CN206759442U - 一种基于超声波的便携式水声通信仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种基于超声波的便携式水声通信仪，包括核心系统，以及与核心系统相连接的超声换能器、人机交互单元、话音单元；所述核心系统的核心处理器为FPGA，通过FPGA控制通信的收发转换并完成数据采集、信号处理和波形产生。利用超声波实现潜水员水下通信，避免大功率低频(20kHz以下)声波对潜水员听力的伤害，又可以全向传播，突破了可见光直线传播限制，增加通信灵活性；本实用新型的核心处理器采用FPGA，完成系统控制、接口逻辑和通信数据的处理，集成度高，增加通信仪的便携性；设计的通信仪能够实现潜水员之间近距离语音通信和潜水员与水面船之间的远距离指令交互，满足潜水员水下通信需求。

Description

一种基于超声波的便携式水声通信仪

技术领域

本实用新型属于水声通信领域，尤其涉及一种基于超声波的便携式水声通信仪，该通信仪用于潜水员进行水下通信。

背景技术

水声通信技术广泛用于海洋资源勘探、海洋环境监测以及军事领域。水声信道具有通信带宽有限、海洋噪声干扰严重和复杂时变的多径效应等特点，严重影响通信性能。为了达到更好的通信性能，水声通信设备一般采用较低频率(小于20kHz)和较高功率进行通信，这种方法导致通信设备较笨重，不适合潜水员装备，并且大功率低频声波对潜水员听力有伤害。

部分研究者为潜水员开发了可穿戴的水下可见光通信设备，但是这种设备的通信距离较短，仅适合水下潜水员之间面对面通信，不能用于多名潜水员协同工作以及潜水员与水面船之间的通信。

发明内容

本实用新型针对潜水员水下通信的需求，设计一款基于超声波的便携式水声通信仪，该通信仪主要用于潜水员之间近距离的语音通信及潜水员与水面船之间远距离的指令交互。

为达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：

一种基于超声波的便携式水声通信仪，包括核心系统，以及与核心系统相连接的超声换能器、人机交互单元、话音单元；所述核心系统的核心处理器为FPGA，通过FPGA控制通信的收发转换并并完成数据采集、信号处理和波形产生。

进一步的，所述核心系统还包括电源模块、收发转换电路、接收电路、AD采集电路、发射电路、DA电路、语音信号编解码模块；所述收发转换电路连接接收电路和发射电路，所述接收电路通过AD采集电路连接FPGA，所述FPGA通过DA电路连接发射电路；所述FPGA通过语音信号编解码模块连接话音单元；所述核心处理器FPGA连接人机交互单元；所述电源模块为核心系统各电路和模块供电。

更进一步的，所述FPGA包括时钟模块、AD接口模块、DA接口模块、调制模块、解调模块、编解码芯片接口模块和通用异步串行通信模块；

所述时钟模块用于生成其他模块所需要的多种时钟；

所述AD接口模块用于控制AD采集电路采样并将采样数据传输到解调模块；

所述DA接口模块接收调制模块产生的波形数据并控制DA电路转换；

所述调制模块接收编解码芯片接口模块的音频数据以及通用异步串行通信模块的数据，将音频数据和数据进行调制，调制后的数据发送给DA接口模块；

所述解调模块接收AD接口模块采集的数据，进行数据处理，完成波形的解调，解调的音频信号传输给编解码芯片接口模块，解调的数据传输给通用异步串行通信模块；

所述编解码芯片接口模块用于控制语音信号编解码模块进行语音信号的编码，将编码后的数据传输给调制模块；以及将解调模块的音频数据发送给语音信号编解码模块解码为模拟音频信号；

