文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.190333
中文引用格式: 范寒柏,,劉炳岳,吳飛,,等. 海洋投棄式聲速儀(XSV)的通信系統(tǒng)設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用,,2019,45(7):112-116.
英文引用格式: Fan Hanbai,,Liu Bingyue,,Wu Fei,et al. Design of communication system for ocean expendable sound velocity meter(XSV)[J]. Application of Electronic Technique,,2019,,45(7):112-116.
0 引言
隨著我國深遠(yuǎn)海戰(zhàn)略的不斷發(fā)展,,我國對海洋領(lǐng)域的海洋參數(shù)測量也愈發(fā)重視,。海洋聲速的測量便是其中一項重要的指標(biāo),。海洋聲速測量主要的方法分為兩種:一是用環(huán)鳴法直接測量聲信號在固定的已知距離內(nèi)往返多次的傳播時間而得到聲速;二是采用CTD測量海水的溫度,、鹽度和壓力隨深度的變化,,進(jìn)而通過公式來計算聲速[1]。該測量系統(tǒng)采用直接測量方法,。在聲速測量中,,通常是測量聲速隨深度的變化,故采用拋棄式聲速測量儀(Expendable Sound Velocity),,使其在下降過程中測量不同深度的聲速,。因此,保證拋棄式聲速儀和水面上位機(jī)的通信便尤為重要,。
與陸地上的通信方式相類似,,在海洋水下通信方面也可以分為有線通信和無線通信[2]。兩者各自有其優(yōu)缺點,。水下無線通信結(jié)構(gòu)簡單,,但功耗較大,成本較高,,其中最常用的為采用擴(kuò)頻技術(shù)的水聲通信,。有線通信則在長距離通信方面更有優(yōu)勢,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜,。根據(jù)實際工程的需要,,XSV的通信系統(tǒng)采用有線方式進(jìn)行。以漆包線作為有線通信系統(tǒng)的信道,,既可以保證通信質(zhì)量,,又可以用來判斷拋棄式儀器的下落距離。此外,,上位機(jī)可通過漆包線傳送激勵信號,,從而控制水下測量系統(tǒng)的開啟,在工程中,,具有較強(qiáng)的實用性,。
1 系統(tǒng)的總體構(gòu)成及原理
1.1 系統(tǒng)的總體構(gòu)成
整個投棄式聲速系統(tǒng)可分為三部分,分別為水下測量系統(tǒng),、水上數(shù)據(jù)解調(diào)系統(tǒng),、上位機(jī)顯示系統(tǒng)[3]。其中,,水下測量系統(tǒng)為測量探頭并配以水下測量電路,,負(fù)責(zé)在下降過程中對不同深度的海水環(huán)境進(jìn)行聲速的測量,并將測得的數(shù)據(jù)通過漆包線傳輸給水上解調(diào)系統(tǒng)[4]。為加強(qiáng)傳輸信道的抗干擾能力,,XSV的通信信道采用差分式傳輸結(jié)構(gòu),,即采用單根雙股、帶絕緣涂層的金屬漆包線,。隨著XSV的不斷下沉,,漆包線線軸也不斷展開,該漆包線直徑小且柔軟,,不會影響水下測量儀的運行軌跡,。水上數(shù)據(jù)解調(diào)系統(tǒng)解調(diào)完成后,通過串口發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行顯示,,通過對測量數(shù)據(jù)的分析,,可用來繪制對應(yīng)海洋領(lǐng)域的聲速曲線。
1.2 漆包線通信調(diào)制解調(diào)方式選擇
為滿足1 500 m通信距離的要求,,提高抗干擾能力,,該系統(tǒng)采用數(shù)字通信方式。在實際測量中,,存在以下干擾因素,。首先,漆包線本身帶有分布電容和分布電感,,而且隨著漆包線的展開,,漆包線的形狀發(fā)生變化,,分布參數(shù)也隨之發(fā)生變化,,從而構(gòu)成了一個復(fù)雜的濾波系統(tǒng)[5],影響測量的準(zhǔn)確性,。其次,,海水作為弱導(dǎo)體,也會在傳輸線上產(chǎn)生耦合電容效應(yīng)[6],。因此,,在數(shù)字通信選擇上,該課題采用數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng),。經(jīng)實驗研究,,雖然信號在傳輸過程中受到干擾,但很好地保持了相位特性[7],,因此,,采用了2DPSK的調(diào)制解調(diào)方式,其模型如圖1所示,。
其中:
其中:a為信號振幅,,n1(t)為y1(t)上的噪聲,n2(t)為y2(t)上的噪聲,n1(t)與n2(t)相互獨立,。r為解調(diào)器輸入端的信噪比,。
在相同條件下,利用2ASK和2FSK方式進(jìn)行調(diào)制和解調(diào)的誤碼率分別為和
,。
通過以上分析可知,,在同等條件下與2ASK和2FSK方式相比,利用2DPSK方式進(jìn)行調(diào)制解調(diào)誤碼率最低,,是一種較為理想的數(shù)字信號傳輸方式,。
