CN102158290A

CN102158290A - 水声数据传输装置

Info

Publication number: CN102158290A
Application number: CN2011100425084A
Authority: CN
Inventors: 殷建军
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date: 2011-02-22
Filing date: 2011-02-22
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2031-02-22
Also published as: CN102158290B

Abstract

本发明涉及一种水声数据传输装置，用于水声数据发送驱动和接收处理。本发明包括箱体、处理器模块、信号发送驱动模块、信号驱动保护模块、信号接收模块；处理器模块包括处理芯片、调试接口、复位芯片、驱动芯片、一号通讯接口、二号通讯接口、一号三极管、复位电路、短路帽；信号发送驱动模块包括可编程逻辑控制器、驱动电路、脉冲变压器、双向反置二极管组、继电器、二号三极管、水声换能器；信号驱动保护模块包括采样电阻、稳压电路、电压跟随器；信号接收模块包括高输入阻抗放大器、带通滤波器、信号放大器。本发明可以减少科研人员出海的次数和时间，可以实时有效的采集到海洋环境参数，对我国制定海洋保护法提供了很有利的依据。

Description

水声数据传输装置

技术领域

本发明涉及一种水声数据传输装置，用于水声数据发送驱动和接收处理。

背景技术

通信是一门古老而又年青的学科。通信在陆地和空中得到了快速、积极的发展，而海洋中的通信正处于起步发展阶段。因此研究水声数据传输对军用和民用领域都具有深远的意义。

由于海洋环境对通信的影响不同于陆地上，海洋信道的干扰很复杂，有其独特的特点。陆地上的很多已经成熟的技术在海洋通信中无法实现。声波是人类迄今为止已知的唯一能在水中远距离传播的能量形式，其他方式在海洋上的传播总是有些束缚的因素，限制了其发展。水声数据的发送利用水声换能器将电能转换成机械能，从而机械振动以声波的形式在水中进行传播，而水声数据的接收利用水听器将机械振动能转换为电能，从而应用于处理器的处理与控制。目前水声通信系统是采用模拟单边带调幅的语音通信机，由于海洋水声环境的复杂多变，通信质量难以保证。而且，这种系统只用在少数的科学考察船上。相比于国外的水声通信技术，我国的水声通信领域起步较晚，发展相对落后。国外已经研制出数字式水声通信系统并且开始着眼于建立水下通信网。而且在军用方面，水声通信技术是国外发达国家对我国实行禁止出口的技术领域之一。虽然国内一些院校单位取得了丰硕的成果，但是我们还需进一步发展水声通信技术，使其在科学考察和民用领域得到广泛的使用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中所存在的上述缺点，而提供一种设计合理、稳定可靠的水声数据传输装置。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：一种水声数据传输装置，包括箱体，其特征在于：在所述的箱体内安装有处理器模块、信号发送驱动模块、信号驱动保护模块、信号接收模块；

处理器模块包括处理芯片、调试接口、复位芯片、驱动芯片、一号通讯接口、二号通讯接口、一号三极管、复位电路、短路帽；

信号发送驱动模块包括可编程逻辑控制器、驱动电路、脉冲变压器、双向反置二极管组、继电器、二号三极管、水声换能器；

信号驱动保护模块包括采样电阻、稳压电路、电压跟随器；

信号接收模块包括高输入阻抗放大器、带通滤波器、信号放大器；

处理芯片分别与调试接口、驱动芯片、短路帽、可编程逻辑控制器、二号三极管、信号放大器连接；短路帽还分别与复位芯片和复位电路连接；一号三极管分别与复位电路和一号通讯接口连接；驱动芯片还分别与一号通讯接口和二号通讯接口连接；

驱动电路分别与可编程逻辑控制器、采样电阻、脉冲变压器连接；反置二极管组分别与脉冲变压器和继电器连接；继电器还与二号三极管、水声换能器、高输入阻抗放大器连接；

电压跟随器分别与可编程逻辑控制器、采样电阻、稳压电路连接；

高输入阻抗放大器、带通滤波器、信号放大器依次连接。

本发明所述的驱动电路为H桥驱动电路，其具有四个桥臂，每个桥臂均具有一个光电耦合器、VMOS管、一号二极管，光电耦合器与VMOS管相连接，而VMOS管与一号二极管相连接。

