CN216483019U - 一种定位与水深数据的同步电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种定位与水深数据的同步电路，包括GPS定位设备、同步电路模组、换能器、PC远程平台，所述的GPS定位设备同时输出PPS信号和定位数据，且同步电路模组与GPS定位设备通讯相连，同步电路模组输入端接收到PPS信号和定位数据，所述的同步电路模组包括信号电平转换电路、串口电路、处理电路、网口电路。本实用新型可以采用一个网口完成声图、定位数据、水深数据的传输，减少了接口，方便设备之间的连接，简化了工作流程，排除了物理延迟；采用该电路后，减少了因为测深数据和定位数据采样率不一致的误差，同时也避免了因为声传播和处理时间造成水深数据和实际定位数据在时间轴的误差。
Description
技术领域
本实用新型涉及数据采集同步技术，尤其是指一种定位与水深数据的同步电路。
背景技术
水深信号已经广泛应用于水下目标探测的各种声纳设备中。回声测深仪是应用水声信号进行测距的常规水深测量设备，也是当今应用最普遍的探测设备。它的工作原理是通过换能器发射一定频率的声波，利用声波在水中传播时，遇到密度不同的介质（如水底或其他物体）会产生反射信号，根据声波往返的时间及其在所测区域水中的传播速度，求得换能器至反射目标的直线距离，即测得水深。
GPS定位设备对于回声测深仪来说是不可或缺的，因为如果水深数据不知道是在什么位置测得的，那么该水深数据将没有意义，所以在水下地形测量时，通常需要将GPS定位设备和回声测深仪一起使用，将两者的测量数据传输给工控机，在导航软件中将定位数据和水深数据一一对应进行记录、处理和保存，从而完成水下地形测量。
但在常规的GPS定位设备与回声测深仪的组合中，存在着定位数据与水深数据不同步的现象，从而使水下地形测量结果存在误差，这种现象是由多种因素造成。主要有以下几个因素。
A）定位数据和测深数据的采样率不一致，在两个定位数据之间可能存在多个水深数据，这样导航软件选取水深数据时是从两个定位数据之间的多个水深数据中随机取一个水深数据，定位数据和水深数据就会在时间轴上造成误差；
B）GPS通过物理串口直接给导航软件，而测深数据却通过虚拟串口给导航软件，这也会产生了一个时间误差，导致GPS与水深不同步的结果。
C）当船行进时，测深仪测深的原理是通过声的传播来测得水深，当前测到的水深值其实是之前发射声波位置的水深，但GPS记录的是当前位置的信息，所以测深仪的数据其实有一个信号传输加上处理的时间延时，在陡坡测量时，船如果往岸边开，此时测得的水深数据会比正常水深值要大，而船如果往水中央开，此时测得的水深数据就会比正常水深值要浅，这样在等深线上测量效果就会出现锯齿状，而这是不应该的。
为了克服以上因素，我们设计了一种电路，从而使得定位数据和水深数据能够很好的进行时间同步，从而减少误差。
实用新型内容
为此，本实用新型所要解决的技术问题在于克服现有技术中测深仪器定位数据和水深数据就会在时间轴上造成误差的问题，从而提供一种定位与水深数据的同步电路以及处理电路运行方法。
为解决上述技术问题，本实用新型的一种定位与水深数据的同步电路，包括GPS定位设备、同步电路模组、换能器、PC远程平台，所述的GPS定位设备同时输出PPS信号和定位数据，且同步电路模组与GPS定位设备通讯相连，同步电路模组输入端接收到PPS信号和定位数据，所述的同步电路模组包括信号电平转换电路、串口电路、处理电路、网口电路，且PPS信号和定位数据通过设有的信号电平转换电路和串口电路与处理电路之间通讯相连，所述的同步电路模组输出交互端为处理电路的输出端，所述的处理电路其中一路的输出端通过收发电路与换能器之间交互相连，同时处理电路另一路的输出端通过网口电路与PC远程平台之间交互相连。
在本实用新型的一个实施例中，所述的信号电平转换电路在当PPS信号为高电平时，由于Q1导通，/TrigIn信号为低；当PPS信号为低电平时，由于Q1不导通，/TrigIn信号为3.3V的高电平。
在本实用新型的一个实施例中，所述的串口电路采用的是MAX3160EAP和TL16C754BPN芯片，所述的MAX3160EAP能够实现RS-232电平与TTL电平的转换，所以其中的MAX3160EAP将外部的GPS定位设备的串口数据转换成TTL信号传输给TL16C754BPN。
在本实用新型的一个实施例中，所述的处理电路包括CPLD芯片、FLASH芯片、DSP处理芯片，其中的CPLD芯片读取PPS信号触发后输出触发信号给发射板中的DSP处理芯片，而后DSP处理芯片通过完成复杂的水深信号处理，定位数据的插值运算，将结果数据输出到网口电路，所述的FLASH芯片将DSP处理芯片中定位数据和时间信息备份。
在本实用新型的一个实施例中，所述的FLASH芯片采用的是29LV400。
