海底智能封堵器水聲通信系統(tǒng)的設(shè)計

0 海底智能封堵器水聲通信概述
    智能封堵器應(yīng)用于海底管道的維修作業(yè)時，首先要解決的是在深海處如何實現(xiàn)平臺母船與管道之間的即時通信。本文研究的是從海上平臺發(fā)出的數(shù)據(jù)指令信號到達管道上方接收器之間的通信過程。由于海底環(huán)境的特殊性，故采用水聲無線通信方式。智能封堵器通信信號流程如圖1所示。計算機指令信息首先轉(zhuǎn)換成聲信號在海洋環(huán)境下傳輸，最后轉(zhuǎn)換成ELF電磁波信號，利用電磁波信號穿透泥土、海水、管壁，指導(dǎo)管道內(nèi)的智能封堵器工作。

    智能封堵器海底通信中的水聲通信系統(tǒng)部分主要研究的是從母船或平臺計算機操作界面發(fā)出指令數(shù)據(jù)，將數(shù)字信號經(jīng)由Modem轉(zhuǎn)換調(diào)制成模擬信號，經(jīng)過功率放大匹配電路，送至水聲換能器，轉(zhuǎn)換成聲信號。

1 水聲通信系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計
    用于海底管道的智能封堵器，要攻克的技術(shù)難關(guān)之一是如何實現(xiàn)智能封堵器的水上水下通訊，以完成平臺的遙控操作。由于海洋環(huán)境的特殊性，故采用了水聲無線通信方式。水聲通信系統(tǒng)的設(shè)計方法通常取決于系統(tǒng)為克服多徑干擾和相位起伏所采用的不同技術(shù)。這些技術(shù)可分為兩個方面：一是對信號的設(shè)計，即系統(tǒng)調(diào)制／解調(diào)的方案設(shè)計；二是發(fā)射／接收設(shè)備的結(jié)構(gòu)，即系統(tǒng)的幀處理及均衡方案的設(shè)計。根據(jù)對目前已有的水聲通訊技術(shù)的調(diào)研和智能封堵器的實際應(yīng)用環(huán)境和特點；本文提出了如圖2所示的水聲通訊方案。整套通訊系統(tǒng)主要由海上控制中心、外部通訊鏈路、以及遙控執(zhí)行機構(gòu)三個邏輯子系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)主要是基于聲波和超低頻電磁波來進行雙向通訊。