本发明所述的箱体包括箱体顶盖、箱体底座、水声换能器支座，箱体顶盖与箱体底座固定，水声换能器支座固定在箱体底座上，水声换能器安装在水声换能器支座上。

本发明在所述的箱体顶盖上设置有米字形分布的顶盖加强筋；在所述的箱体底座的内侧壁上设置有米字形分布地的侧壁加强筋，在箱体底座的底面设置有十字形分布的底面加强筋。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：1、设计合理；2、本发明可以接收浅海海底的各个传感器的数据，并将各个传感器的数据通过水声换能器传输给海面上的水听器(水声换能器)。海面上的装置将水听器的信号进行处理、转换，并用铱星或GPRS将信号传输给地面的控制中心，从而实现了将海底传感器信号实时传输给地面控制中心的通信要求。本发明可以减少科研人员出海的次数和时间，尤其是台风高发时间，而且可以实时有效的采集到海洋环境参数，对我国制定海洋保护法提供了很有利的依据。

附图说明

图1是本发明实施例结构电路示意图。

图2是数字和模拟供电系统结构图。

图3是供电系统电路图。

图4是处理芯片和调试接口连接的电路图。

图5是处理芯片、复位芯片、复位电路、短路帽连接的电路图。

图6是一号通讯接口、一号三极管连接的电路图。

图7是处理芯片、驱动芯片、一号通讯接口、二号通讯接口连接的电路图。

图8是处理芯片、可编程逻辑控制器、光电耦合器连接的电路图。

图9是驱动电路与采样电阻连接的电路图。

图10是脉冲变压器、双向反置二极管组、、继电器连接的电路图。

图11是可编程逻辑控制器、光电耦合器、采样电阻、稳压电路、电压跟随器连接的电路图。

图12是处理芯片、双向反置二极管组、继电器、二号三极管、水声换能器连接的电路图。

图13信号接收模块的电路图。

图14是箱体结构示意图。

图15为图14的A-A剖视结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步说明。

实施例：本发明包括处理器模块a、信号发送驱动模块b、信号驱动保护模块c、信号接收模块d和箱体，处理器模块a、信号发送驱动模块b、信号驱动保护模块c、信号接收模块d均安装在箱体中。

如图1所示，处理器模块a：包括处理芯片1、调试接口2、复位芯片3、驱动芯片4、

一号通讯接口5、二号通讯接口6、一号三极管7、复位电路8、短路帽9。处理芯片1采用ARM7芯片，其型号为LPC2138。调试接口2采用JTAG接口。复位芯片3型号为 CAT809。驱动芯片4为RS232驱动芯片，其型号为MAX3232。一号通讯接口5采用DB9接口。二号通讯接口6为三插座通讯接口。

信号发送驱动模块b：包括可编程逻辑控制器10、驱动电路、脉冲变压器14、双向反置二极管组15、继电器16、二号三极管17、水声换能器18。驱动电路为H桥驱动电路，其具有四个桥臂，每个桥臂均具有一个光电耦合器11、VMOS管12、一号二极管13。可编程逻辑控制器10的型号为GAL16V8。光电耦合器11的型号为PC924。VMOS管12的型号为RF540。一号二极管13的型号为FR304。双向反置二极管组15的型号为FR304，其为两个。

信号驱动保护模块c：包括采样电阻19、稳压电路20、电压跟随器21。稳压电路20为2V稳压电路。电压跟随器21的型号为LM393。

信号接收模块d：包括高输入阻抗放大器22、带通滤波器23、信号放大器24。高输入阻抗放大器22 的型号为LF255。带通滤波器23的型号为MAX275。信号放大器24的型号为AD620。

