CN101795160A - 应用于水下通信系统的值班电路及处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种应用于水下通信系统的值班电路及处理方法。它包括MSP430单片机[1]，电源[2]、电源滤波[3]、反相放大[4]、带通滤波[5]、偏置电路[6]、时钟电路[7]、编程接口[8]、串行通信电路[9]、复位[10]、电源控制[11]、发光二极管[12]。本发明具有一定的数据处理能力，硬件设计简单、体积小、功耗低、应用灵活多变、虚警概率小，可以应用于水下转发系统、水下定位系统、水下通信网络节点等水下通信系统。

Description

应用于水下通信系统的值班电路及处理方法

技术领域

本发明涉及一种值班电路平台结构，具体地说是一种应用于水下通信系统的值班电路。

背景技术

水声通信一般是以水声信号为载体、以水声信道为传播通道进行数据或控制信息的传输。水声通信的历史可以追溯到1914年，水声电报系统研制成功，可以看作是水下无线通信的雏形。

水下通信系统是一个长期在水下进行海洋工程、海底地质、海洋生物、海洋渔业资源的调查、实施海洋能源与矿产资源勘探开发，是完成深海援潜救生与海底打捞作业等的固定和活动式海上平台。一般，水下通信系统是由许多水声网络节点组成。它们既是水声通信网络的探测装置，又是无线连接岸基、水下和水面基站的纽带。随着世界各国海洋开发和海洋军事领域的飞速发展，水下信息网络成为一个新的研究热点，它主要应用于对水下传感器网络所覆盖的区域进行中长期的水下预警、目标检测、海洋水文环境要素监测等，其广阔的应用前景，引起了学术界和军事界的高度重视。

然而，不同于无线电的通信，水声通信一方面考虑水声信道的复杂性，为了获得高速可靠的水下通信，水下通信网络节点必须采用复杂的水声通信信号处理方法，比如复杂的信道编码、复杂的信道均衡等手段；另一方面由于水下通信系统须长期在水下独立工作，系统采用电池供电，电池的充电或者更换十分麻烦，而在空闲状态下系统的空转并没有实际的意义，这一部分的能耗必须节省，对于水下通信系统能耗节省的研究与开发具有非常重要的意义。

值班电路的应用正是基于节能的考虑，在水下通信系统中有广泛的应用，比如水下转发系统、水下定位系统、水下通信节点等等。由于是在水下长期工作的系统，其能耗问题是一个很重要的一方面，而值班电路的引入可以实现系统低能耗。在整个系统中，值班电路是一直工作的，而只有当检测到唤醒信号时，系统的其他部分才工作，对于值班电路设计也应注重自身的功耗问题。

虽然CNKI数据库中公开的曲东与桑恩方的论文《水下通信网转发器软硬件技术研究》、申请号为US2002064092的专利文件等的文件中也涉及到本发明申请的相关内容。但是，在水下通信系统中，能耗一直是备受关注的问题。因为水下通信系统一般都是一个封闭的系统，而这些系统往往是长期安放在海底，由电池进行供电，所以如何使其节约功耗就成为了系统设计中的主要研究内容。为了降低系统的功耗，可以采取几种措施，比如应用低功耗的芯片，使用高性能的电池及应用值班电路，而值班电路不能不说是最有效的方法。现有的水下通信系统如水下定位系统、水下转发器等，要么没有应用值班电路，要么仅使用模拟电路设计值班电路。电路的设计相对复杂，对于不同的系统应用不方便，而且自身的功耗也相对大一些。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以方便的应用于水下转发系统、水下通信节点等水下通信系统、功耗低的应用于水下通信系统的值班电路。本发明的目的还在于提供一种基于本发明的应用于水下通信系统的值班电路的处理方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的应用于水下通信系统的值班电路它包括MSP430单片机1，电源2、电源滤波3、反相放大4、带通滤波5、偏置电路6、串行通信电路9、复位10、电源控制11、发光二极管12；其特征是：电源2转换输出端与电源滤波3相连，电源滤波3的电压输出端与反相放大4、带通滤波5、偏置电路6、编程接口8、通信接口9、电源控制11相连；MSP430单片机1的UART接口与串行通信电路9互联，MSP430单片机1的通用I/O与电源控制11相连，发光二极管12与电源控制11相连，反相放大4电路与带通滤波5电路直接连接，带通滤波5电路再与偏置电路6相连，偏置电路6与MSP430单片机1的模拟通道1相连。

