CN205157779U - 一种超长待机水声应答器系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了<b>一</b>种超长待机水声应答器系统，包括模拟接收预处理模块、单片机值守与控制模块、数字信号处理器模块、发射电路模块、收发合置换能器和电源管理模块；模拟接收预处理模块，对声头发射的信号进行预处理，并将信号发送给用于检测声头发射的第一次唤醒信号，以及控制数字信号处理器模块工作的单片机值守与控制模块，或是发送给用于检测声头发射的第二次唤醒信号，以及对声头发射的定位信号进行解算的数字信号处理器模块；本实用新型搭建了能够实现信号二次唤醒模式的硬件基础，实现实时唤醒的同时，保证系统在发射信号空闲期处于低功耗模式，避免了不必要的功耗输出，大大降低了系统功耗，有效延长了应答系统的待机时间。

Description

一种超长待机水声应答器系统

技术领域

本实用新型属于海洋探测技术领域，涉及一种水声应答器，具体指一种超长待机水声应答器系统。

背景技术

水下定位导航技术是一切海洋开发活动和海洋高技术发展的基本前提，海洋领域的开发和军事需求推动了水下高精度定位技术的发展，超短基线声学定位系统在海洋勘探、海洋开发和军事领域都有广泛的应用。在本公司研发的超短基线水声定位系统中，水声应答器是水声定位系统的关键组成部分，它采用数字信号处理技术完成声呐头数据的处理，并向声呐头发射应答信号实现对水下定位目标的高精度实时定位。在实际使用中，要求应答器具有体积小、作用距离远、宽频带、待机时间长和可靠性高的特点。由于水声应答器通常采用电池供电，一般要求在水下连续工作数月以上，所以水声应答器的超长待机方法设计起着举足轻重的作用。

现有水声应答器的主要缺陷表现在以下几个方面：1)在传统低功耗水声应答器中，使用值班电路为系统值班，一旦值班电路检测到唤醒信号，系统就会启动应答机制开始应答，系统在休眠时，系统的模拟接收预处理和单片机值守与控制模块始终处于工作状态，因为唤醒信号形式具有一定的发射间隔，而在发射信号空闲间隔期间，值班电路一直处于工作耗电状态，这样系统功耗没有达到最低，水声应答器未能达到最长的待机时间；2)在超短基线水声定位系统中，通常需要对多个水声应答器进行管理，每个水声应答器都有自身唯一的ID号，通常需要加入唤醒功能；传统唤醒信号的检测方法采用能量检测、频谱检测和循环统计量检测等方法，当需要对特定ID号对应的水声应答器进行唤醒操作的时候，采用上述现有的唤醒信号检测方法会将所有ID号对应的水声应答器全部唤醒，这样就造成水声应答器不必要的功耗损失，缩短了不需要此次被唤醒水声应答器的待机时间。3)水声应答器的电源供电较为复杂，传统水声应答器一般采用电池并联成电池组的方式为整个系统进行供电，随着电池的持续放电，电池组会有不同程度的降压，当电池组电压降到小于数字核心处理板的工作电压时，整个系统将无法正常工作，然而此时电池组内还有剩余电量，这样未能充分利用电池组电量以达到应答器更长的待机时间。

实用新型内容

针对上述技术问题，本实用新型提供了一种超长待机水声应答器系统，根据唤醒信号发射具有间隔性的特点，搭建了能够实现信号二次唤醒模式的硬件基础，实现实时唤醒的同时，保证系统在发射信号空闲间隔期间处于低功耗模式，避免了不必要的功耗输出，大大降低了系统功耗，有效延长了应答系统的待机时间。