处理芯片1的JTAG调试引脚与调试接口2相连接。处理芯片1的复位引脚通过短路帽9选择与复位芯片3或者与一号三极管7相连接。处理芯片1的第一个串口UART0与驱动芯片4的第一个端口相连接，驱动芯片4的第二个端口与一号通讯接口5相连接。一号通讯接口5与一号三极管7相连接。一号三极管7与复位芯片3的第二号引脚通过短路帽9进行切换。处理芯片1的第二个串口UART1引脚与驱动芯片4的第三个端口相连接。驱动芯片4的第四个接口与二号通讯接口6相连接。处理芯片1的两个I/O口与可编程逻辑控制器10的两个输入口相连接。处理芯片1的一个I/O口与用于控制继电器16的二号三极管17相连接。处理芯片1的一个AD的I/O口与信号放大器24的输出引脚相连接。

驱动电路的每一个桥臂中，光电耦合器11与VMOS管12相连接，而VMOS管12与一号二极管13相连接，这样的光电耦合器11、VMOS管12、一号二极管13构成了驱动电路的一个桥臂。相同的四路光电耦合器11、VMOS管12、一号二极管13就构成了H桥的四个桥臂：一号桥臂H1、二号桥臂H2、三号桥臂H3和四号桥臂H4。一号桥臂H1与二号桥臂H2相连接构成了H桥的一边，三号桥臂H3与四号桥臂H4相连接构成了H桥的另一边，一号桥臂H1与二号桥臂H2相连接的引脚与脉冲变压器14的一个输入端相连接，三号桥臂H3与四号桥臂H4相连接的引脚与脉冲变压器14的另一个输入端相连接。一号桥臂H1与三号桥臂H3相连，二号桥臂H2与四号桥臂H4相连接。脉冲变压器14输出端口与双向反置二极管组15中的两个二极管的正端相连接，同时与双向反置二极管组15的另两个二极管的负端相连接。双向反置二极管组15的一端与继电器16第一个输出端相连接。采样电阻19与二号桥臂H2和四号桥臂H4相连接的引脚进行连接。

电压跟随器21的第一路输入信号的正端与稳压电路20相连接。电压跟随器21的第一路输入信号的负端与采样电阻19相连接。电压跟随器21的第一路输出信号与可编程逻辑控制器10的一个输入端相连接。可编程逻辑控制器10的四路输出信号与四个光电耦合器11的输入信号相连接。

水声换能器18与继电器16的输入端相连接。继电器16的第二路输出端与高输入阻抗放大器22的输入端相连接。高输入阻抗放大器22的输出端与带通滤波器23的第一路输入端相连接。带通滤波器23的第一路输出端与信号放大器24的输入端相连接。信号放大器24的输出端与处理芯片1的一个带AD的I/O口相连接。

处理芯片1首先通过串口接收外部设备的信号，并对接收的信号进行信源编码、信道编码和信号调制，再通过继电器控制其输出。处理芯片1对接收的水声换能器18信号进行信号解调、信道解码和信源译码，并通过继电器控制其接收。

信号发送驱动模块b采用H桥推挽驱动方式。一号桥臂H1与四号桥臂H4构成一对推拉方式，三号桥臂H3和二号桥臂H2构成一对推拉方式，分别用于驱动脉冲变压器14，使脉冲变压器14工作在40KHz的双向脉冲信号方式下。而四个光电耦合器11由可编程逻辑控制器10进行控制，保证控制信号的可靠性。

信号驱动保护模块c的信号驱动保护主要是采样电阻19对VMOS管12的电流信号进行采集，并将此电流信号转化为电压信号。此电压信号与稳压电路20进行比较，通过电压跟随器21和可编程逻辑控制器10对光电耦合器进行通断控制，避免VMOS管12和脉冲变压器14在大电流下工作，对器件产生损害。

信号接收模块d的信号接收主要是对水声换能器18接收的信号进行前置放大、带通滤波和信号放大处理。由于水声换能器18是电压驱动型，所以前置放大采用高输入阻抗放大器22。带通滤波采用带有两组带通滤波功能的芯片MAX275进行滤波，根据中心工作频率点只需要设置带通滤波器23外围的三个电阻即可。信号放大采用高输入阻抗的信号放大器24进行放大，进一步对信号进行放大便于处理器的处理。