所述通用异步串行通信模块接收解调模块输出的指令，将数据发送给人机交互单元；以及接收人机交互单元的数据，传输给调制模块，调制后进行发射。

更进一步的，所述核心系统密封在仪表盒中，固定在潜水员腰部或背部。

进一步的，所述人机交互单元为单片机系统，包括单片机以及与单片机连接的显示装置、指令输入装置、消息提示装置以及传感器接口。

更进一步的，所述人机交互单元密封在仪表盒内，佩戴于潜水员小臂或手腕。

进一步的，所述话音单元包括麦克风和耳机，置于潜水员面罩内。

进一步的，所述收发转换电路通过继电器完成收发转换，由FPGA控制继电器开关。

相对于现有技术，本实用新型的优点在于：利用超声波实现潜水员水下通信，避免大功率低频(20kHz以下)声波对潜水员听力的伤害，又可以全向传播，突破了可见光直线传播限制，增加通信灵活性；本实用新型的核心处理器采用FPGA，完成系统控制、接口逻辑和通信数据的处理，集成度高，增加通信仪的便携性；设计的通信仪能够实现潜水员之间近距离语音通信和潜水员与水面船之间的远距离指令交互，满足潜水员水下通信需求。

附图说明

图1为本实用新型的主要结构单元和连接关系示意图；

图2为本实用新型的核心单元的电路结构及连接关系示意图；

图3为本实用新型的核心单元的核心处理器FPGA内部电路结构图；

图4为本实用新型的核心单元的电源系统电路图；

图5为本实用新型的核心单元的收发转换电路示意图.

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本实用新型针对潜水员水下通信的需求，设计一款基于超声波的便携式水声通信仪。该通信仪主要用于潜水员之间(近距离)的语音通信及潜水员与水面船之间(远距离)的指令交互。通讯仪分为四个单元构成：核心系统，人机交互单元、话音单元和超声换能器，其结构与连接关系如图1所示。便携式超声波水声通信仪各部分的功能和结构如下所述。

1、核心系统：包括电源模块、收发转换电路、接收电路、发射电路、语音信号编解码模块、AD/DA电路、通信接口以及处理器。该单元密封在仪表盒中，可固定在潜水员腰部或背部。

核心系统与人机交互单元连接的接插件和电缆为四芯，分别为：+5V电源、地、UART的发送和接收信号。核心系统与话音单元连接的接插件和电缆为四芯：分别为：地、麦克风信号、左右声道语音信号。核心系统与超声换能器连接的接插件和电缆为两芯，传输发射波形。

2、人机交互单元：该单元为一个单片机系统，主要包括显示、指令输入(按键)、消息提示(震动马达)以及预留部分传感器接口，如体温、水温、水深和氧气量等，单片机通过通用异步收发传输器(UART)与核心单元进行通信。该单元密封在仪表盒内，可佩戴于潜水员小臂或手腕。

3、话音单元：该单元包括麦克风和耳机，置于潜水员面罩内。

4、超声换能器：该单元负责电声能量转换，采用DYW-28-G型超声换能器，工作频率范围28K±5KHz。

本实用新型的核心系统的功能和结构如图2所示。下面分模块说明核心系统中各个电路模块的功能和结构。

(1)电源模块：如图4所示，电源模块采用4颗3.7V锂电池串联供电，以锂电池中间的接触点作为参考电平(GND)，4颗锂电池可以产生±7.4V电压。锂电池组+7.4V的电压输出连接线性稳压器LM317的输入端，通过调节电阻R1和R2的阻值，设置LM317的输出电压为+5V。在线性稳压器的输入端和输出端并联连接电容C2、C1和C5，用于稳压和滤波。同理，锂电池组-7.4V的电压连接线性稳压器LM337，并设置电阻值和并联电容。±7.4V和±5V的电源输出用于向本实用新型的各个电路模块供电。

