CN104459706A - 回声测深仪 - Google Patents

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何飞龙
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李建平
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Abstract

本发明涉及一种回声测深仪，所述的测深仪包括上位机、测深仪主板、电源分配模块、显示器以及换能器，所述的上位机分别与所述的测深仪主板、电源分配模块以及显示器相连接，所述的电源分配模块分别与所述的测深仪主板以及显示器相连接，所述的换能器与所述的测深仪主板相连接，所述的测深仪主板包括MCU控制器、发射驱动器、发射功率放大器、升压单元、阻抗匹配单元以及接收功率放大器；所述的接收功率放大器包括前级放大器、增益控制放大器、带通滤波器、后级放大器以及包络检波器。采用该种结构的回声测深仪，简化了回声测深仪电路，使得测深仪在结构上实现小型化，减少了测深仪的重量，使得测深仪便携且固定方便，应用范围较为广泛。

Description

回声测深仪
技术领域
本发明涉及电子技术领域，尤其涉及电子设备，具体是指一种回声测深仪。
背景技术
随着处理器的快速发展，回声测深仪的电路越来越少，越来越简单，传统的回声测深仪价格昂贵，重量大，而且可靠性和精度都很差。
发明内容
本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种能够简化回声测深仪的电路结构、使得整个回声测深仪小型化、减少回声测深仪的重量的回声测深仪。
为了实现上述目的，本发明的回声测深仪具有如下构成：
该回声测深仪，其主要特点是，所述的测深仪包括上位机、测深仪主板、电源分配模块、显示器以及换能器，所述的上位机分别与所述的测深仪主板、电源分配模块以及显示器相连接，所述的电源分配模块分别与所述的测深仪主板以及显示器相连接，所述的换能器与所述的测深仪主板相连接。
进一步地，所述的测深仪主板包括MCU控制器、发射驱动器、发射功率放大器、升压单元、阻抗匹配单元以及接收功率放大器；所述的MCU控制器分别与所述的发射驱动器、升压单元以及接收功率放大器相连接，所述的MCU控制器还与所述的上位机相连接，所述的发射驱动器与所述的发射功率放大器相连接，所述的发射功率放大器分别与所述的升压单元、阻抗匹配单元相连接；所述的接收功率放大器与所述的阻抗匹配单元相连接，所述的阻抗匹配单元与所述的换能器相连接。
更进一步地，所述的接收功率放大器包括前级放大器、增益控制放大器、带通滤波器、后级放大器以及包络检波器；所述的前级放大器与所述的阻抗匹配单元相连接，所述的增益控制放大器分别与所述的前级放大器以及MCU控制器相连接；所述的带通滤波器与所述的增益控制放大器相连接，所述的后级放大器与所述的带通滤波器相连接，所述的包络检波器分别与所述的后级放大器以及MCU控制器的AD子单元相连接。
再进一步地，所述的测深仪主板还包括自检单元，所述的自检单元分别与所述的MCU控制器、发射功率放大器、前级放大器以及阻抗匹配单元相连接。
更进一步地，所述的MCU控制器通过串口通信与上位机相连接。
进一步地，所述的上位机包括数个USB接口以及数个串口。
进一步地，所述的显示器为触摸屏。
采用了该发明中的回声测深仪，简化了回声测深仪电路，使得测深仪在结构上实现小型化，减少了测深仪的重量，使得测深仪便携且固定方便，应用范围较为广泛。
附图说明
图1为本发明的回声测深仪的结构示意图。
图2为本发明中的测深仪主板的结构示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。
本发明的回声测深仪为了减弱近程混响，解决最小测深和最大测深的矛盾，对应不同量程采用不同的发射功率和发射脉宽。发射功率和发射脉宽由MCU控制器控制，对应不同的量程，MCU控制器输出功率控制指令使升压单元能产生多种发射电压供给发射功率放大器。
请参阅图1与图2所示，为本发明的回声测深仪的结构示意图，其中所述的测深仪包括上位机、测深仪主板、电源分配模块、显示器以及换能器，所述的上位机分别与所述的测深仪主板、电源分配模块以及显示器相连接，所述的电源分配模块分别与所述的测深仪主板以及显示器相连接，所述的换能器与所述的测深仪主板相连接。所述的测深仪主板包括MCU控制器、发射驱动器、发射功率放大器、升压单元、阻抗匹配单元以及接收功率放大器；所述的MCU控制器分别与所述的发射驱动器、升压单元以及接收功率放大器相连接，所述的MCU控制器还与所述的上位机相连接，所述的发射驱动器与所述的发射功率放大器相连接，所述的发射功率放大器分别与所述的升压单元、阻抗匹配单元相连接；所述的接收功率放大器与所述的阻抗匹配单元相连接，所述的阻抗匹配单元与所述的换能器相连接。
