實現(xiàn)纜道水下信號無線傳輸?shù)囊环N方式

□游巍亭 □王 冰 □司文青

（河南省許昌水文水資源勘測局）

實現(xiàn)纜道水下信號無線傳輸?shù)囊环N方式

□游巍亭 □王 冰 □司文青

（河南省許昌水文水資源勘測局）

水下信號是流量測驗的關(guān)鍵信息，要想使測流歷時短、測流精度高，特別是能夠被計算機識別，就必需有可靠穩(wěn)定的編碼和傳輸方式。本文簡要介紹了實現(xiàn)纜道水下信號無線傳輸?shù)囊环N方式。

流量測驗；纜道；水下信號；無線傳輸；DTMF編碼

一、引言

水下信號的傳輸方式，到目前為止有：有線傳輸、無線電波傳輸和無線傳輸3種。有線傳輸，是通過貫芯鋼絲繩或使用主循環(huán)索與拉偏索構(gòu)成的信號回路，將信號傳回室內(nèi)。這種傳輸方法關(guān)鍵是選用質(zhì)量好的貫芯鋼絲繩，并在纜道架設(shè)時做好線間絕緣處理，保證信號衰減小，抗干擾能力強。但對纜道要求較高，需要架設(shè)拉偏索，投資加大，壽命較短，使用范圍窄。無線電波傳輸，是傳感器與室內(nèi)接收裝置無任何聯(lián)結(jié)，完全依靠空中無線電波傳輸來接收傳感器信號。一般講，應安裝水下信號發(fā)射裝置，該裝置接收水下傳感器信號后，經(jīng)調(diào)制以無線電波方式，通過起重索露出水面部分發(fā)射，經(jīng)過空中傳輸，由岸上接收機接收，解調(diào)后還原成數(shù)字信號，再進行數(shù)據(jù)記錄和顯示。目前使用的有調(diào)幅波和調(diào)頻波兩種。使用這種方法，若能減少水中無線電波的傳輸損耗，降低發(fā)射功率及功耗，是一種頗有發(fā)展前途的信號傳輸方法。無線傳輸，是水文行業(yè)上對使用“無線回路”傳輸方式的一種叫法，并非真正意義上的“無線”，而是利用纜道循環(huán)索（或主索）和水體構(gòu)成傳輸回路。該方式適用范圍廣泛，不受有無拉偏索的限制，抗干擾能力強，并且安裝簡便，維護檢修簡單。本文介紹的實現(xiàn)纜道水下信號傳輸就是采用這種傳輸方式。

二、水下信號的采集及編碼發(fā)射

水下信號是從鉛魚及鉛魚所攜帶的流速設(shè)備等傳感器在水下所發(fā)出信號的統(tǒng)稱，包括水面信號、河底信號和流速儀信號。為了提高精度，增加可靠性，根據(jù)設(shè)備的特點，這3種信號的采集采用不同的傳感器。水下信號是流量計算的關(guān)鍵，垂線水深、流速儀轉(zhuǎn)數(shù)等測量數(shù)據(jù)都是根據(jù)水下信號來確定的，因此，測流精度很大程度上是受水下信號傳輸可靠性的影響。準確、方便、快捷是水文測量的基礎(chǔ)，在本系統(tǒng)中，水下設(shè)備由一密封倉室與一采樣傳輸板及接口、供電部分組成，該部分主要功能是準確辨別入/出水電位信號、準確識別觸底與流速信號、正確編碼控制DTMF信號。水下信號的采集及編碼發(fā)射系統(tǒng)由信號采集、點位采樣、時序分配、A/D變換、BCD編碼、DTMF發(fā)碼、DTMF輸出單元組成。該部分均用CMOS電路組成，元器件均采用貼片元件，具有使用電壓范圍寬（5～12V），極其省電，抗干擾能力強，體積小，可靠性高等特點。

（一）水面信號的采集

在采集的信號中，水面信號和河底信號是用來測量垂線水深的信號，水面信號是靠設(shè)置在鉛魚體上的一個感應觸點是否與水體接觸來判斷的。在感應觸點沒有入水之前，感應觸點與地之間的電阻無窮大（＞1M），晶體管的基極為高電平，晶體管沒有導通，集電極電阻沒有電流通過，電阻電壓降為0，因此采樣電路輸出低電平。當感應觸點入水時，由于水體的導電性，感應觸點與地之間的電阻為＜5K左右，晶體管的基極電壓變?yōu)?V左右；發(fā)射結(jié)有偏壓，發(fā)射結(jié)導通，進而晶體管導通，集電極電阻有電流通過，由于此時晶體管處于飽和狀態(tài)；因此集電極電流較大，電阻壓降為4V以上，采樣電路輸出高電平。當觸點出水時，情況相反。