本发明还设置了供电系统。

如图2所示，供电系统模拟电压转换模块1a包括+24V转模拟5V电压电路29、模拟5V转模拟-5V电压电路30、模拟5V转模拟3.3V电路31。

数字电压转换模块1b包括保护滤波电路25、+24V转数字12V电压电路26、12V转数字5V电压电路27、5V转数字3.3V电压电路28。

如图3所示，为供电系统电路图。输入到系统的+24V电压经过由四号二极管D4、电解电容C15、电容C16组成的保护滤波电路25后与芯片LM2575-12V以及芯片LM2575-5V相连接。芯片LM2575-12V与电解电容C2、快速恢复二极管D2、电感L2和电解电容C11组成+24V转数字12V电压电路26，其输出经由电容C6、电容C7和磁珠H2组成的滤波电路得到+12V数字电压。+12V电压给光电耦合器11的输出端供电。+24V转数字12V电压电路26的反馈输出端输入到由芯片LM2575-5V、电解电容C3、快速恢复二极管D3、电感L3和电解电容C12组成的12V转数字5V电压电路27，其输出经由电容C8、磁珠H3、电容C9组成的滤波电路输出+5V数字电压。+5V数字电压给光电耦合器11的输入端、可编程逻辑控制器10、电压跟随器21供电。芯片LM2575-5V所在稳压电路的反馈输出端输入到由电容C21、芯片G1117-3.3V、电容C17、磁珠LI1、电容C18组成的5V转数字3.3V电压电路28中，其输出的+3.3V 数字电压为处理芯片1和驱动芯片4供电。芯片LM2575-5V与电解电容C1、快速恢复二极管D1、磁珠L1、电解电容C10组成+24V转模拟5V电压电路29，其输出电压经由电容C4、磁珠H1、电容C5组成的滤波电路输出+5V模拟电压。+5V模拟电压给高输入阻抗放大器22、带通滤波器23和信号放大器24的正电压端供电。芯片LM2575-5V的输出与由负电压转换芯片ICL7660、电解电容C13、电解电容C14组成的模拟5V转模拟-5V电压电路30相连接。-5V模拟电压给高输入阻抗放大器22、带通滤波器23和仪表放大器24的负电压端供电。芯片LM2575-5V同时与由电容C22、3.3V模拟变压芯片G1117-3.3V、电容C19、磁珠LI2、电容C20组成的模拟5V转模拟3.3V电路31相连接，其输出的+3.3V模拟电压给处理芯片1提供模拟电压。

如图4所示，该图即为为处理器模块a的JTAG调试接口电路图。处理芯片1的TRST、TDI、TMS、TDO、TCK、RTCK引脚分别于调试接口2的第3、5、7、13、9、11引脚相连接。调试接口2第4、6、8、10、12、14、16、18、20引脚与地相连接。调试接口2第1、2引脚与3.3V数字电压相连接。TRST、TDI、TMS、TDO四个引脚通过上拉电阻R40、R41、R42、R43与3.3V数字电压相连接。TCK、RTCK两个引脚通过下拉电阻R8、R9与地相连接。

如图5所示，该图即为处理器模块a的复位电路连接图。处理芯片1的/RESET引脚与短路帽9的第二号引脚相连接，短路帽9的第一号引脚与复位芯片3的第二号引脚相连接，第二号引脚通过电阻R7上拉。短路帽9的第三号引脚与复位电路8相连接，复位电路8由电阻R10和电容C28串联组成。

如图6所示，该图即为处理器模块a的三极管驱动电路图。一号通讯接口5的第四号引脚连接一号三极管7的基极，一号三极管7的集电极与复位电路8相连接。一号三极管7的基极和发射极之间连接一个反置二极管D5。