在本实用新型的一个实施例中，所述的DSP处理芯片采用TI 公司的TMS320VC5416。
在本实用新型的一个实施例中，所述的CPLD采用的是XC95288XL。
在本实用新型的一个实施例中，所述的网口电路采用是W5200，所述的网口电路通过SPI接口可以通过Interne网络与PC远程平台连接。
本实用新型的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：本实用新型所述的定位与水深数据的同步电路，可以采用一个网口完成声图、定位数据、水深数据的传输，减少了接口，方便设备之间的连接，简化了工作流程，排除了物理延迟；采用该电路后，减少了因为测深数据和定位数据采样率不一致的误差，同时也避免了因为声传播和处理时间造成水深数据和实际定位数据在时间轴的误差；在陡坡测深时，等深线上测量效果上没出现锯齿状，证明了该电路解决了水深数据和定位数据的同步问题。
附图说明
为了使本实用新型的内容更容易被清楚的理解，下面根据本实用新型的具体实施例并结合附图，对本实用新型作进一步详细的说明。
图1是本实用新型一种定位与水深数据的同步电路的系统框图；
图2是本实用新型所述信号电平转换电路的原理电路示意图；
图3是本实用新型所述串口电路的原理电路示意图；
图4是本实用新型所述处理电路的原理框图；
图5是本实用新型所述网口电路的原理图。
具体实施方式
如图1所示，本实施例提供一种定位与水深数据的同步电路，包括GPS定位设备、同步电路模组、换能器、PC远程平台，所述的GPS定位设备同时输出PPS信号和定位数据，且同步电路模组与GPS定位设备通讯相连，同步电路模组输入端接收到PPS信号和定位数据，所述的同步电路模组包括信号电平转换电路、串口电路、处理电路、网口电路，且PPS信号和定位数据通过设有的信号电平转换电路和串口电路与处理电路之间通讯相连，所述的同步电路模组输出交互端为处理电路的输出端，所述的处理电路其中一路的输出端通过收发电路与换能器之间交互相连，同时处理电路另一路的输出端通过网口电路与PC远程平台之间交互相连。
进一步地，当同步电路系统接收到一个PPS信号时，保存此时GPS通过串口传输过来的时间信息和定位数据，同时触发一次声波发射，将换能器回波信号经接收电路放大后处理得到一个水深值，加上之前保存的时间信息以及定位数据，一起打包通过网口电路传输给PC远程平台上的导航软件。
由于两次PPS信号间隔时间只有1秒，所以可以默认船的行径轨迹是一条直线，两次PPS信号之间也有发射声波进行测量，我们可以根据发射声波相对PPS信号的时间差，通过比例算法求得每个水深点的位置。这样每个水深点都有一个相应的时间信息和定位数据信息，这样就能精确的解决测深数据和定位数据的延时问题。
进一步地，信号电平转换电路图如图2所示， 由于PPS信号最后是要接到处理电路中的CPLD芯片上，该芯片供电电压为3.3V，而PPS信号为TTL电平，它为高时的电压范围在2.4V～5V，正常情况为5V，如果是5V输入则对CPLD芯片有损伤。
所述的信号电平转换电路在当PPS信号为高电平时，由于Q1导通，/TrigIn信号为低；当PPS信号为低电平时，由于Q1不导通，/TrigIn信号为3.3V的高电平。
同时，在CPLD芯片中采用电平下降沿触发，每有一次电平下降沿则进行一次发射驱动信号的发送，这样实现PPS信号触发功能。同时该电路只要PPS信号为TTL高电平，它就会输出低电平，这样适应外部信号的电压范围较宽。
如图3所示，所述的串口电路采用的是MAX3160EAP和TL16C754BPN芯片，所述的MAX3160EAP能够实现RS-232电平与TTL电平的转换，所以其中的MAX3160EAP将外部的GPS定位设备的串口数据转换成TTL信号传输给TL16C754BPN。
进一步地，其中的MAX3160EAP是一种高性能管脚可编程的多协议收发器件，该芯片采用+3V～+5V单电源供电，其独特的低压差发送输出级和内部双电荷泵结构，可以满足RS-232和RS422/485协议结构，它具有节电模式和过流过热保护功能。
TL16C754BPN是一种具有异步串行通信功能的大规模集成电路芯片，主要为DCE设备和DTE设备之间提供可靠、灵活的接口服务。它的内部由总线控制、数据收发控制、中断控制组成。它是5V和3.3V均可以供电的芯片，不过考虑到处理电路中的CPLD芯片是3.3V供电，所以我们这里也采用了3.3V供电，这样大大简化了他们之间的接口连接。
采用TL16C754BPN进行串口异步通讯，首先必须对其初始化，然后进行收发通信编程、差错校验等，而这些过程都是通过CPLD芯片对其内部的寄存器进行读写和逻辑判断来完成的。
即完成将定位数据从外部GPS设备传输给处理电路中。
