CN103150885B - 一种水声遥控方法及值更解码电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种水声遥控方法及值更解码电路，该水声遥控方法包括：遥控方发送水声遥控调频信号，该水声遥控调频信号由多个单频信号采用设定的排列顺序组合而成；水下接收方接收所述水声遥控调频信号，检测该水声遥控调频信号中包含的各单频信号大小和排列组合顺序，并与预先设定的条件相比对，信号大小和排列组合顺序均满足条件则输出值更动作信号指令，且水声遥控调频信号由9000Hz、12000Hz、和15000Hz三个频段的单频信号组成；基于所述遥控方法的解码电路包括阻抗变换与保护电路、分频网络、比较器电路和单片机电路，外围设备为换能器；本发明能够实现水声遥控唤醒功能，对于这类频率调制编码信号设计的解码电路规模不会很大，电路复杂度也不高。

Description

一种水声遥控方法及值更解码电路

技术领域

本发明涉及一种水声遥控方法，以及一种用于接收、处理水声遥控信号的水声遥控值更解码电路，属于水声通信技术领域。

背景技术

水声遥控是利用声波对水下设备进行控制的一种技术，而通常情况下，大部分水下设备都是自持式设备，依赖自身携带的电池组提供工作能源，很难支持规模较大、电路复杂的遥控信号解码电路。而在某些应用条件下，并不需要实现复杂的控制功能，只要完成简单的唤醒指令即可，例如海洋工程领域常用的水声应答器，都可以归为这一类。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种水声遥控方法，采用适用于水下声波传输的频率调制编码作为水声遥控信号，实现水声遥控唤醒功能，对于这类频率调制编码信号设计的解码电路规模不会很大，电路复杂度不高。

本发明还提供了一种水声遥控值更解码电路，用于解码上述频率调制编码，其解码电路规模不会很大，电路复杂度不高。

一种水声遥控方法，包括：

遥控方发送水声遥控调频信号，该水声遥控调频信号由多个单频信号采用设定的排列顺序组合而成；

水下接收方接收所述水声遥控调频信号，检测该水声遥控调频信号中包含的各单频信号大小和排列组合顺序，并与预先设定的条件相比对，信号大小和排列组合顺序均满足条件则输出值更动作信号指令。

所述水声遥控调频信号由9000Hz、12000Hz、和15000Hz三个频段的单频信号组成。

一种水声遥控值更解码电路，该解码电路包括阻抗变换与保护电路、分频网络、比较器电路和单片机电路，外围设备为换能器；

阻抗变换与保护电路对接收到由换能器转换后的水声遥控调频信号进行阻抗变换与限幅处理并且进行初步放大；经过放大后的水声遥控调频信号进入分频网络，分频网络采用多通道窄带模拟滤波器构成，将水声遥控调频信号中的各个频率分量按照接收到的先后顺序分离出来，得到多通道的单频信号；然后进入比较器电路，转变为可被单片机识别的离散信号；离散信号按照之前的排列组合顺序分别输入至单片机电路，单片机电路将排列组合顺序信息与预先设定的条件相比对，满足相同顺序就输出值更动作信号指令。

所述的阻抗变换与保护电路运算放大器U1、发光二极管V1、V2、电阻R1、R2、R5和电容C2、C3、C5；

电容C5的一端接在换能器的输出端，另一端接在运算放大器U1的正输入端，发光二极管V1和V2反相并联，且两者的一端接在运算放大器U1的正输入端，另一端接地，电阻R10的一端接在运算放大器U1的正输入端，另一端接地；电阻R1的一端接地，另一端串联电容C2后接在运算放大器U1的负输入端，电阻R5的一端接在电阻R1和电容C2之间，另一端接在运算放大器U1的负输入端，电阻R2的一端接在电阻R1和电阻R5之间，另一端接在运算放大器U1的输出端，电容C3接在运算放大器U1的输出端。

所述的分频网络包括三个分频网络通道电路分别用于检测9000Hz、12000Hz和15000Hz三个频段的信号，每个分频网络通道电路均包括运算放大器U5A、U5B、电阻R38、R39、R40、R41、R42、R43、R44、R45、电容C22、C23、C24、C25、C26、C27；

电阻R40的一端连接阻抗变换与保护电路的输出端，另一端串联电容C24接在运算放大器U5A的负输入端，电阻R42的一端接在电容C24和电阻R40之间，另一端接地，电阻R44的一端接在运算放大器U5A的正输入端，另一端接地，电容C22的一端接在电阻R40和电容C24之间，另一端接在运算放大器U5A的输出端，电阻R38的一端接在运算放大器U5A的负输入端，另一端接在运算放大器U5A的输出端；电容C25的一端接在运算放大器U5A的输出端，另一端串联电阻R41、电容C26后接在运算放大器U5B的负输入端，电阻R43的一端接在电阻R41和电容C26之间，另一端接地，电容C23的一端也接在电阻R41和电容C26之间，另一端接在运算放大器U5B的输出端，电阻R39的一端接在运算放大器U5B的负输入端，另一端接在运算放大器U5B的输出端，电容C27接在运算放大器U5B的输出端。

