智能封堵器水上通信中单片机系统电路的设计

摘要：为了实现封堵器海洋工作环境中的无线遥控动作，封堵器在海底工作中采用了水声通信技术。文章首先介绍了水声通信系统的整体设计。在前期工作中，从影响水声通信的因素出发，对水声通讯频率的选择及水声换能器的选型进行了研究，确定了水声通讯的载波频率。在此基础上提出了基于单片机的水声Modem的制作方案，设计了单片机系统电路。并对单片机至Modem的电路进行了初步调试，实现了单片机到Modem的初始化连接。完成了信号接收滤波放大电路线路的设计和制作。
关键词：封堵器：单片机；水声换能器；调制解调器

1 智能封堵器水声通信系统
    用于海底管道的智能封堵器，重要的是如何实现其水上水下通讯系统，以完成平台的遥控操作。整套通讯系统主要由海上控制中心、外部通讯链路、以及遥控执行机构三个逻辑子系统组成。该系统主要是基于声波和超低频电磁波来进行双向通讯。由于海洋环境的特殊性，故采用了水声无线通信方式。
    封堵器通讯系统分为水上收／发和水下收／发通讯系统两部分。水上部分由计算机、Modem、收／发滤波放大电路和双向换能器组成；水下部分由水下双向换能器、收／发放大滤波电路、水声／ELF转换电路和ELF-Modem+单片机控制系统组成。因为信号均为收／发双向传递，所以采用双向换能器，双向换能器既可发送声波信号又可接收声波信号，即换能器的内部既有发射器又有水听器。在前期工作中，提出了如图1所示的水声通讯方案。本文就单片机控制系统电路做了以下设计。

2 单片机系统的设计
    单片机系统主要由电源、A／D转换、PWM调节电路、主控电路、串行通讯以及为调试电路方便而设计的开关不进和显示电路等组成。
2．1 主控电路的设计
    单片机系统的主控电路如图2所示。主芯片ATmega169的PC0-PC7作为显示控制端口，PA0-PA7在C语言编程环境定义为Din 1至Din 8即TTL电平数字输入，PD0-PD7为数字量输入通道，PF0-PF7为模拟量输入通道，PB5、PB6作为PWM控制以备控制简单的机械动作，PE0、PE1作为通讯端口，PE2-PE5接DIP开关为调试程序方便所设置。另外还有中断和蜂鸣器的设置等。ATmega169的23、24脚接晶振，为ATmega169提供时钟。

2．2 通讯电路的设计
    单片机的通讯采用RS-232接口进行，如图3所示，单片机的TXD和RXD信号两根信号线分别接到MAX232的第9、10脚。

    由于单片机串口的电平为TTL电平，必须先转换为 RS-232电平才能与Modem通信。图中采用MAX232芯片实现单片机和Modem的连接，进行电平转换。
    单片机虽然有串行I／O口，但不具有RTS、CTS、DTR、DSR等标准接口握手信号线。考虑到单片机与上位机的通信量并不大，所以在连接时采用简单的“三线式”，即只通过TXD、RXD和地线GND进行连接，其他信号在对Modem初始化时发送AT命令将其忽略。若想使系统更紧凑些，还可采用单片机外接一个8250通讯接口芯片的形式构成Modem+单片机系统。
    将各部分电路组合在一起就构成了单片机系统，最后做成的电路板如图4所示。

3 信号的滤波放大电路设计
    水下换能器接收到的声信号干扰多、幅值小，要得到可靠的载波信息，首先应将接收到的信号进行滤波放大，然后传送至水下Modem解调出载波信息。此处的接收电路设计包括带通滤波电路设计和信号放大电路设计。水试中采用了低阶带通滤波电路，信号放大选用了放大增益范围较宽的集成芯片AD620。
    水试实验之前利用MATLAB软件中的数字信号处理功能创建仿真数字带通滤波器。按照课题的要求，确定滤波器的性能指标，利用MATLAB中的窗函数设计一带通滤波器。使f1=100Hz，f4=250Hz两种频率的信号被滤去，f2=150Hz，f3=200Hz的信号则被保留。

    由图5的比较可以看出，信号中频率为150Hz和200Hz的两种成分被保留了下来。这说明此带通滤波器的性能满足了指标要求。

4 利用AD620设计信号放大电路
    AD620为一个低成本、高精度的仪器放大器，8脚SOIC塑封外形。AD620具有体积小、功耗低、噪声小及供电电源范围广等特点。
    在实验未加放大电路之前接收到的信号波形幅值在22～28mV之间，为了满足下一步解调电路的输入信号要求，根据多次实验接收信号效果选择放大增益G取200，根据公式可以计算出外部控制电阻RG选为248．2Ω。经过放大后的信号电压幅值在4．5～5．5V范围之间，满足了Modem的输入信号要求。

5 滤波放大电路的实现
    水试实验中硬件滤波放大电路设计见图6。带通滤波电路是由基本的高通滤波器和低通滤波器级联组成。电路中各电阻元器件的取值根据滤波频率范围计算得到。

    电路中电容C1与C2取为0．1μF，fH、fL分别为36kHz和34kHz。电阻元件的参数计算公式分别为：R1=1／2πfHC1，R2=1／2πfLC2R2。把C1、C2与ffH、fL的数值分别代入以上公式，计算得出R1=44．23Ω，R2=46．83Ω。
    电路中电源解耦是一个经常被忽视的重要细节。通常，旁路电容器(典型值为0．01μF)连接在每个IC的电源引脚和地之间。尽管通常情况下是合适的，但是在实际应用中可能无效或产生比没有旁路电容器更坏的瞬态电压。因此考虑在电路中对芯片的电源引脚与参考端REF在电路板上的连接地点之间分别加上0．01μF的旁路电容。

6 总结
    根据本文中设计的硬件电路，先利用Multisim软件对设计电路进行了仿真分析，均取得了良好的效果。后按图制作了实际的电路用于信号的滤波放大。