另外，本发明的测深仪主板中采用时间增益控制(TGC)和自动增益控制(AGC)综合控制技术，并采用多种抗干扰措施对信号进行幅度、宽度判决、时间相关处理，提高回声测深仪的抗干扰能力。回声测深仪接收功率放大器由前置放大器、增益控制放大器、带通滤波器、后级放大器和包络检波器组成。所述的前级放大器与所述的阻抗匹配单元相连接，所述的增益控制放大器分别与所述的前级放大器以及MCU控制器相连接；所述的带通滤波器与所述的增益控制放大器相连接，所述的后级放大器与所述的带通滤波器相连接，所述的包络检波器分别与所述的后级放大器以及MCU控制器的AD子单元相连接。回声信号经接收功率放大器后，MCU控制器对检出的包络信号进行采样，经过数字化处理形成原始水深数据，所述的MCU控制器通过串口通信与上位机相连接，这些数据经过压缩后通过串口通信发给上位机，上位机解压并根据这些数据计算出当前水的深度，并通显示器显示出来。
回声强度不但与传播损失、吸收损失有关还与海底反射损失等多种因素有关，因此完全通过TGC曲线完美地控制增益是不可能的，还必须通过判断接收到的信号大小来进行自动增益控制(AGC)，使得接收到的信号幅度在合理的范围内。
本发明的回声测深仪为了提高回声测深仪对自身电路的检验，所述的测深仪主板还包括自检单元，所述的自检单元分别与所述的MCU控制器、发射功率放大器、前级放大器以及阻抗匹配单元相连接，方便电路进行自检，这对测深仪的故障定位提供了保障。
请再参阅图1所示，本发明的回声测深仪的第一具体实施例中，所述的回声测深仪包括电源分配模块、测深仪主板、上位机(其中安装有上位机软件)、显示器以及换能器。
其中，测深仪在外部电源输入后，电源分配模块转换输出+5V、-5V、+12V三路电压，分别为测深仪主板(+5V、+12V)、上位机(+5V)、显示器(+12V)供电。
上位加电后启动，上位机通过串口向测深仪主板发送启动和开始发射命令，同时进入上位机程序界面，准备接收来至测深仪主板的数据，根据测深仪主板发送的水深数据进行处理和判定，进而通知测深仪主板是提高发射功率还是增加发射时长，最重要的是排除干扰，计算出真实的水深；所述的上位机包括数个USB接口以及数个串口，所述的上位机丰富的外部接口为回声测深仪与其他产品的协同工作提供了可能。
测深仪主板接到上位机发来的启动命令后启动测深仪主板，开启的前期主要初始化各个模块以及单元，并对声波的传播延时进行修正，从而提高设备的精度；初始化成功后等待开始发射命令，发射命令来到后测深仪主板将产生的超声波进行功率放大后向换能器输出，发射脉宽和功率都有上位机控制。
换能器是负责将传输过来的超声波向水底发射，并接收发射回来的回波信号。
所述的显示器为触摸屏，所述的显示器模拟水底形状，并显示水深数据。
所述的测深仪主板包括MCU控制器、接收功率放大器、发射驱动器、发射功率放大器、升压单元、阻抗匹配单元和自检单元。
所述MCU控制器控制使得发射驱动器连续发出超声波信号，而升压单元会根据水的深度发出不同的电压等级，深度越大，电压等级越高。发射功率放大器则负责将超声波信号和电压等级发出相应发射功率，这些高功率的超声波信号经过阻抗匹配单元阻抗匹配后能将最大的能量传输给换能器，实现了发射的功能。
信号发射后，换能器也连续不断的接收回波信号，并进行判决，当采样到的信号大于增益判决上限值时，所述的接收功率放大器的增益变小，当采样到的信号小于增益判决下限值时，所述的接收功率放大器的增益变大，当采样到的信号在上下限之间，则所述的接收功率放大器的增益不变，这样就实现了增益自动控制。
回波信号有很多的干扰信号，带通滤波器就是能滤除这些杂波信号，留下有用的信号后进行最后一级的放大并通过检波器后送给AD子单元采集。AD子单元采集到的信号包含着深度信息，这些信息通过通信串口向外发送，送给外部上位机进行解算。
自检单元通过MCU控制器控制发出模拟的超声波信号，输出给回声测深仪发射功率放大器和接收功率放大器，发射功率放大器能正常工作时，会有信号返回给自检单元，从而MCU控制器判定所述的发射功率放大器工作正常；而接收放功率大器部分则让信号通过前级放大器、增益控制放大器、带通滤波器、后级放大器和包络检波器再由AD子单元采集，这样的模拟回波信号一个轮回就能检测出接收功率放大器的电路状况。
采用了该发明中的回声测深仪，简化了回声测深仪电路，使得测深仪在结构上实现小型化，减少了测深仪的重量，使得测深仪便携且固定方便，应用范围较为广泛。
上述实施例为本专利较佳的实施例，并非用来限制本发明的实施范围，本领域的技术人员在未脱离本发明原理的前提下，所作的改进、变化、组合、替代等，均属于本发明权利要求所要求保护的范围之内。
在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (7)