本实用新型通过以下技术方案来实现上述目的：

一种超长待机水声应答器系统，包括模拟接收预处理模块、单片机值守与控制模块、数字信号处理器模块、发射电路模块、收发合置换能器以及为上述各模块供电的电源管理模块；

模拟接收预处理模块，对声头发射的信号进行前期预处理后，将信号发送给单片机值守与控制模块或数字信号处理器模块；预处理包括阻抗匹配、前置放大、带通滤波和后置放大；

单片机值守与控制模块，与数字信号处理器模块连接，用于检测声头发射的第一次唤醒信号，以及控制数字信号处理器模块的工作；

数字信号处理器模块，接受单片机值守与控制模块的控制，用于检测声头发射的第二次唤醒信号，以及对声头发射的定位信号进行解算；

发射电路模块，对应答信号进行数模转换和功率放大后发送给收发合置换能器；数字信号处理器模块解算定位信号后产生应答信号，该应答信号为数字信号，经发射电路模块的数模转换DAC和功率放大器后再传送给收发合置换能器进行应答信号的发射；

收发合置换能器，是接收和发射合置的换能器模块，用于接收声头发射的信号，并发射应答信号给声头。

作为本案的优化方案，所述电源管理模块包括超低功耗电压比较电路，用于检测电池组的输出电压，实现电池组由并联模式转换为串联模式。

作为本案的优化方案，所述第一次唤醒信号为声头发射的线性调频唤醒信号。

作为本案的优化方案，所述第二次唤醒信号为声头发射的码分多址扩频唤醒信号。

作为本案的优化方案，所述数字信号处理器模块采用32位高性能、低功耗的C6000系列处理器。

作为本案的优化方案，所述单片机值守与控制模块采用MSP430F5438A单片机。

作为本案的优化方案，所述应答器系统还包括入水检测电路，用于控制电源管理模块的通断。

本实用新型的有益效果是：

1、本系统搭建了低功耗模式，当水声应答器处于低功耗模式时，模拟接收预处理、单片机值守与控制模块、数字信号处理器模块和功率放大模块均处于掉电状态，只有低频晶振的振荡器ACLK处于工作状态，并且发射预定次数的线性调频脉冲唤醒信号能够精确唤醒水声应答器；此种模式降低了不必要的空闲时间上水声应答器检测唤醒信号带来的功耗损失，提高了水声应答器的待机时间；

2、当超短基线系统同时管理多个水声应答器的时候，单片机值守与控制模块检测到线性调频唤醒信号时，所有的应答器被唤醒；而数字信号处理器模块针对不同ID号的扩频唤醒信号进行检测，当检测出对应ID号的扩频信号时，相应的水声应答器进行应答；通过本系统在超短基线系统对分组水声应答器的管理上效果显著，能够准确唤醒对应ID号的水声应答器，实现分组唤醒功能。

3、采用电池自动分组技术，电池持续放电会导致电池组的输出电压减小，本案采用比较电路输出高电平驱动固态继电器以改变电池组的连接方式，使电池组由并联模式转换为串联模式，使得电池组的输出电压在数字核心处理板的正常工作电压之上，克服了并联电池组当输出电压低于数字核心处理板的正常工作电压而不能正常工作的缺点，能够充分利用电池组的剩余电量，提高水声应答器的待机时间。

附图说明

图1为本实用新型的系统结构框图；

图2为本实用新型的系统流程框图；

图3为线性调频唤醒信号形式示意图；

图4为线性调频唤醒信号检测模式示意图；

图5为频域能量检测算法流程框图；

图6为并行码相位搜索算法流程框图；

图7为锂电池电压与容量的对应关系图；

图8为电池组并联串联转换框图。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本实用新型及其效果作进一步阐述。

为了解决背景技术指出的问题，本实用新型提出了全新的一种水声应答系统超长待机的解决方案。

如图1所示，一种超长待机水声应答器系统，包括模拟接收预处理模块、单片机值守与控制模块、数字信号处理器模块、发射电路模块、收发合置换能器以及为上述各模块供电的电源管理模块；