本发明的应用于水下通信系统的值班电路的MSP430单片机1的外部包括：时钟电路7、编程接口8和复位10，时钟电路7输出端与MSP430单片机1的时钟信号输入端相接，编程接口8与MSP430单片机1的JTAG接口互联，复位10输出直接与MSP430单片机的复位引脚相连。

基于本发明的应用于水下通信系统的值班电路的处理方法包括如下步骤：

(1)对MSP430单片机1中用到的各硬件资源的相关寄存器进行相应的初始化设置；

(2)对运算中用到的自定义的变量进行初始化设置；

(3)在进入主程序之前关闭看门狗；

(4)开启系统的总中断；

(5)等待采样状态标志位的变化，从而判断是否进入相应的数据处理子程序；

(6)根据处理子程序的结果，做出相应的状态控制。

所述的采样包括如下步骤：

(1)MSP430单片机内部的定时器的中断到来；

(2)停止A/D的转换；

(3)把采样得到的数据读出来，传给中间变量；

(4)设置采样标志位，通知主程序可以做一次数据处理；

(5)再开启A/D的转换，继续下一次的采样。

所述的数据处理子程序包括如下步骤：

(1)把采样得到的数据传递到中间变量，并进行相应的数据定点数定标；

(2)再把此数据做数字信号处理上的带通滤波，进一步滤除带外噪声；

(3)取其平方值，并分成两路；

(4)针对不同的参数取值，分别做两路α滤波；

(5)两路的结果值比较，计相应的脉冲宽度；

(6)判决是否为发送的脉冲信号。

本发明基于MSP430的值班电路它包括前端的模拟信号预调理部分、MSP430单片机的最小系统、电源控制部分及系统电源、通信接口等，具体是：

模拟预调理包括反相放大电路4的输出通过隔直电容，直接与带通滤波电路5的输入端相连，滤波的输出信号加上偏置电路6，使其满足A/D转换的要求。

MSP430单片机的最小系统包括MSP430单片机1，前端的模拟信号与MSP430单片机1的模拟通道相连，电源供电与MSP430单片机1的电源管脚相连，时钟电路7直接与MSP430单片机1的时钟管脚相连，复位电路10与MSP430单片机1的复位管脚相连，编程接口8与JTAG引脚相连。

电源控制部分及系统电源包括MSP430单片机1的通用I/O管脚与控制部分的三极管相连，三极管与继电器相连，电源的输出端与继电器的另一端相连，控制电源，发光二极管与电源的输出端相连，指示电源的输出状态。

通信接口包括MSP430单片机1的URAT管脚与电平转换芯片相连，通信的接口方式为RS232。

本发明的工作原理：

电路板的前端模拟调理部分先对接收到的信号进行模拟调理，一般接收到的水下声信号只有毫伏量级，必先对其进行放大，采用集成运放搭建成常用的反相放大电路4。放大后的信号同时包含有噪声，需要滤除。由于信号为单频信号，滤波采用窄带的带通滤波5，具体的是应用多反馈的带通滤波形式。滤波后的信号形式上是双极性的，而MSP430单片机1的内部A/D转换器是正极性的参考电平，所以在滤波后的信号加上偏置6后提高到相应的参考范围内。

信号在MSP430单片机1内实现的进一步软件上的数字信号处理，具体的是：由MSP430单片机1片内A/D采的信号值，进一步定点数的定标；把定标后数做IIR带通滤波，滤除带外噪声；再把信号的包络取出来，取包络的方法是平方加低通滤波的形式，低通滤波采用递归形式的α滤波，对平方的值做两路α滤波，根据不同的α值，一路为信号值，另一路为门限，两路相比较，计脉冲宽度，最后判决是否为发送的脉冲信号，如果是，则MSP430单片机1控制电源部分，使整个系统上电工作。同时串行通信接口可以与系统主处理器相连，相互之间通信，实现不同级别的功能。

