基于無線通信的水下航?？刂葡到y(tǒng)研究與實現(xiàn)

易金橋，譚建軍，廖紅華，孫先波

(湖北民族學(xué)院信息工程學(xué)院，湖北恩施445000)

通信聲納主要由發(fā)射機、換能器、接收機、顯示器、定時器和控制器等構(gòu)成，主要用于水下艦艇之間、水面艦船與水下艦艇之間近距離通信［1］，但是，由于通信聲納傳輸?shù)木嚯x有限，容易受噪聲干擾、系統(tǒng)復(fù)雜，目前水下艦艇與外界通信大多采用甚低頻無線電波［2］.眾所周知，由于電磁波在水中衰減迅速，為了有效接收和發(fā)射電磁波，水下艦艇需要采用無線電波通信時必須浮出水面或者將天線升出水面，非常容易暴露自己的位置信息，降低自身的隱蔽性.研究表明，由于水對電磁波有較強的衰減作用，使得無線電波的水下通信系統(tǒng)研究成為世界難題［3－4］.

隨著工業(yè)、軍事和精細(xì)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)技術(shù)的發(fā)展［5］，越來越多的應(yīng)用領(lǐng)域需要使用淺水區(qū)域水下探測技術(shù)，采用傳統(tǒng)的聲納與無線電波相結(jié)合的通信方式對于多點分布式探測環(huán)境顯得過于復(fù)雜［6］，采用甚低頻無線電波通訊技術(shù)的通信速率達(dá)不到數(shù)據(jù)傳輸要求，因此，在比較上述通信方式優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，采用中波(507 kHz)通信可以有效降低電磁波在水中的衰減［7－8］，又可以提高信號的傳輸速率，實現(xiàn)多個接受終端的集中管理和控制.

本文采用HT6221編碼［9］和CD9088解碼技術(shù)［10］、以MSP430單片機為控制核心［11］，設(shè)計了一種基于電磁波的水下無線通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括陸基控制平臺、水下航模和水面?zhèn)鲃訂卧?2］，其中水下航模采用中波(507 kHz)與陸基控制平臺通信，采用紅外光波與水面?zhèn)鲃訂卧ㄐ?實驗結(jié)果表明，本系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定好、誤碼率低、通信距離遠(yuǎn)和擴展性強等優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用于國防、工業(yè)和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域，具有一定的科學(xué)研究價值和社會意義.

1 系統(tǒng)原理

本系統(tǒng)由陸基控制平臺、水下航模和水面?zhèn)鲃訂卧糠謽?gòu)成，其中陸基控制平臺相當(dāng)于指揮控制中心，通過無線電波將控制信號發(fā)送給水下航模，水下航模接收到陸基控制平臺的指令后，將電機控制信號通過紅外光波發(fā)送給水面?zhèn)鲃訂卧鎮(zhèn)鲃訂卧邮盏剿潞侥５闹噶詈?，?qū)動直流電機執(zhí)行相應(yīng)動作，而陸基控制平臺與水面?zhèn)鲃訂卧g無通訊.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.

陸基控制平臺主要由鍵盤電路、HT6221編碼電路、507 kHz信號源、射頻功率放大模塊組成，實現(xiàn)陸基控制平臺與水下航模之間的電磁波(507 kHz)通信.采用HT6221芯片實現(xiàn)編碼調(diào)制，由MAX038函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生507 kHz中波信號，經(jīng)MAX038的Fadj端輸入38 kHz的HT6221編碼信號，實現(xiàn)編碼信號的頻率調(diào)制，調(diào)制信號經(jīng)過功率放大電路放大后，由L型天線發(fā)射輸出.陸基控制平臺結(jié)構(gòu)框圖如圖2(a)所示.

水下航模主要由MSP430單片機、濾波電路、低噪聲放大電路、507 kHz本振信號源、狀態(tài)指示LED、紅外光波發(fā)射模塊等組成，實現(xiàn)水下航模與陸基控制平臺的電磁波通信和水下航模與水面?zhèn)鲃訂卧募t外光波通信，同時利用水下航模上的LED狀態(tài)指示電路分別模擬航模前進、倒車、停車、左、右轉(zhuǎn)彎等功能;水下航模選用調(diào)頻專用集成電路CD9088實現(xiàn)507 kHz中波信號的解調(diào)，提取來自陸基控制平臺的編碼信號，將該解碼信號送入電壓比較器和觸發(fā)器處理后，得到標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平信號.該水下航模的封裝是采用密封的有機玻璃制作，長度為10 cm、寬度為10 cm、高度為5 cm.水下航模結(jié)構(gòu)框圖如圖2(b)所示.