(2)收发转换电路：本实用新型设计的通信仪采用单双工通信模式，即在发射时刻不能接收信息。收发转换通过继电器完成，由FPGA控制继电器开关，收发转换电路示意图如图5所示。继电器A、B、C的公共端分别连接换能器、AD电路和DA电路。继电器工作在常闭状态下时，继电器A连接换能器和接收电路，继电器B连接AD和接收电路，继电器C连接发射电路和参考地，此时通信仪工作在接收状态。FPGA可以控制继电器线圈接电，此时常闭断开，常开闭合，通信仪处于发射状态。

(3)接收电路：接收电路主要对接收的微弱信号进行放大、滤波和自动增益控制(AGC)处理，使接收信号幅度适合AD芯片采集。微弱信号放大电路第一级采用仪表放大器AD8421，放大后的信号通过一个带通滤波器。带通滤波器是一个由运算放大器NE5532组成的八阶巴特沃斯带通滤波器，通带范围为23kHz～33kHz。滤波后的信号经过可变增益放大器AD603组成的AGC电路，使得输出信号幅度不随外界环境起伏和距离远近而剧烈变化。

(4)AD采集电路：AD采集芯片选用ADI公司的AD7988，采样频率为200kSa/s，采样精度16bit。AD7988的参考电平设置为4.096V，输入信号范围为0～4.096V。AGC电路输入的信号为双极性信号，所以在AGC电路和AD7988之间加入电平搬移电路(加法电路)，将AGC输出信号的中心电平由0V搬移到2.048V。参考电平4.096V由下文描述的DA芯片输出，4.096V电平经过两个等值电阻分压，产生2.048V电平。AD7988的控制引脚与FPGA连接，由FPGA控制AD采样过程。

(5)DA电路：DA转换芯片选用TI公司的TLV5638，转换精度为12比他，转换频率为200kSa/s。TLV5638的控制端口连接FPGA，由FPGA控制DA转化过程。TLV5638双路输出，一路输出发射波形，另外一路输出固定电平4.096V，用于AD采样的参考电平。TLV5638输出电平范围为0～4.096V，后面进行功率放大需要双极性信号，所以在TLV5638后面连接电平搬移电路(减法电路)，将输出信号的中心电平由2.048V搬移到0V。

(6)发射电路：发射的模拟波形通过功率放大后驱动换能器。功放芯片选用TI公司的高电压大电流运算放大器OPA548T，放大倍数设置为1，为了更高的放大倍数，在OPA548T和换能器之间添加一个升压变压器，实现电压提升，驱动换能器。

(7)语音信号编解码模块：话音信号的采集和产生拟采用语音编解码芯片WM8731SEFL/R，数字接口与FPGA相连，音频信号与外部音频插座相连，连接到耳机和麦克风。

(8)核心处理器为Spartan6系列FPGA，是通信仪的控制中心，主要用于系统控制、接口逻辑和通信数据的处理。

FPGA内部的电路结构如图3所示。FPGA内部电路主要包括：时钟模块Clock、AD接口模块AD7988_IF、DA接口模块TLV5638_IF、调制模块Modulation、解调模块Demodulation、编解码芯片接口模块WM8731_IF和通用异步串行通信模块UART。下面分模块对各模块的功能和连接关系进行说明。

1)时钟模块Clock：该模块生成其他模块所需要的多种时钟，输入时钟为外部晶振产生的时钟clk_osc，输出时钟为采样时钟clk_sam、数据时钟clk_data、音频时钟clk_audio和系统时钟clk。

2)AD接口模块AD7988_IF：通过接口SCK、SDO和CNV控制AD7988采样过程，并将采样数据dataout传输到解调模块。

3)DA接口模块TLV5638_IF：通过Data_in端口接收调制模块产生的波形数据，通过SCK、DIN和CS控制TLV5638的转换过程。

4)调制模块Modulation：通过Audio_in和Audio_flag端口接收编解码模块的音频数据，通过Data_in和Data_flag接收UART模块的数据，将语音和数据进行调制，调制后的数据通过Data_out发送给DA接口模块。同时，当数据发送给DA接口模块时，收发转换开关TR_ctrl控制继电器处于发射状态。