如图7所示，该图即为处理器模块a的通讯模块电路图。处理芯片1的第一个串口引脚RXD0、TXD0与驱动芯片4的R1OUT、T1IN相连接。处理芯片1的第二个串口RXD1、TXD1与驱动芯片4的R2OUT、T2IN相连接。驱动芯片4的T1OUT、R1IN分别与一号通讯接口5的第2、3号引脚相连接。驱动芯片4的T2OUT、R2IN与二号通讯接口6的第1、2引脚相连接。

如图8所示，该图即为信号发送驱动模块的GAL16V8电路图。处理芯片1的P0.28和P0.29引脚与可编程逻辑控制器10输入端的第7、8号引脚相连接。可编程逻辑控制器10输出端的第16、17、18、19号引脚与四个光电耦合器11相连接。

如图9所示，该图即为信号发送驱动模块的H桥驱动电路图。可编程逻辑控制器10的四个输出信号分别与四个光电耦合器11的第2号引脚相连接。光电耦合器11的第1号引脚通过电阻与5V数字电压相连接，第5、8号引脚与12V数字电压相连接，第6号引脚通过电阻与VMOS管12的G引脚相连接。VMOS管12的D、S引脚分别与一号二极管13的负端、正端相连接。这样四个光电耦合器11中的U9、四个VMOS管12中的Q3、四个一号二极管13中的D8组成一号桥臂H1。四个光电耦合器11中的U12、四个VMOS管12中的Q5、四个一号二极管13中的D15组成二号桥臂H2。四个光电耦合器11中的U10、四个VMOS管12中的Q2、四个一号二极管13中的D9组成三号桥臂H3。四个光电耦合器11中的U11、四个VMOS管12中的Q4 、四个一号二极管13中的D14组成四号桥臂H4。VMOS管12中的Q3的S引脚与VMOS管12中的Q5的D引脚相连接，并与脉冲变压器14输入端第一个引脚相连接。VMOS管12中的Q2的S引脚与VMOS管12中的Q4的D引脚相连接，并与脉冲变压器14输入端第二个引脚相连接。VMOS管12中的Q5的S脚与VMOS管12中的Q4的S脚相连接，并与采用电阻19相连接。

如图10所示，该图即为信号发送驱动模块的双向反置二极管组电路图。双向反置二极管组15包括二极管D10、D11、D12、D13。脉冲变压器14的输出端与二极管D10、D11和二极管D12、D13相连接。二极管D10、D11和二极管D12、D13与继电器16第一路输出端相连接。

如图11所示，该图即为信号驱动保护模块的采样保护电路图。2V稳压电路输出端与电压跟随器21第5号脚相连接，采样电阻19输出与电压跟随器21第6号脚相连接。电压跟随器21输出端的第7号引脚与可编程逻辑控制器10的第9号引脚相连接。由电阻R13、滑动电阻R24和2V稳压二极管D16相连接组成2V稳压电路输出。

如图12所示，该图即为发送与接收继电器控制驱动模块图。处理芯片1的P0.11引脚与二号三极管17基极相连接。二号三极管17的集电极与继电器16的线包相连接。继电器16的输入端与水声换能器18相连接。继电器16的第一路输出端与双向反置二极管组15相连接。继电器16的第二路输出端与高输入阻抗放大器22相连接。

如图13所示，该图即为信号接收模块电路图。高输入阻抗放大器22的第2、3输入端与继电器16的第二路输出端相连接。高输入阻抗放大器22的第1、5引脚通过滑动电阻R33调节相位。高输入阻抗放大器22的第2、7引脚通过电阻R29得到放大倍数。高输入阻抗放大器22的第6输出引脚通过电阻R27与带通滤波器23的第8号引脚INA相连接。带通滤波器23的第4号引脚BPOA分别通过电阻R36、R35与第8号引脚INA、第6号引脚LPIA相连接。带通滤波器23的第2号引脚LPOA通过电阻R34与第7号引脚BPIA相连接。带通滤波器23的第4号引脚BPOA与信号放大器24的第2号负端输入引脚相连接。信号放大器24的第1号引脚通过电阻R28与第8号引脚相连接，得到放大倍数。信号放大器24输出的第6号引脚与处理芯片1的P0.5引脚相连接。