所述的比较器电路包括高速比较器N10、上拉电阻R20、R21、R22，电阻R20、R21、R22分别接入高速比较器N10的三个输出端，高速比较器N10的三个输出端ZG滤波输出1、ZG滤波输出2和ZG滤波输出3分别连接分频网络的三个通道电路的输出端。

有益效果：

（1）本发明采用频率调制编码作为水声遥控信号，频率信号适用于水下声波传输，采用多频点信号按照特定顺序组合的方式，水下接收方必须判定水声遥控调频信号中包含的各单频信号大小和排列组合顺序都满足要求，才输出值更动作信号指令，能够避免绝大多数水下干扰导致的误判。

（2）本发明的调频信号由9000Hz、12000Hz、和15000Hz三个频段的单频信号组成，这样组成的水声遥控调频信号即能够在水下稳定传播，减少干扰，而且可以采用较少的频率识别电路完成对此水声遥控调频信号的分频。

（3）本发明采用多通道窄带模拟滤波器构成分频网络，采用比较器将多通道单频信号极性化，在得到水声遥控信号中的排列组合信息的同时抑制环境噪声干扰的影响，单片机对接收到的信号进行比较判断，满足预先设置的排列组合顺序条件的情况下，输出值更动作信号，唤醒整个水下系统控制来上电工作，即易于实现并能够减小系统规模、降低硬件成本；而且该解码电路主要由模拟滤波器、比较器、单片机等低功耗电路结构组成，使得全系统的功耗得到控制。

附图说明

图1为本发明水声遥控值更解码电路的结构框图。

图2为本发明阻抗变换与保护电路的电路图。

图3为本发明分频网络通道的电路图。

图4为本发明比较器电路的电路图。

图5为本发明单片机电路的结构图。

图6为本发明单片机电路的原理图。

具体实施方式

本发明提供了一种水声遥控方法，其基本思想是：遥控方发送水声遥控调频信号，该水声遥控调频信号由多个单频信号采用设定的排列顺序组合而成；水下接收方接收所述水声遥控调频信号，检测该水声遥控调频信号中包含的各单频信号大小和排列组合顺序，并与预先设定的条件相比对，信号大小和排列组合顺序均满足条件则输出值更动作信号指令。

通过对水下信号较佳传播频率的研究可以设计水声遥控调频信号由9000Hz、12000Hz、和15000Hz三个频段的单频信号组成。这样组成的水声遥控调频信号即能够在水下稳定传播，减少干扰，而且可以采用较少的频率识别电路完成对此水声遥控调频信号的分频。

下面结合附图并举实施例，对本发明实现上述方案的水下接收方值更解码电路进行详细描述。

如附图1所示，本发明水声遥控值更解码电路包括：阻抗变换与保护电路、分频网络、比较器电路和单片机电路，外围设备为换能器；其采用多通道窄带模拟滤波器构成分频网络，分频网络将遥控调频信号中的各个频率分量按照接收到的先后顺序分离出来，得到多通道的单频信号；比较器电路将分频网络输出的多通道单频信号进行极性化处理，形成可供单片机I/O端口识别的极化信号；单片机通过极化信号的先后顺序得到遥控信号各个频率分量的排列组合信息，当这个排列组合规律满足事先设定的要求时，输出判断结果完成解码过程。

如附图2所示，阻抗变换与保护电路具有输入保护、阻抗匹配和调整声换能器输出灵敏度等功能，包括运算放大器U1、发光二极管V1、V2、电阻R1、R2、R5和电容C2、C3、C5，运算放大器U1采用AD820；

电容C5的一端接在换能器的输出端，另一端接在运算放大器U1的正输入端，发光二极管V1和V2反相并联，且两者的一端接在运算放大器U1的正输入端，另一端接地，电阻R10的一端接在运算放大器U1的正输入端，另一端接地；电阻R1的一端接地，另一端串联电容C2后接在运算放大器U1的负输入端，电阻R5的一端接在电阻R1和电容C2之间，另一端接在运算放大器U1的负输入端，电阻R2的一端接在电阻R1和电阻R5之间，另一端接在运算放大器U1的输出端；电容C3也接在运算放大器U1的输出端；

其中，电容C3、C5起到隔离直流信号的作用；发光二极管V1和V2反相并联当过大幅度信号输入时，发光二极管V1和V2导通，将大幅度信号进行限幅，对后级的运算放大器U1起到保护作用；电阻R5、电阻R10、电容C2实现阻抗变换的功能，将电路的输入阻抗固定在1兆欧姆。