模拟接收预处理模块，对声头发射的信号进行前期预处理后，将信号发送给单片机值守与控制模块或数字信号处理器模块；预处理包括阻抗匹配、前置放大、带通滤波和后置放大等硬件电路；

单片机值守与控制模块，与数字信号处理器模块连接，用于检测声头发射的第一次唤醒信号，以及控制数字信号处理器模块的工作；单片机值守与控制模块采用MSP430F5438A单片机，而第一次唤醒信号为声头发射的线性调频唤醒信号；

数字信号处理器模块，接受单片机值守与控制模块的控制，用于检测声头发射的第二次唤醒信号，以及对声头发射的定位信号进行解算；数字信号处理器模块采用32位高性能、低功耗的C6000系列处理器，而第二次唤醒信号为声头发射的码分多址扩频唤醒信号；

发射电路模块，对应答信号进行数模转换和功率放大后发送给收发合置换能器；数字信号处理器模块解算定位信号后产生应答信号，该应答信号为数字信号，经发射电路模块的数模转换DAC和功率放大器后再传送给收发合置换能器进行应答信号的发射；

收发合置换能器，是接收和发射合置的换能器模块，用于接收声头发射的信号，并发射应答信号给声头。

更进一步地，电源管理模块包括超低功耗电压比较电路，用于检测电池组的输出电压，实现电池组由并联模式转换为串联模式。即当比较电路检测出电池组的输出电压低于数字核心处理板的正常工作电压3.3V-4.3V的时候，比较电路输出高电平驱动电池模块中的固态继电器，使电池组由并联模式转换为串联模式，使得电池组通过线性稳压器输出的电压在数字核心处理板的正常工作电压以上，水声应答器系统正常工作，进而充分利用了电池的剩余电量。

更进一步地，本应答系统还包括入水检测电路，用于控制电源管理模块的通断；即当应答器投入水中时电源管理模块接通供电，为系统提供工作所需的电源；当应答器离开水面暴露在空气中时电源管理模块断开，停止供电。

根据上述所述的超长待机水声应答器系统的应答方法，具体包括以下步骤：

a、应答器上电系统进入待机模式，单片机值守与控制模块开启信号检测的值守功能，声头发射唤醒信号和定位信号组成的信号帧；

b、由单片机值守与控制模块检测线性调频唤醒信号，如未检测到，系统进入低功耗模式；单片机中低频晶振的振荡器ACLK驱动定时器产生时间段T₁的定时信号，当定时结束时，定时器产生中断信号唤醒单片机，开始检测线性调频唤醒信号；其中低功耗模式的时间段T₁可根据发射信号的形式和发射周期进行预设定，本实用新型中T₁＝4.5s。所述的低功耗模式为，系统的功率放大模块、模拟接收预处理模块、单片机值守与控制模块以及数字信号处理器模块均处于掉电状态，仅有单片机的低频晶振振荡器处于工作状态，低频晶振振荡器用于驱动定时器发射定时信号，当定时结束时，定时器产生中断信号唤醒单片机值守与控制模块，使其开始检测唤醒信号。

c、当单片机值守与控制模块检测到线性调频唤醒信号后，其使能信号启动数字信号处理器模块电源，使其上电工作；

d、由数字信号处理器模块检测扩频唤醒信号，当未检测到对应ID号的码分多址扩频信号时，数字信号处理器模块向单片机值守与控制模块发出断电中断信号，单片机关闭电源，使系统重新回到低功耗模式，以此实现低功耗模式和唤醒模式的有效循环；

e、当数字信号处理器模块检测到是对应ID号的扩频信号时，应答器发射应答信号，并进入工作状态，若在应答器进入工作状态以后，在预订时间内没有收到声头信号，则数字信号处理器模块向单片机值守与控制模块发出断电中断信号，应答器系统又进入深度休眠状态。