本值班电路板的优点在于：

1、本发明应用于水下通信系统的值班电路板采用MSP430单片机1为主控芯片，其带有A/D、RAM、FLASH等片内外设，大大简化了外围电路。同时MSP430单片机1的最高主频达到25MHz，具有一定的数据处理能力，相比模拟电路的实现更方便、灵活。

2、此值班电路板上的芯片选择在考虑性能的同时，很注重自身的功耗，整个电路板的功耗低。选择低功耗的器件如OPA348、MSP430单片机1等。对于MSP430单片机1，其活动模式下为160μA/MHz，待机时为1.6μA。

3、此值班电路板在软件上有滤波、检波、比较等算法的运算处理，简化了硬件上的设计，并且在软件上做相应的运算，可以很方便的修改，以应对不同的水下通信系统的应用，应用灵活。同时，发送的信号采用组合CW脉冲的形式，信号检测时虚警概率更低。

4、此电路板有串行通信功能，MSP430单片机1通过UART接口和MAX232芯片相连，电平转换，实现RS232串行通信功能，它能很好的和主处理器串口的TTL电平兼容，实现通信，简化了硬件结构。

附图说明

图1用于水下通信系统的值班电路板平台结构的原理框图；

图2用于水下通信系统的值班电路的实例电路图；

图3用于值班电路板MSP430单片机的小系统原理框图；

图4用于值班电路板MSP430单片机内部的软件主程序流程图；

图5用于值班电路板MSP430单片机内A/D采样子程序流程图；

图6用于值班电路板MSP430单片机内数据处理子程序流程图。

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，应用于水下通信系统的值班电路板主要包括：模拟预调理部分、MSP430单片机最小系统、系统电源、电源控制及通信接口等部分。模拟预调理部分主要是应用集成运放OPA348为主，分为放大4、带通滤波5、偏置6等部分，经模拟调理之后的信号符合后续软件上的处理要求。模拟调理后的信号直接送入MSP430单片机1内部，先由片内模数转换电路采样转换为数字量，采样率的大小根据信号频率的3-4倍设置，采到的数据进一步做数字上的滤波、检波，最后判决是否发送的信号。如果未检测到信号，则继续循环检测；如果检测到了信号，则通过MSP430单片机1直接控制电源控制部分11，使整个系统开始工作，从而达到控制系统是进入空闲状态还是工作状态的目的。

结合图2，是应用于水下通信系统的值班电路的具体实施电路，其模拟调理部分采用电路的结构是：放大4电路运用的是反相放大，带通滤波5电路应用多反馈带通滤波等形式。这两部分都是使用集成运放芯片OPA348实现，主要实现模拟信号的调理。放大电路4的输出与带通滤波5的输入相连，带通滤波5的输出直接与MSP430单片机1的模拟通道相连。图中MSP430单片机为主控芯片，MSP430单片机1运用目前最新的F5438型号，其功耗更低，主频更高，其模拟通道接收信号，与带通滤波5的输出相连，其通用I/O与电源控制11中三极管9013相连，电源控制11运用三极管连接继电器的形式。同时，电路外扩的串行通信电路9与MSP430单片机1的URAT接口直接相连，电平转换的芯片采用常用的SP3320，这样值班电路能与其它的系统能对接上，以此可以实现电路之间的串口通信。整个系统中，电源是采用单电源的供电形式，其中的二分之一电源直接采用电源分压的。电源2转换选用TI的TPS系列的线性电源转换芯片TPS75833，其电源的输出与各个芯片的电源管脚相连。

结合图3，值班电路板是以TI的低功耗芯片MSP430单片机1为主控制器，其片内外设有A/D、定时器、FLASH、RAM等，方便应用。其外围电路包括：编程接口8对应连到JTAG接口上，通过430仿真器连到PC机，可以很方便的在线软件调试。时钟电路7结合内部振荡电路，产生不同的时钟信号，供MSP430单片机1内核及片内外设使用，复位10电路为MSP430单片机1提供复位信号，以使系统重新复位。用于串行通信9的RS232接口，方便与主处理器或上位机进行相互之间通信，控制系统的状态。