    此通訊系統(tǒng)分為水上收／發(fā)和水下收／發(fā)通訊系統(tǒng)兩部分。水上部分由計算機、Modem、收／發(fā)濾波放大電路和雙向換能器組成，水下部分由水下雙向換能器、收／發(fā)放大濾波電路、水聲／ELF轉(zhuǎn)換電路和ELF-Modem+單片機控制系統(tǒng)組成。因為信號均為收／發(fā)雙向傳遞，所以采用雙向換能器，雙向換能器內(nèi)部既有發(fā)射器又有水聽器，既可發(fā)送聲波信號又可接收聲波信號。經(jīng)過調(diào)研和選型，筆者采用的水聲發(fā)射換能器是淺海圓柱型壓電陶瓷換能器FSQ-37。
    Modem將計算機指令信息調(diào)制成換能器工作頻帶上的電信號，此電信號經(jīng)過功率放大后送給水上雙向換能器發(fā)射，經(jīng)換能器發(fā)射后變?yōu)槁暡ㄐ盘栐谒袀鬏?，水下雙向換能器接收到聲波信號后再將其轉(zhuǎn)換為電信號，由于信號在水中傳輸?shù)倪^程中會有所衰減，并伴隨著一些干擾，所以這個轉(zhuǎn)換后的電信號必須經(jīng)過放大濾波后再經(jīng)水聲／ELF轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成ELF電磁波信號發(fā)射，ELF電磁波信號可穿透泥土、海水和管壁被管道內(nèi)的ELF-Modem+單片機控制系統(tǒng)所接收，經(jīng)ELF-Modem解調(diào)后變成邏輯電平指令送給單片機，單片機將收到的指令解析后控制封堵器完成各種動作，這樣就完成了一次信號的單向傳輸。
    此外，封堵器在執(zhí)行指令過程中，其上的傳感器將檢測到的信號傳送給單片機，管道內(nèi)的單片機將這些溫度、壓力和封堵器狀態(tài)等數(shù)據(jù)送回海上的計算機進行監(jiān)測和計算，這樣計算機就可以了解封堵器的運行情況，并根據(jù)反饋信號隨時調(diào)整控制指令。這個信息的傳送過程是先由單片機將邏輯電信號送給ELF-Modem，經(jīng)ELF-Modem調(diào)制后變?yōu)镋LF電磁波穿過管壁，被水聲／ELF轉(zhuǎn)換電路接收后轉(zhuǎn)換為換能器工作頻帶上的電信號，此電信號再經(jīng)過功率放大后送給水下雙向換能器，發(fā)射器發(fā)射的聲波信號由下至上在水中傳輸，到達水上后被水上的換能器接收并變?yōu)殡娦盘?，?jīng)過放大送給Modem解調(diào)后再送給計算機，完成由海底到海面的單方向傳輸。為實現(xiàn)全雙工的傳輸，水聲和ELF通訊都分別使用雙信道進行通訊，即收／發(fā)采用不同的信道。
    水聲通訊的關(guān)鍵在于實現(xiàn)基于Modem的水聲調(diào)制解調(diào)技術(shù)，以便可靠地收／發(fā)數(shù)據(jù)。在通訊系統(tǒng)方案確定之后，進行水試試驗找到最佳發(fā)射、接收頻率作為水下通信傳輸?shù)妮d波頻率。水上PC機的人機交互程序和串行通信程序采用Visual Basic 6．0編寫。采用FSK方式傳送數(shù)字信息控制載波的頻率，將數(shù)字信息調(diào)制到水聲換能器的工作頻帶上，推動水聲換能器把電能轉(zhuǎn)化為聲波發(fā)射出去。

2 通信試驗線路的搭建
    考慮到自制一個Modem不僅要重新設(shè)計和調(diào)試電路，而且還要編寫復(fù)雜的通訊協(xié)議，因此通訊所用的Modem為TP-LINK的TM-EC5658V外置式Modem，這種Modem技術(shù)成熟，編程方便，編寫計算機到Modem之間的通訊程序，可利用Ⅶ中的MSComm控件來實現(xiàn)。又由于這種Modem的通訊協(xié)議是開放式的，因此即使是用單片機也可較容易地編寫單片機至Modem之間的通訊程序。雖然使用成品的Modem給編程帶來了方便，但是由于成品的Modem的工作載頻在300～3400Hz，一般采用FSK調(diào)制方法時，用特殊的音頻范圍來區(qū)別發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)。如調(diào)頻Modem發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的二進制邏輯信號被指定的專用頻率是：發(fā)送時信號邏輯0的頻率為1070Hz，信號邏輯1的頻率為1270Hz，接收時信號邏輯0的頻率為2025Hz，信號邏輯1的頻率為2225Hz。這樣的調(diào)制頻率與換能器的工作頻帶相差較遠，本文所選用的FSQ-37換能器的頻帶寬度在20～46kHz之間，很明顯，從Modem出來的載波信號不能直接送給換能器，必須經(jīng)過變頻后轉(zhuǎn)換到換能器的工作頻帶，再經(jīng)過放大濾波后送給換能器轉(zhuǎn)換為聲波信號進行發(fā)射。因此在Modem和濾波放大電路之間還要設(shè)計一個變頻器用來轉(zhuǎn)換Modem和換能器的發(fā)射頻率?？紤]到以上因素后海上部分的通訊鏈路的搭建如圖4所示：

