权利要求1的采水控制器，所述单片机的模数转换端分别与水深传感器和流速仪相连。

5.一种水声载波通讯系统，其特征在于：包括权利要求3的水面通讯控制器和权利要求4的水下通讯控制器。

6.根据权利要求5所述的水声载波通讯系统，其特征在于：所述超声波收发换能器的指向角为30°～60°。

7.根据权利要求5所述的水声载波通讯系统，其特征在于：所述程控放大器的放大倍数为1～1000倍。

8.一种权利要求5所述的水声载波通讯系统的应用方法，其特征在于：水下通讯控制器通过采集和处理水深传感器和流速仪的数据，计算出水面收发换能器和水下收发换能器之间的距离，并据此调节程控放大器的放大倍数，使得接收信号的幅值高于门限比较器的门限电压且不超过额定幅值。

9.根据权利要求8所述的水声载波通讯系统的应用方法，其特征在于：所述水面通讯控制器和所述水下通讯控制器均采用半双工工作模式。