5)解调模块Demodulation：通过Data_in接收AD采集的数据，进行数据处理，完成波形的解调，解调的音频信号通过Audio_out和Audio_flag传输给编解码模块，解调的数据通过Data_out和Data_flag传输给UART模块。

6)编解码芯片接口模块：WM8731_IF：通过SCLK、SDIN、BCLK、DACDAT、DACCRC、ADCDAT、ADCLRC接口控制编解码芯片WM8731工作过程。将编码后的数字信号通过Data_AD和Flag_AD端口传输给调制模块，进行调制。通过Data_DA和flag_DA将解调模块的音频数字信号传输给WM8731，解码为模拟音频信号。

7)通用异步串行通信模块UART：通过Tx_data和Tx_flag端口接收解调模块输出的指令，通过UART的Tx端口将数据发送给人机交互单元；UART的Rx端口接收人机交互单元的数据，并通过Rx_data和Rx_flag传输给调制模块，调制后进行发射。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于超声波的便携式水声通信仪，其特征在于，包括核心系统，以及与核心系统相连接的超声换能器、人机交互单元、话音单元；所述核心系统的核心处理器为FPGA，通过FPGA控制通信的收发转换并完成数据采集、信号处理和波形产生。

2.根据权利要求1所述的便携式水声通信仪，其特征在于，所述核心系统还包括电源模块、收发转换电路、接收电路、AD采集电路、发射电路、DA电路、语音信号编解码模块；所述收发转换电路连接接收电路和发射电路，所述接收电路通过AD采集电路连接FPGA，所述FPGA通过DA电路连接发射电路；所述FPGA通过语音信号编解码模块连接话音单元；所述核心处理器FPGA连接人机交互单元；所述电源模块为核心系统各电路和模块供电。

3.根据权利要求1或2所述的便携式水声通信仪，其特征在于，所述FPGA包括时钟模块、AD接口模块、DA接口模块、调制模块、解调模块、编解码芯片接口模块和通用异步串行通信模块；

所述时钟模块用于生成其他模块所需要的多种时钟；

所述AD接口模块用于控制AD采集电路采样并将采样数据传输到解调模块；

所述DA接口模块接收调制模块产生的波形数据并控制DA电路转换；

所述调制模块接收编解码芯片接口模块的音频数据以及通用异步串行通信模块的数据，将音频数据和数据进行调制，调制后的数据发送给DA接口模块；

所述解调模块接收AD接口模块采集的数据，进行数据处理，完成波形的解调，解调的音频信号传输给编解码芯片接口模块，解调的数据传输给通用异步串行通信模块；

所述编解码芯片接口模块用于控制语音信号编解码模块进行语音信号的编码，将编码后的数据传输给调制模块；以及将解调模块的音频数据发送给语音信号编解码模块解码为模拟音频信号；

所述通用异步串行通信模块接收解调模块输出的指令，将数据发送给人机交互单元；以及接收人机交互单元的数据，传输给调制模块，调制后进行发射。

4.根据权利要求1或2所述的便携式水声通信仪，其特征在于，所述核心系统密封在仪表盒中，固定在潜水员腰部或背部。

5.根据权利要求1所述的便携式水声通信仪，其特征在于，所述人机交互单元为单片机系统，包括单片机以及与单片机连接的显示装置、指令输入装置、消息提示装置以及传感器接口。

6.根据权利要求1或5所述的便携式水声通信仪，其特征在于，所述人机交互单元密封在仪表盒内，佩戴于潜水员小臂或手腕。

7.根据权利要求1所述的便携式水声通信仪，其特征在于，所述话音单元包括麦克风和耳机，置于潜水员面罩内。

8.根据权利要求2所述的便携式水声通信仪，其特征在于，所述收发转换电路通过继电器完成收发转换，由FPGA控制继电器开关。