2 硬件設(shè)計
硬件系統(tǒng)總框圖如圖2所示,該電路系統(tǒng)由電源模塊,、單片機(jī)模塊,、通信模塊、高壓偏置模塊以及放大濾波電路組成,。其中,,單片機(jī)模塊中核心處理器采用ARM公司生產(chǎn)的基于Cortex-M4內(nèi)核的STM32F407芯片。該芯片主頻最高速率可到168 MHz,,可滿足軟件濾波,、解調(diào)對于時間的要求,從而可在無FPGA或其他專用解調(diào)芯片的情況下,,同時完成數(shù)據(jù)采集,、軟件濾波、數(shù)據(jù)解調(diào)的功能,,在極大程度上簡化了電路,,節(jié)約了資源。
該解調(diào)系統(tǒng)大致工作流程為,,系統(tǒng)上電后,,通過高壓模塊電路的升壓,產(chǎn)生約95 V的偏置電壓,,該電壓作為激勵電壓,,喚醒水下測量系統(tǒng),進(jìn)入工作狀態(tài)[8],。水下測量系統(tǒng)測得數(shù)據(jù)后,,通過2DPSK調(diào)制,會將數(shù)據(jù)以800 b/s的數(shù)據(jù)傳輸速率通過單根雙股漆包線以差分形式發(fā)送至水上解調(diào)板,。解調(diào)板首先對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行初級的硬件放大和濾波,。隨后,單片機(jī)通過片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換器對初級處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并對采集后的數(shù)據(jù)進(jìn)行軟件解調(diào),。最后,,通信模塊將解調(diào)后的數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)進(jìn)行實時顯示,。
2.1 高壓偏置模塊電路設(shè)計
該設(shè)計引入高壓偏置模塊,在解調(diào)系統(tǒng)上電后,,會通過高壓偏置模塊產(chǎn)生高壓,,該高壓會通過水下測量系統(tǒng)的光電隔離模塊產(chǎn)生測量開啟信號,從而喚醒水下測量系統(tǒng),,進(jìn)入工作狀態(tài),。實際電路設(shè)計如圖3所示,高壓偏置模塊的升壓部分采用HV857芯片,,該芯片是針對冷光燈片設(shè)計的高壓驅(qū)動芯片,。該芯片的常規(guī)用法為通過在Rsw、REL引腳加入輸入信號,,芯片會在VA,、VB引腳產(chǎn)生對應(yīng)頻率的驅(qū)動冷光燈片的信號。在該設(shè)計中,,通過對電路稍作調(diào)整,,在Rsw、REL端直接接入5 V電源,,該芯片會在CS引腳端產(chǎn)生幅值約為95 V的直流高壓信號,,該信號可作為電路中的偏置信號使用。
2.2 放大濾波電路設(shè)計
水下測量系統(tǒng)測得的數(shù)據(jù)傳輸至解調(diào)系統(tǒng)的過程中,,經(jīng)過漆包線的傳輸,,信號將大幅衰減,并引入干擾成分,。因此在解調(diào)系統(tǒng)的接收端,,首先進(jìn)行初級的放大和濾波。
如圖4所示,,該電路運放采用儀器放大器,,儀器放大器具有輸入阻抗高,、共模抑制比高的特點,,適合精密信號的放大。在差分輸入端,,進(jìn)行RC高通濾波,,濾除直流和低頻干擾成分。經(jīng)過放大后的信號要進(jìn)入單片機(jī)的A/D端,,而單片機(jī)A/D采集部分無法識別負(fù)電壓,,因此,在運放的參考端,,加入2.5 V的偏置電壓,。經(jīng)過運放放大后的信號,在輸出端進(jìn)行RC低通濾波,濾除高頻干擾,。最終,,信號進(jìn)入單片機(jī)的A/D采集端。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
該系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計,,以主程序為主線,,包括A/D數(shù)據(jù)采集程序、濾波程序,、延時相乘解調(diào)程序,、抽樣判決程序、CRC校驗程序,。
進(jìn)入主函數(shù)后,,首先對各個模塊進(jìn)行初始化。為保證數(shù)據(jù)濾波和解調(diào)對于時間的要求,,該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸采用DMA模式,,即不經(jīng)過CPU而直接從內(nèi)存存取數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)交換模式,極大程度節(jié)省了系統(tǒng)資源,。數(shù)據(jù)傳輸速率為800 b/s,,為保證解調(diào)準(zhǔn)確性,該系統(tǒng)設(shè)計A/D采樣速率為每周期采樣16個點,,即采樣速率為12.8 kS/s,。在濾波器部分,采用FIR濾波器從而實現(xiàn)軟件濾波[9],。