1.一种回声测深仪，其特征在于，所述的测深仪包括上位机、测深仪主板、电源分配模块、显示器以及换能器，所述的上位机分别与所述的测深仪主板、电源分配模块以及显示器相连接，所述的电源分配模块分别与所述的测深仪主板以及显示器相连接，所述的换能器与所述的测深仪主板相连接。
2.根据权利要求1所述的回声测深仪，其特征在于，所述的测深仪主板包括MCU控制器、发射驱动器、发射功率放大器、升压单元、阻抗匹配单元以及接收功率放大器；所述的MCU控制器分别与所述的发射驱动器、升压单元以及接收功率放大器相连接，所述的MCU控制器还与所述的上位机相连接，所述的发射驱动器与所述的发射功率放大器相连接，所述的发射功率放大器分别与所述的升压单元、阻抗匹配单元相连接；所述的接收功率放大器与所述的阻抗匹配单元相连接，所述的阻抗匹配单元与所述的换能器相连接。
3.根据权利要求2所述的回声测深仪，其特征在于，所述的接收功率放大器包括前级放大器、增益控制放大器、带通滤波器、后级放大器以及包络检波器；所述的前级放大器与所述的阻抗匹配单元相连接，所述的增益控制放大器分别与所述的前级放大器以及MCU控制器相连接；所述的带通滤波器与所述的增益控制放大器相连接，所述的后级放大器与所述的带通滤波器相连接，所述的包络检波器分别与所述的后级放大器以及MCU控制器的AD子单元相连接。
4.根据权利要求3所述的回声测深仪，其特征在于，所述的测深仪主板还包括自检单元，所述的自检单元分别与所述的MCU控制器、发射功率放大器、前级放大器以及阻抗匹配单元相连接。
5.根据权利要求2所述的回声测深仪，其特征在于，所述的MCU控制器通过串口通信与上位机相连接。
6.根据权利要求1所述的回声测深仪，其特征在于，所述的上位机包括数个USB接口以及数个串口。
7.根据权利要求1所述的回声测深仪，其特征在于，所述的显示器为触摸屏。
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