如图4所示，所述的处理电路包括CPLD芯片、FLASH芯片、DSP处理芯片，其中的CPLD芯片读取PPS信号触发后输出触发信号给发射板中的DSP处理芯片，而后DSP处理芯片通过完成复杂的水深信号处理，定位数据的插值运算，将结果数据输出到网口电路，所述的FLASH芯片将DSP处理芯片中定位数据和时间信息备份。
而进一步地，处理电路是整个测深仪的运算中心，担负着系统同步、测深跟踪，控制发射机的功率和脉宽，控制接收增益，采集接收机输出的包络信号并处理后得到声图及水深数据，然后将这些数据通过网络传输给PC平台。我们这里利用该电在完成上面功能的同时来实现定位数据和水深数据同步功能。
所述的FLASH芯片采用的是29LV400，FLASH与EPROM相比，集成度高，功耗低，可电擦写，而且3.3V的FLASH可直接与DSP接口，接口电路设计方便。29LV400具有单电源操作，存取速度快，读写寿命长，低功耗等优点，所以我们用它来进行存储程序和数据。
所述的DSP处理芯片采用TI 公司的TMS320VC5416，分开的数据和指令空间使该芯片具有高度的并行操作能力，在单周期内允许指令和数据同时存取，再加上其高度优化的指令集，使得该芯片具有很高的运算速度，这里用来完成复杂的水深信号处理，定位数据的插值运算，网口数据的输出。
所述的CPLD采用的是XC95288XL，是一个3.3V的低电压、高效的CPLD，在通信和计算机系统中的有广泛的应用。它包含16个54V18个功能块，提供了6400个可用的门电路。我们主要用它来实现PPS触发信号的读取，输出触发信号给发射板，接收串口数据。
所述的网口电路采用是W5200，所述的网口电路通过SPI接口可以通过Interne网络与PC远程平台连接。
进一步地，如图5所示，W5200非常适合那些通过单芯片实现TCPIP 协议栈、10/100M 以太网MAC和PHY。W5200内部有32K 的存储器用于通信数据的存储。使用W5200，通过简单的端口编程，用户可以实现他们想要的以太网通信的应用，而不必要处理复杂的以太网控制。所以我们采用该芯片，通过DSP芯片发送控制命令和数据给W5200可以很方便的完成网络数据的传输。
包含有水深数据和定位数据通过网络数据传输给PC平台后，通过国产导航软件可以同时完成水深数据和定位数据的采集，处理，显示，从而完成水深测量。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型创造的保护范围之中。
Claims (8)
1.一种定位与水深数据的同步电路，其特征在于，包括GPS定位设备、同步电路模组、换能器、PC远程平台，所述的GPS定位设备同时输出PPS信号和定位数据，且同步电路模组与GPS定位设备通讯相连，同步电路模组输入端接收到PPS信号和定位数据，所述的同步电路模组包括信号电平转换电路、串口电路、处理电路、网口电路，且PPS信号和定位数据通过设有的信号电平转换电路和串口电路与处理电路之间通讯相连，所述的同步电路模组输出交互端为处理电路的输出端，所述的处理电路其中一路的输出端通过收发电路与换能器之间交互相连，同时处理电路另一路的输出端通过网口电路与PC远程平台之间交互相连。
2.根据权利要求1所述的一种定位与水深数据的同步电路，其特征在于：所述的信号电平转换电路在当PPS信号为高电平时，由于Q1导通，/TrigIn信号为低；当PPS信号为低电平时，由于Q1不导通，/TrigIn信号为3.3V的高电平。
3.根据权利要求1所述的一种定位与水深数据的同步电路，其特征在于：所述的串口电路采用的是MAX3160EAP和TL16C754BPN芯片，所述的MAX3160EAP能够实现RS-232电平与TTL电平的转换，所以其中的MAX3160EAP将外部的GPS定位设备的串口数据转换成TTL信号传输给TL16C754BPN。
4.根据权利要求1所述的一种定位与水深数据的同步电路，其特征在于：所述的处理电路包括CPLD芯片、FLASH芯片、DSP处理芯片，其中的CPLD芯片读取PPS信号触发后输出触发信号给发射板中的DSP处理芯片，而后DSP处理芯片通过完成复杂的水深信号处理，定位数据的插值运算，将结果数据输出到网口电路，所述的FLASH芯片将DSP处理芯片中定位数据和时间信息备份。
5.根据权利要求4所述的一种定位与水深数据的同步电路，其特征在于：所述的FLASH芯片采用的是29LV400。
6.根据权利要求4所述的一种定位与水深数据的同步电路，其特征在于：所述的DSP处理芯片采用TI 公司的TMS320VC5416。
7.根据权利要求4所述的一种定位与水深数据的同步电路，其特征在于：所述的CPLD采用的是XC95288XL。
8.根据权利要求1所述的一种定位与水深数据的同步电路，其特征在于：所述的网口电路采用是W5200，所述的网口电路通过SPI接口可以通过Interne网络与PC远程平台连接。
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