放大倍数由限流电阻R1、反馈电阻R2与运算放大器U1的开环增益倍数决定，电阻R1为1k，电阻R2为10k；在放大倍数远小于运算放大器U1开环增益倍数时，放大倍数为

如附图3所示，分频网络每一通道的滤波器为两级级连的多路负反馈型二阶滤波器，两级滤波器的参数相同，通过两级级连后，系统具有更窄的通带带宽与更快的带外衰减速度，且分频网络中的三通道滤波器，各个通道只允许调频遥控信号中某一频率的信号通过，例如分频网络通道2，只允许频率为12000Hz的信号通过，而将9000Hz与15000Hz的信号滤除掉。同样的，分频网络通道1只允许频率为9000Hz的信号通过；分频网络通道3只允许15000Hz的信号通过。那么，当调频遥控信号进入分频网络中时，由于其中各个频率分量的信号存在时间上的先后顺序，经过分频网络的选择后，在各个通道上以相应的顺序输出，这就得到了调频遥控信号中时间排列信息。

每个分频网络通道电路均包括运算放大器U5A、U5B、电阻R38、R39、R40、R41、R42、R43、R44、R45、电容C22、C23、C24、C25、C26、C27；运算放大器U5A和运算放大器U5B均采用TLC2262；

电阻R40的一端连接阻抗变换与保护电路的电容C3，另一端串联电容C24接在运算放大器U5A的负输入端，电阻R42的一端接在电容C24和电阻R40之间，另一端接地，电阻R44的一端接在运算放大器U5A的正输入端，另一端接地，电容C22的一端接在电阻R40和电容C24之间，另一端接在运算放大器U5A的输出端，电阻R38的一端接在运算放大器U5A的负输入端，另一端接在运算放大器U5A的输出端；

电容C25的一端接在运算放大器U5A的输出端，另一端串联电阻R41、电容C26后接在运算放大器U5B的负输入端，电阻R43的一端接在电阻R41和电容C26之间，另一端接地，电容C23的一端也接在电阻R41和电容C26之间，另一端接在运算放大器U5B的输出端，电阻R39的一端接在运算放大器U5B的负输入端，另一端接在运算放大器U5B的输出端，电容C27接在运算放大器U5B的输出端。

如附图4所示，比较器电路完成信号与固定电压比较的功能，将换能器输出的连续信号变成后级单片机可识别的极性化信号；它包括高速比较器N10、上拉电阻R20、R21、R22，高速比较器N10采用TLC139；

电阻R20、R21、R22分别接入高速比较器N10的三个输出端，作为上拉电阻，起到提高芯片TLC139驱动能力的作用，高速比较器N10的三个输出端ZG滤波输出1、ZG滤波输出2和ZG滤波输出3分别连接分频网络的三个通道电路的输出端即电容C27；

当前级分频网络输出的信号进入高速比较器TLC139的第5、第7、第9管腿时，并与第4、第6、第8管腿的电平进行比较，得到极性化信号，此极性化信号才能够为单片机电路认知。

如附图5和附图6所示，单片机电路主要完成数字信号处理功能，它对比较器极性化处理后的信号读取、运算和综合判断，它包括MSP430F1611单片机芯片、晶体振荡电路（8MHz、32kHz晶振）XT1、XT2、看门狗电路芯片TPS3823-33、485通讯电路芯片MAX3471和二极管D4；看门狗电路芯片TPS7823-33控制单片机MSP430F1611的复位，485通讯电路芯片MAX3471控制单片机MSP430F1611的外部通信；晶体振荡电路（8MHz、32kHz晶振）控制单片机MSP430F1611的时钟主频；二极管D4起到单向导通控制电平信号的作用。

485通讯电路的通讯控制端口1（管脚1）串联二极管D4后接在单片机的串行通讯输入端口（管脚35），485通讯电路的串口接收端口（管脚2）接在单片机的串行通讯控制端口（管脚37），485通讯电路的串口发送端口（管脚3）接在单片机的串行通讯控制端口（管脚36），485通讯电路的通讯控制端口2（管脚4）接在单片机的串行通讯输出端口（管脚34）；

看门狗电路的复位控制端口（管脚1）接在单片机的编程及在线调试端口（管脚58），看门狗电路的复位输出端口（管脚4）接在单片机的复位输出端口（管脚49）；

晶体振荡电路XT1为8MHz晶振，其输入端口接在单片机的8MHz晶振输入端口上，输出端口接在单片机的8MHz晶振输出端口上，电容C1的一端和电容C3的一端分别接在晶体振荡电路XT1的输入端口和输出端口上，两者的另一端相连，电容C1、C3起到频率补偿作用。