如图14所示，为水声数据传输装置箱体结构图。箱体顶盖X1上设置有顶盖加强筋X2，顶盖加强筋X2呈米字形分布，用于提高箱体顶盖X1的抗压能力。箱体顶盖X1外壁的内螺纹与箱体底座X7的外壁的外螺纹相连接，并由密封圈X3进行密封，使得箱体顶盖X1和箱体底座X7固定，构成一个箱体。水声换能器支座X8用于建将水声换能器9固定在箱体底座X7上，水声换能器支座X8通过其内侧螺纹和密封圈X5与水声换能器9侧壁相连接，水声换能器支座X8通过其外侧螺纹和密封圈X6与箱体底座X7侧壁相连接固定。侧壁加强筋X4绕箱体底座X7内侧壁呈米字形分布，用于提高箱体底座X7侧壁抗压能力。底面加强筋X11在箱体底座X7的底面呈十字形分布，用于提高箱体底座X7底部抗压能力。箱体底座X7底部的螺纹孔X10呈十字形分布，用于固定水声换能器的驱动电路板。水声换能器9通过螺纹与活塞X12相连接固定，活塞X12与油缸X13相连接。水声换能器9的信号发送是水声换能器9产生的声波通过油缸X13里面油的振动将信号发送出去，油缸X13里面的油受到外界声波的影响将信号传输给水声换能器9，这种原理为现有技术。垫子X14用于缓冲箱体顶盖加强筋X2和油缸X13之间的振动接触。

工作原理：

信号发送时，处理芯片1通过二号通讯接口6和驱动芯片4接收海底传感器集成电路的数据，并将接收到的数据进行信源编码、信道编码和调制处理。处理芯片1将调制好的数据通过可编程逻辑控制器10驱动H桥驱动电路，从而运用H桥驱动电路推挽驱动脉冲变压器14。脉冲变压器14经过双向反置二极管组15和继电器16驱动水声换能器18将电信号转换成声波信号发射出去。在H桥驱动电路驱动脉冲变压器14时，采样电阻19将驱动电流转换成电压信号与电压跟随器21进行比较，比较信号与处理芯片1信号一起控制可编程逻辑控制器10，在进行信号驱动控制同时又能很好的保护驱动电路。

信号接收时，水声换能器18将接收的声波信号转换成电信号，通过继电器16输入到高输入阻抗放大器22，将前端微弱电信号进行放大。前端放大以后的信号传输给带通滤波器23，进行信号滤波。滤波以后的信号传输给信号放大器24，进一步进行信号放大便于处理芯片1处理。处理芯片1将接收到的信号进行解调处理、信道译码和信源译码处理，将处理后的信号通过铱星或GPRS传输给地面控制中心。

Claims

1.一种水声数据传输装置，包括箱体，其特征在于：在所述的箱体内安装有处理器模块、信号发送驱动模块、信号驱动保护模块、信号接收模块；

信号驱动保护模块包括采样电阻、稳压电路、电压跟随器；

高输入阻抗放大器、带通滤波器、信号放大器依次连接。

2.根据权利要求1所述的水声数据传输装置，其特征在于：所述的驱动电路为H桥驱动电路，其具有四个桥臂，每个桥臂均具有一个光电耦合器、VMOS管、一号二极管，光电耦合器与VMOS管相连接，而VMOS管与一号二极管相连接。

3.根据权利要求1所述的水声数据传输装置，其特征在于：所述的箱体包括箱体顶盖、箱体底座、水声换能器支座，箱体顶盖与箱体底座固定，水声换能器支座固定在箱体底座上，水声换能器安装在水声换能器支座上。

4.根据权利要求3所述的水声数据传输装置，其特征在于：在所述的箱体顶盖上设置有米字形分布的顶盖加强筋；在所述的箱体底座的内侧壁上设置有米字形分布地的侧壁加强筋，在箱体底座的底面设置有十字形分布的底面加强筋。