具体方案原理分析

(3.1)本应答系统包括以MSP430F5438A单片机为核心的值守与控制模块、以数字信号处理器(DSP)为核心的扩频信号解算模块、模拟接收预处理模块、功率放大模块、电源管理模块和收发合置换能器等功能模块组成。单片机值守与控制模块负责应答器的待机与控制功能；数字信号处理器(DSP)模块是应答器扩频通信的核心检测模块；模拟接收预处理模块完成接收信号的阻抗匹配、信号的多级放大和滤波处理，功率放大模块则完成与换能器的阻抗匹配和信号放大过程；电源管理模块负责整个应答器的电源供给，硬件详细设计框图如图1，水声应答器系统工作流程如图2。

(3.2)低功耗设计。通过本系统既可实现实时唤醒，又能减小功耗。声头发射不同形式的唤醒信号是为了配合水声应答系统的低功耗工作模式而设计的。在此工作模式下，声头可以对水声应答器发射预定了发射次数的唤醒信号，第一次唤醒信号采用线性调频信号，线性调频脉冲唤醒信号的形式如图3所示；线性调频脉冲唤醒信号检测模式如图4所示，理论分析如下：

假设声头发射唤醒信号模式为：唤醒信号发射时长是x，发射周期是x+y；水声应答系统检测唤醒信号模式为：唤醒信号的检测时段是a，在时段b时值班电路进入深度休眠状态，即低功耗模式。当声头发射唤醒信号与应答系统检测唤醒信号的时间重合超过Δ时，此时达到唤醒信号能量检测阀值，水声应答系统被唤醒，具体的数学分析如下，声头处于发射唤醒信号时间段为：

[(x+y)k,(x+y)k+x)k∈0,1,2,3...

其中x>a，单片机处于检测唤醒信号时间段为：

[(a+b)l-m,(a+b)l+a-m)l∈0,1,2,3...m∈[0,(a+b))

其中a大于Δ；我们设定，声头第一次开始发射唤醒信号时k＝0，此时为初始时刻，而此时对于应答器，m∈(0,5)，l＝0。据以上分析，满足以下不等式声头可以唤醒水声应答器：

$\left\{\begin{array}{c}(a+b)l-m<(x+y)k\\ (x+y)k<(a+b)l+a-m-\mathrm{\&Delta;}\end{array}\right.$ 或 $\left\{\begin{array}{c}(a+b)l-m<(x+y)k+x\\ (x+y)k+x<(a+b)l+a-m-\mathrm{\&Delta;}\end{array}\right.$ 或 $\left\{\begin{array}{c}(x+y)k<(a+b)l-m\\ (x+y)k+x>(a+b)l+a-m\end{array}\right..$

结合本实用新型实际应用情况以及技术要求，可确定的参数如下：

$\{\begin{array}{c}x=2\\ y=5\end{array},\{\begin{array}{c}a=0.5\\ b=4.5\end{array},$ Δ＝100ms。

不等式为：

$\left\{\begin{array}{c}5l-m<7k\\ 7k<5l+0.4-m\end{array}\right.$ 或 $\left\{\begin{array}{c}5l-m<7k+2\\ 7k+2<5l+0.4-m\end{array}\right.$ 或 $\{\begin{array}{c}7k<5l-m\\ 7k+2>5l+0.5-m\end{array}.$

解方程可得：声头需要发射一个周期的线性调频唤醒信号唤醒应答系统的概率为36％；声头需要发射两个周期的线性调频唤醒信号唤醒应答系统的概率为76％；声头需要发射三个周期的线性调频唤醒信号唤醒应答系统的概率为100％。

由上理论推导可知，本系统中在预定发射三次线性调频唤醒信号的时候，水声应答系统必然会被唤醒。且当应答系统处于检测唤醒信号状态时，应答系统母版的前置放大、滤波、ADC以及MSP430F5438A单片机处于正常工作状态；应答器母版的前置放大、滤波、ADC及MSP430F5438A单片机关闭设置为低功耗模式，此模式下，只有低频晶振的振荡器(ACLK)处于工作状态，其余晶振(MCLK、SMCLK)全部关闭，由ACLK驱动定时器产生4.5s定时信号以结束系统的低功耗模式；