遥控信号经过前级电路处理为极性化信号后，分为9000Hz\12000Hz\15000Hz三个频段的极性化信号，而且按照相应的排列顺序分别由MSP430F1611的端口P5.0\P5.1\P5.2等三个端口输入，单片机电路将接收的三个频段信号的前后排列关系与预先设定的条件相比对，若排列组合顺序满足要求，就判断为唤醒信号，P4.6端口就输出值更动作信号。

工作原理：水声遥控信号为调频信号，自身包含9000Hz\12000Hz\15000Hz三个频段的信号，并且满足一定的排列顺序。水声遥控信号通过图1的阻抗匹配与保护电路后，进行了阻抗变换与限幅处理，并且被初步放大了11倍；再进入图2分频网络的三个窄带滤波器通道，窄带滤波器将遥控信号分为9000Hz\12000Hz\15000Hz三个频段的信号，在相对应的不同通道输出端输出，由于水声遥控信号是调频信号，信号中的各个频率分量按照一定的排列组合顺序排列，进入分频网络后，遥控信号的排列组合信息就在不同的通道输出端体现了出来；然后进入比较器电路，转变为极性化信号，即由连续信号转变为可被单片机识别的离散信号，由于比较器电路是模拟比较器，属于同步比较器，因此转变为极性化信号后不会改变调频信号的排列组合信息；极性化信号分别由MSP430F1611的端口P5.0\P5.1\P5.2等三个端口输入，而各个频率分量的排列组合顺序信息是被一直保留的。单片机电路将此列组合顺序信息与预先设定的条件相比对，满足相同顺序就输出值更动作信号指令。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种水声遥控值更解码电路，其特征在于，该解码电路包括阻抗变换与保护电路、分频网络、比较器电路和单片机电路，外围设备为换能器；

阻抗变换与保护电路对接收到由换能器转换后的水声遥控调频信号进行阻抗变换与限幅处理并且进行初步放大；经过放大后的水声遥控调频信号进入分频网络，分频网络采用多通道窄带模拟滤波器构成，将水声遥控调频信号中的各个频率分量按照接收到的先后顺序分离出来，得到多通道的单频信号；然后进入比较器电路，转变为可被单片机识别的离散信号；离散信号按照之前的排列组合顺序分别输入至单片机电路，单片机电路将排列组合顺序信息与预先设定的条件相比对，满足相同顺序就输出值更动作信号指令；

所述的阻抗变换与保护电路包括运算放大器U1，发光二极管V1、V2，电阻R1、R2、R5、R10和电容C2、C3、C5；

电容C5的一端接在换能器的输出端，另一端接在运算放大器U1的正输入端，发光二极管V1和V2反相并联，且两者的一端接在运算放大器U1的正输入端，另一端接地，电阻R10的一端接在运算放大器U1的正输入端，另一端接地；电阻R1的一端接地，另一端串联电容C2后接在运算放大器U1的负输入端，电阻R5的一端接在电阻R1和电容C2之间，另一端接在运算放大器U1的负输入端，电阻R2的一端接在电阻R1和电阻R5之间，另一端接在运算放大器U1的输出端，电容C3接在运算放大器U1的输出端；

所述的分频网络包括三个分频网络通道电路分别用于检测9000Hz、12000Hz和15000Hz三个频段的信号，每个分频网络通道电路均包括运算放大器U5A、U5B，电阻R38、R39、R40、R41、R42、R43、R44、R45和电容C22、C23、C24、C25、C26、C27；

电阻R40的一端连接阻抗变换与保护电路的输出端，另一端串联电容C24后接在运算放大器U5A的负输入端，电阻R42的一端接在电容C24和电阻R40之间，另一端接地，电阻R44的一端接在运算放大器U5A的正输入端，另一端接地，电容C22的一端接在电阻R40和电容C24之间，另一端接在运算放大器U5A的输出端，电阻R38的一端接在运算放大器U5A的负输入端，另一端接在运算放大器U5A的输出端；电容C25的一端接在运算放大器U5A的输出端，另一端串联电阻R41、电容C26后接在运算放大器U5B的负输入端，电阻R43的一端接在电阻R41和电容C26之间，另一端接地，电容C23的一端也接在电阻R41和电容C26之间，另一端接在运算放大器U5B的输出端，电阻R39的一端接在运算放大器U5B的负输入端，另一端接在运算放大器U5B的输出端，电容C27接在运算放大器U5B的输出端，电阻R45的一端接在运算放大器U5B的正输入端，另一端接地；

所述的比较器电路包括高速比较器N10和上拉电阻R20、R21、R22，电阻R20、R21、R22分别接入高速比较器N10的三个输出端，高速比较器N10的三个输入端ZG滤波输出1、ZG滤波输出2和ZG滤波输出3分别连接分频网络的三个通道电路的输出端。