（二）河底信號的采集

河底信號是通過設(shè)置在鉛魚體底部的一個河底托板是否被河底托起并觸發(fā)開關(guān)來判斷的。在鉛魚到達河底之前，托盤沒有托起，開關(guān)斷開，當鉛魚到達河底時，托盤托起，開關(guān)接通，發(fā)出河底信號。信號一般采用水銀開關(guān)、干簧管來采集。

（三）流速儀信號的采集

流速儀信號是用來測量施測點流速的信號。流速儀在進行流量測驗時，被固定在鉛魚上，通過纜道控制，隨著鉛魚一起被送到測流斷面中所指定的位置。信號的傳感器是流速儀內(nèi)部的接觸絲，每當流速儀接觸絲接觸一次，就會有一個流速信號發(fā)出。由于接觸絲的彈性作用，在流速儀接觸絲接觸的一瞬間及斷開的一瞬間，接觸絲有一個劇烈的抖動過程，針對流速儀的抖動問題，為了防止因抖動引起干擾并產(chǎn)生誤信號，采集電路要設(shè)置去抖動電路，去抖動電路一般采用R—S觸發(fā)器實現(xiàn)。本系統(tǒng)采用軟、硬件雙重去抖動的方法，流速儀輸出的脈沖信號由電壓甄別電路對＜30ms的抖動進行消除，＞30ms且＜300ms的長抖動由單片機進行軟件消除。

三、水下信號的傳輸

對纜道測流而言，需要的水下信號同時有流速、水面、河底等3種。如上所述，用直流形式傳遞將非常困難，因此將“無線回路”傳輸和無線電波傳輸相結(jié)合。用載波的形式，將水面、流速、河底信號調(diào)制成不同頻率的信號，同時考慮到諧波干擾及變頻器的干擾，水面信號的調(diào)制頻率為2260Hz，流速信號的調(diào)制頻率為2627Hz，河底信號的調(diào)制頻率為1830Hz；經(jīng)纜道傳向纜道控制室內(nèi)，由信號接收器接收后，由相應的3個低頻帶通濾波器，分離出水面、流速、河底等信號，送相應的計數(shù)、控制執(zhí)行電路。此方法除能接收多種信號外，對纜道上的各種干擾有很強的抵抗能力，除能很好完成一般纜道測流測深外，還可實施動態(tài)測流測深。信號傳輸由水下發(fā)射部分和水上接收部分組成。

四、水下信號的接收

水下信號接收部分是由輸入電路、濾波電路、解碼電路、控制顯示與信息傳輸部分組成。水下信號接收部分主要作用是高靈敏、高可靠地接收采樣傳輸器發(fā)送的DTMF信令，準確解碼濾波數(shù)據(jù)處理傳送給計算機，正確顯示信息。水下信號經(jīng)直流隔離器送入低通放大器，經(jīng)整理的水下信號送入解碼器解碼，雙向保護單元對外部進來的干擾大信號起抑制作用，有用信號為600～1700Hz，低通濾波器的截止點設(shè)在2000Hz，有利于濾除無用信號。

所接收到的每一個信號都分別以3種形式輸出：第一種方式是以聲音的形式輸出，從聽覺上提示操作者。水面（入水）信號是1s時長的“嘀”聲，出水信號是2s時長的“嘀”聲，觸底信號是長音“嘀”聲，響聲一直持續(xù)到鉛魚從河底提起河底開關(guān)斷開，流速儀信號是0.5s時長的“嘀”聲。操作人員稍微熟悉后就可以從聲音上區(qū)分出不同的信號。第二種方式是以發(fā)光二極管的形式來輸出，從視覺上提示操作者。水面（入水）信號、出水信號、觸底信號和流速儀信號分別用4個發(fā)光二極管在接收盒前面板上顯示出來。操作人員可以清楚地從發(fā)光二極管位置及面板標注文字上明確區(qū)分不同的信號。第三種方式是以8421編碼的形式輸出，該路輸出通過串口向計算機發(fā)送所接收到的不同信號。水面（入水）信號的編碼是“1”，出水信號的編碼是“8”，觸底信號的編碼是“4”，流速儀信號的編碼是“2”。計算機可以準確接收并區(qū)分出不同的信號。

該設(shè)備研制完成后，經(jīng)過多年的使用，信號采集靈敏度高，信號傳輸穩(wěn)定，信號接收、輸出可靠。該設(shè)備既可以單獨應用到纜道流速儀法流量測驗中使用，也可以作為計算機控制測流中的信號配套設(shè)備使用。

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[5]曾家智，向世清.微型計算機系統(tǒng)與接口[M].電子科技大學出版社.

游巍亭（1972-），男，工程師。從事水文測驗及水資源保護工作。

2010-04-15