(3.3)唤醒模式的有效性设计。水声应答系统处于深度休眠时采取二次唤醒模式，第一次的唤醒信号采用线性调频脉冲信号，单片机值守与控制模块采用现有的频域能量检测算法进行第一次唤醒信号检测，即通过快速傅里叶变换(FFT)检测预设频段的信号总能量，其检测方框图如图5所示。当检测到唤醒信号时，单片机发射使能信号启动数字信号处理器模块，电源打开I/O中断，进入低功耗模式等待数字信号处理器模块中断信号的到来，数字信号处理器模块采用现有的并行码相位搜索算法进行第二次唤醒信号检测，其检测方框图如图6所示；当数字信号处理器模块没有解算出对应ID号的扩频信号时，数字信号处理器模块向单片机值守与控制模块发出断电中断信号，单片机值守与控制模块就关闭电源让系统重新回到深度休眠，即低功耗模式，当解算出对应ID号的扩频信号时，相应的水声应答器对声头发射的定位信号进行应答。

(3.4)电源的智能管理模式设计。电池持续放电会导致电池组的输出电压减小，并且有相当大的斜率，锂电池开路电压与电池容量的对应关系如图7所示，水声应答系统的数字核心处理板的工作电压是3.3V-4.3V，当稳压电路的输出电压小于数字核心处理板的工作电压3.3V时，比较电路输出高电平驱动电池模块中的固态继电器，使电池组由并联模式转换为串联模式，电池转换模式如图8所示，使得电池组通过稳压器的输出电压在数字核心处理板的正常工作电压之上。

以上实施例仅是示例性的，并不会局限本实用新型，应当指出对于本领域的技术人员来说，在本实用新型所提供的技术启示下，所做出的其它等同变型和改进，均应视为本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种超长待机水声应答器系统，其特征在于：包括模拟接收预处理模块、单片机值守与控制模块、数字信号处理器模块、发射电路模块、收发合置换能器以及为上述各模块供电的电源管理模块；

模拟接收预处理模块，对声头发射的信号进行前期预处理后，将信号发送给单片机值守与控制模块或数字信号处理器模块；

单片机值守与控制模块，与数字信号处理器模块连接，用于检测声头发射的第一次唤醒信号，以及控制数字信号处理器模块的工作；

数字信号处理器模块，接受单片机值守与控制模块的控制，用于检测声头发射的第二次唤醒信号，以及对声头发射的定位信号进行解算；

发射电路模块，对应答信号进行数模转换和功率放大后发送给收发合置换能器；

收发合置换能器，是接收和发射合置的换能器模块，用于接收声头发射的信号，并发射应答信号给声头。

2.根据权利要求1所述的超长待机水声应答器系统，其特征在于：所述电源管理模块包括超低功耗电压比较电路，用于检测电池组的输出电压，实现电池组由并联模式转换为串联模式。

3.根据权利要求1所述的超长待机水声应答器系统，其特征在于：所述第一次唤醒信号为声头发射的线性调频唤醒信号。

4.根据权利要求1所述的超长待机水声应答器系统，其特征在于：所述第二次唤醒信号为声头发射的码分多址扩频唤醒信号。

5.根据权利要求1-4任一所述的超长待机水声应答器系统，其特征在于：所述数字信号处理器模块采用32位高性能、低功耗的C6000系列处理器。

6.根据权利要求1-4任一所述的超长待机水声应答器系统，其特征在于：所述单片机值守与控制模块采用MSP430F5438A单片机。

7.根据权利要求1-4任一所述的超长待机水声应答器系统，其特征在于：所述应答器系统还包括入水检测电路，用于控制电源管理模块的通断。