水面?zhèn)鲃訂卧潭ㄔ谒鏅M梁上，懸掛水下航模的懸索固定在直流電機上，懸索選用塑料卷尺.水面?zhèn)鲃訂卧饕蒑SP430單片機、紅外光波接收電路、電機驅(qū)動電路、直流電機、液晶顯示等模塊組成，用于接收水下航模的狀態(tài)指令，控制懸索收、放來實現(xiàn)水下航模上浮和下潛等，通過光電門測量懸索的位移，實現(xiàn)航模在水下的精確定位.水面?zhèn)鲃訂卧Y(jié)構(gòu)框圖如圖2(c)所示.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Block diagram of system

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Block diagram of system

2 系統(tǒng)主要硬件電路設(shè)計

2.1 HT6221鍵盤編碼電路

陸基控制平臺采用Holtek公司生產(chǎn)的多功能編碼芯片HT6221，采用PPM(Pulse Position Modulation)進行編碼，不同的按鍵表示上升、下降、前進、后退、停車、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等控制信號，按鍵通過HT6221編碼芯片編碼后，OUT1輸出38 kHz的編碼信號，通過507kHz中波調(diào)制后，經(jīng)過功率放大、阻抗匹配，最后由L型天線輸出.為了提高天線的輻射效率，L型天線與地面平行的部分采用20cm寬的銅板.HT6221鍵盤編碼電路原理圖如圖3所示.

圖3 HT6221鍵盤編碼電路Fig.3 HT6221encoding circuit for keyboard

2.2 頻率調(diào)制與發(fā)射電路

MAX038是高頻精密函數(shù)信號發(fā)生器，具有頻率高、精度好等優(yōu)點，廣泛用于設(shè)計鎖相環(huán)、壓控振蕩器、頻率合成器、脈寬調(diào)制器等電路，本系統(tǒng)采用MAX038產(chǎn)生507 kHz基波信號，頻率調(diào)制IN1輸入的38 kHz編碼信號(圖3所示OUT1)后，輸出給功率放大電路.陸基控制平臺的功率放大電路采用TI公司的OPA561芯片，OPA561是典型的電流型運放，滿功率狀態(tài)下有1 MHz的帶寬增益，具有外圍電路簡單、安裝調(diào)試方便等優(yōu)點.頻率調(diào)制與功率放大電路如圖4所示.

2.3 電磁波接收與解調(diào)電路

水下航模的電磁波接收電路采用CD9088專用集成芯片.CD9088廣泛用于設(shè)計調(diào)頻收音機，具有從天線接收到鑒頻級輸出的全部功能，還具有搜索調(diào)諧、信號檢測、靜噪以及頻率鎖定環(huán)(FLL)等功能.CD9088輸出的信號經(jīng)過電容耦合后輸出給功放電路TDA2822，經(jīng)過放大后的輸出信號采用TLC372電壓比較器進行比較，輸出端(圖5 OUTMCU)接水下航模的控制核心MSP430單片機.電磁波接收電路的原理圖如圖5所示.

2.4 紅外光波發(fā)射、接收電路

紅外光波發(fā)射電路采用TSAL6200紅外發(fā)射器，紅外發(fā)射端的協(xié)議為自定義協(xié)議，載波頻率為38kHz的方波;紅外光波接收電路采用TSOP138紅外接收器，TSOP138有接收紅外信號、內(nèi)置信號放大、濾波、檢波輸出等功能.紅外解調(diào)后的信號經(jīng)過單片機處理，即可恢復(fù)出原編碼信號.紅外光波發(fā)射、接收電路原理如圖6所示.

2.5 直流電機驅(qū)動電路

直流電機采用L298N驅(qū)動芯片，通過MSP430單片機改變L298N芯片控制端的輸入電平，實現(xiàn)電機正反轉(zhuǎn)控制;通過MSP430單片機產(chǎn)生PWM波信號，調(diào)整直流電機的轉(zhuǎn)速.為了減小由于電機在啟停過程中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢對單片機I/O口的影響，采用光電耦合器將控制部分與電機驅(qū)動部分隔離開來，可減少電機驅(qū)動電路對單片機的干擾.直流電機驅(qū)動電路如圖7所示.