    在圖4中計算機發(fā)出的信號通過RS-232送給Modem，經(jīng)Modem調(diào)制后把計算機信息變?yōu)槟M量，送給變頻器，變頻器將Modem的調(diào)制信號轉(zhuǎn)換為換能器的工作頻率后再送給濾波放大電路，驅(qū)動換能器發(fā)射聲信號將數(shù)據(jù)信息傳送至海底。
    由于本文不涉及ELF通訊方式，所以在搭建海下接收通訊鏈路時作了部分簡化，海底接收端的模擬通訊鏈路如圖5所示。

    在圖5中，海底的換能器將收到的聲波信號轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)濾波放大后送給變頻器轉(zhuǎn)換為Modem的載頻信號，Modem將收到信號解調(diào)后送至單片機，完成一次單項數(shù)據(jù)信息傳輸。從單片機向計算機逆向傳輸信息的原理與上述原理相同，只是信息的發(fā)起端不同而已。

3 單片機的選型
    由于海底封堵維修工作時的長時間、供電條件限制等制約因素，因此單片機的選型，主要從單片機工作的可靠性、節(jié)能性、工作速度和通訊接口的設(shè)計出發(fā)。經(jīng)過調(diào)研選擇ATMEL公司的ATmega系列高性能、低功耗的8位AVR微處理器ATmegal69，ATmega169具有以下特性：
    (1)先進的RISC結(jié)構(gòu)。130條指令，大多數(shù)指令執(zhí)行時間為單個時鐘周期；32個8位通用工作寄存器；全靜態(tài)工作；工作于16MHz時性能高達16MIPS；只需兩個時鐘周期的硬件乘法器。
    (2)非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲器。16k字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash；擦寫壽命：10000次；具有獨立鎖定位的可選Boot代碼區(qū)；通過片上Bo-ot程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程；真正的同時讀寫操作；512字節(jié)的EEPROM；擦寫壽命：100000次；1k字節(jié)的片內(nèi)SRAM。
    (3)可以對鎖定位進行編程以實現(xiàn)用戶程序的加密。JTAG接口(與IEEE1149．1標準兼容)；符合JTAG標準的邊界掃描功能；支持擴展的片內(nèi)調(diào)試功能；通過JTAG接口實現(xiàn)對Flash、EEPROM、熔絲位和鎖定位的編程。
    (4)外設(shè)特點。4×25段的LCD驅(qū)動器；兩個具有獨立預(yù)分頻器和比較器功能的8位定時器／計數(shù)器；一個具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16位定時器／計數(shù)；具有獨立振蕩器的實時計數(shù)器RTC；四通道PWM；8路10位ADC；可編程的串行LISART；可工作于主機／從機模式的SPI串行接口；有開始狀態(tài)檢測器的通用串行接口USI；具有獨立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器；片內(nèi)模擬比較器；引腳電平變化可引發(fā)中斷及喚醒MCU。
    (5)特殊的微控制器特點。上電復(fù)位(POR)以及可編程的掉電檢測(BOD)；經(jīng)過校準的片內(nèi)RC振蕩器；片內(nèi)、片外中斷源；休眠模式：空閑模式、ADC噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式和Standby模式。
    (6)I／O口與封裝。53個可編程的I／O口；64引腳TQFP封裝與64引腳MLF封裝。
    (7)工作電壓。ATmega169V：1．8～5．5V；ATmega169L：2．7～5．5V；ATmegal69：4．5～5．5V。
    (8)工作溫度范圍。-40℃至85℃，工業(yè)級。

4 總結(jié)
    根據(jù)本文中提出的通信方案，對計算機所發(fā)出的指令信號已經(jīng)傳遞至Modem，轉(zhuǎn)換成換能器所接受的頻帶范圍，實驗過程中已取得了良好的效果。目前根據(jù)選用的單片機型號正在進行單片機系統(tǒng)電路的設(shè)計。此水聲通信系統(tǒng)不僅適用于智能封堵器，可以很好地進行水下數(shù)據(jù)傳送，還可應(yīng)用在其他海洋、湖泊的通信環(huán)境中，具有較高的可移植性，只需更改其中的通信協(xié)議即可。