结合图4，是值班电路板MSP430单片机1的软件部分，是主程序流程框图。软件部分主要包括硬件部分的初始化配置、系统的总中断的开启、模数转换的启动、标志位的等待、数字信号的处理、信号的判决、系统的控制等，其中的模数转换、数字信号的处理都调用了相应的子程序。整个程序的思想是实时的处理采样得到的数据，即在一个采样间隔内完成一次信号的运算处理，经运算量的估算，可以实现。

结合图5，所述是MSP430单片机1内部模数转换的子程序，采样率的大小通过定时器来控制，这也方便调整。当采集到一个数值时，通过标志位通知主程序，就可以进行信号的处理，数据的缓冲设置在RAM内。

结合图6，所述是数据处理算法的子程序，供主程序的数据处理部分调用。数据处理的过程包括：数据的定点数定标、带通滤波、平方加α滤波、比较判决、返回主程序等，这些是程序运算量的体现地方，都要求的在采样间隔内完成，因此算法的精简、优化也是考虑的部分。

结合本发明设计并实现了一块完整的用于水下转发器、水下定位系统及水声通信网等的值班电路，其中主控由低功耗芯片MSP430完成，外加前端模拟的调理部分，以及电源控制部分实现预期功能。

Claims (5)

1.一种应用于水下通信系统的值班电路，它包括MSP430单片机[1]，电源[2]、电源滤波[3]、反相放大[4]、带通滤波[5]、偏置电路[6]、串行通信电路[9]、复位[10]、电源控制[11]、发光二极管[12]；其特征是：电源[2]转换输出端与电源滤波[3]相连，电源滤波[3]的电压输出端与反相放大[4]、带通滤波[5]、偏置电路[6]、编程接口[8]、通信接口[9]、电源控制[11]相连；MSP430单片机[1]的UART接口与串行通信电路[9]互联，MSP430单片机[1]的通用I/O与电源控制[11]相连，发光二极管[12]与电源控制[11]相连，反相放大[4]电路与带通滤波[5]电路直接连接，带通滤波[5]电路再与偏置电路[6]相连，偏置电路[6]与MSP430单片机[1]的模拟通道1相连。

2.根据权利要求1所述的应用于水下通信系统的值班电路，其特征是：MSP430单片机[1]的外部包括：时钟电路[7]、编程接口[8]和复位[10]，时钟电路[7]输出端与MSP430单片机[1]的时钟信号输入端相接，编程接口[8]与MSP430单片机[1]的JTAG接口互联，复位[10]输出直接与MSP430单片机的复位引脚相连。

3.一种基于应用于水下通信系统的值班电路的处理方法，其特征是包括如下步骤：

(1)对MSP430单片机[1]中用到的各硬件资源的相关寄存器进行相应的初始化设置；

(2)对运算中用到的自定义的变量进行初始化设置；

(3)在进入主程序之前关闭看门狗；

(4)开启系统的总中断；

(5)等待A/D采样状态标志位的变化，从而判断是否进入相应的数据处理子程序；

(6)根据处理子程序的结果，做出相应的状态控制。

4.根据权利要求3所述的基于应用于水下通信系统的值班电路的处理方法，其特征是所述采样包括如下步骤：

(1)MSP430单片机内部的定时器的中断到来；

(2)停止A/D的转换；

(3)把采样得到的数据读出来，传给中间变量；

(4)设置采样标志位，通知主程序可以做一次数据处理；

(5)再开启A/D的转换，继续下一次的采样。

5.根据权利要求4所述的基于应用于水下通信系统的值班电路的处理方法，其特征是所述数据处理子程序包括如下步骤：

(1)把采样得到的数据传递到中间变量，并进行相应的数据定点数定标；

(2)再把此数据做数字信号处理上的带通滤波，进一步滤除带外噪声；

(3)取其平方值，并分成两路；

(4)针对不同的参数取值，分别做两路α滤波；

(5)两路的结果值比较，计相应的脉冲宽度；

(6)判决是否为发送的脉冲信号。

Images