海底智能封堵器水聲通信系統(tǒng)的設(shè)

　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(jìn)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(yuǎn)，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(jìn)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(jìn)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(dá)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(jìn)行編程以實現(xiàn)用戶程序的加密。JTAG接口(與IEEE1149．1標(biāo)準(zhǔn)兼容)；符合JTAG標(biāo)準(zhǔn)的邊界掃描功能；支持?jǐn)U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(zhǔn)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(jìn)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(jìn)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。