數(shù)據(jù)解調(diào)過程如圖5所示,,對數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D采集后,將數(shù)據(jù)進(jìn)行帶通濾波,,濾除低頻和高頻干擾成分,,之后,對信號延時相乘,,進(jìn)行差分相干解調(diào)[10],,解調(diào)后的數(shù)據(jù)因為乘積解調(diào)的作用,會引入高頻干擾成分,,因此之后要對數(shù)據(jù)進(jìn)行低通濾波,,濾除高頻干擾,保留數(shù)據(jù)的有效成分,。隨后進(jìn)行抽樣判決,。判決完成后,系統(tǒng)會綜合之前收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)結(jié)束標(biāo)志位的判別,,并對接收到的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行CRC校驗,。如果校驗成功,,證明數(shù)據(jù)無誤碼,系統(tǒng)會將該幀數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)進(jìn)行顯示,。如果校驗失敗,,證明在傳輸和解調(diào)過程中出現(xiàn)誤碼,則丟棄該幀數(shù)據(jù),,重新回到A/D采集部分,,繼續(xù)對下一幀數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。
4 測試方案和測試結(jié)果
4.1 硬件測試
硬件電路制作完成后,,首先保證各模塊工作在正常狀態(tài),。其次,對放大電路的放大性能,,對數(shù)字電路的數(shù)據(jù)處理速率做進(jìn)一步的測量與分析,,驗證硬件電路的可行性。
4.2 軟件仿真測試
通過MATLAB軟件對原始信號進(jìn)行分析,,可在原理上對系統(tǒng)解調(diào)方案進(jìn)行可行性分析,。仿真結(jié)果如圖6~圖10所示,其中圖6為采集信號的原始波形圖,,從原始信號可以看出,,經(jīng)過漆包線傳輸后的2DPSK調(diào)制信號已經(jīng)出現(xiàn)明顯失真,無法清晰直觀地看出調(diào)制信號所傳輸?shù)男畔ⅰ?/p>
圖7為經(jīng)過帶通濾波后的波形,。經(jīng)過帶通濾波后的數(shù)據(jù)進(jìn)行移位后與自身相乘進(jìn)行差分相干解調(diào),,其效果圖如圖8所示。
最后,,對差分相干解調(diào)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行低通濾波和抽樣判決,,結(jié)果如圖9和圖10所示。
經(jīng)過MATLAB仿真解調(diào)后,,數(shù)字信號得到了清晰準(zhǔn)確的還原,。因此,該解調(diào)方案可準(zhǔn)確地對經(jīng)過漆包線傳輸?shù)?DPSK信號進(jìn)行解調(diào),,從而在理論上證明了該方案的可行性,。
4.3 實際測試結(jié)果
將水下測量系統(tǒng)和水上解調(diào)系統(tǒng)分別組裝完畢后,通過單根雙股漆包線進(jìn)行實時通信,,通信協(xié)議采用工業(yè)電子設(shè)備之間常用的Modbus通信協(xié)議,。經(jīng)過解調(diào)系統(tǒng)解調(diào)后,解調(diào)系統(tǒng)將解調(diào)信號傳送至上位機(jī)顯示,。此次測試與美國海鳥公司的Seabird 911標(biāo)準(zhǔn)儀器進(jìn)行對比,測量聲速隨溫度的變化,,測試結(jié)果特性曲線如圖11所示,。XSV在各溫度點的聲速測量值與Seabird 911測量值的誤差如表1所示,。通過對比與分析可以得出,該通信系統(tǒng)準(zhǔn)確地實現(xiàn)了數(shù)據(jù)解調(diào)及數(shù)據(jù)上傳功能,,具有較強(qiáng)的實用性,。
5 結(jié)論
本設(shè)計以STM32F407為核心處理器,并配以放大濾波,、高壓偏置等電路模塊,,通過軟件算法,實現(xiàn)了海洋投棄式聲速儀的通信系統(tǒng)設(shè)計,。在該設(shè)計中,,并未采用老式的基于FPGA或其他解調(diào)芯片的解調(diào)電路設(shè)計,而是利用STM32F407單片機(jī)主頻高的優(yōu)勢,,直接在片內(nèi)完成了對數(shù)據(jù)的解調(diào)以及數(shù)據(jù)上傳功能,,從而簡化了電路,為實際工程測量提供了便利,。通過軟件仿真和測試,,證明了該電路在復(fù)雜海洋環(huán)境中,具有可行性,、可靠性,。該通信系統(tǒng)的設(shè)計為投棄式聲速儀的數(shù)據(jù)傳輸提供了強(qiáng)有力的支持,將進(jìn)一步促進(jìn)我國海洋參數(shù)測量領(lǐng)域的發(fā)展,。
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作者信息:
范寒柏1,劉炳岳1,,吳 飛1,,李瑞琪2
(1.華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院,河北 保定071000,;2.國網(wǎng)甘肅省電力公司信息通信公司,,甘肅 蘭州730050)