圖4 頻率調(diào)制及發(fā)射電路Fig.4 Circuit for frequency modulation and launch

圖5 接收與解調(diào)電路Fig.5 Circuit for receiving and demodulation

圖6 紅外發(fā)射接收電路圖Fig.6 Circuit for infrared transmitting and receiving

圖7 直流電機驅(qū)動電路Fig.7 Circuit for Dc motor drive

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 編碼與解碼程序設(shè)計

中波通信的編解碼過程以及通信協(xié)議是本系統(tǒng)程序設(shè)計的關(guān)鍵［13］.中波編碼采用HT6221編碼協(xié)議，該協(xié)議由一位起始碼、16位地址碼、16位數(shù)據(jù)碼組成.其中16位地址碼包括8個連續(xù)的“0”和8個連續(xù)的“1”，16位數(shù)據(jù)碼由8位數(shù)據(jù)原碼和8位數(shù)據(jù)反碼構(gòu)成.起始碼中的“0”和“1”分別用9 ms的低電平和4.5 ms的高電平表示，用0.56 ms的低電平和0.56ms的高電平表示數(shù)據(jù)碼中的“0”，用0.56 ms的低電平和1.68 ms的高電平表示數(shù)據(jù)碼中的“1”.對應(yīng)的解碼方式為:當(dāng)單片機檢測到起始碼并讀到連續(xù)的8個“0”和8個“1”后，隨后接收的16位碼便為數(shù)據(jù)碼.

紅外通信的編解碼方式參考了HT6221編碼協(xié)議.該通信協(xié)議也是由起始碼、16位數(shù)據(jù)碼和結(jié)束碼組成.其中16位數(shù)據(jù)碼包括8位數(shù)據(jù)原碼和8位數(shù)據(jù)反碼.起始碼中的“0”和“1”分別用9 ms的低電平和4.5 ms的高電平表示;數(shù)據(jù)碼中的“0”采用0.56 ms的低電平和0.56 ms的高電平表示，“1”采用0.56 ms的低電平和1.68 ms的高電平表示;結(jié)束碼采用4.5 ms低電平表示.解碼方式與中波通信過程相同.

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖

陸基控制平臺沒有微處理器，簡化了系統(tǒng)的程序設(shè)計.水下航模采用MSP430單片機為控制核心，主要負(fù)責(zé)檢測來自陸基控制平臺的無線電波的解碼信號，根據(jù)譯碼指令控制紅外光波發(fā)射電路和狀態(tài)指示電路，水下航模子系統(tǒng)流程圖如圖8(a)所示.水面?zhèn)鲃訂卧瑯硬捎肕SP430超低功耗單片機檢測紅外光波接收電路的解碼信號，根據(jù)解碼指令控制直流電機驅(qū)動電路，完成牽引水下航模的升降和位移測量功能，并將當(dāng)前的工作狀態(tài)通過LCD顯示，水面?zhèn)鲃訂卧刂屏鞒虉D如圖8(b)所示［14］.

圖8 系統(tǒng)工作流程圖Fig.8 Flowchart for system

4 系統(tǒng)測試與分析

4.1 水下航模運行時間測試與分析

當(dāng)L型天線的水平部分與水面距離為2 m時，設(shè)定快速上升時間為3 s，快速下降時間為4 s，慢速上升時間為6 s，慢速下降時間為8 s，分五次測量的結(jié)果見表1.

從表1可以看出，快速升降的時間最大誤差為5%，而慢速升降的時間最大誤差為10.6%，主要原因是水下航模在下降過程中受到向上的浮力作用而存在擺動，影響觀察者判斷其停止的準(zhǔn)備位置.

4.2 天線高度對電磁波通信的影響

水下航模離水面的距離為0.5 m，天線距水面的距離變化范圍為2～10 m，通過陸基控制平臺設(shè)定狀態(tài)和水下航模指示燈狀態(tài)的對應(yīng)關(guān)系測試無線通訊建立是否有效，規(guī)定L1亮表示前進，L2亮表示倒退，L3亮表示停車，L4亮表示左轉(zhuǎn)彎，L5亮表示右轉(zhuǎn)彎.具體測試結(jié)果見表2.從表2可以看出，當(dāng)天線高度為10 m時，系統(tǒng)的指示運行狀態(tài)與陸基控制平臺設(shè)定的狀態(tài)仍然一致，綜合測試系統(tǒng)通信的誤碼率小于2%，說明在此范圍內(nèi)，天線與水下航模的垂直距離對無線電波的傳輸效率影響甚微.由于條件所限沒有進行天線高度與通信建立有效性的完整實驗，但是從理論分析可知，電磁波信號在水和空氣的界面處存在劇烈的反射效應(yīng)，在水中傳播時也有比較強的衰減，因此，當(dāng)天線離水面的距離足夠遠(yuǎn)時，無線電波通信將失效.

表1 測量結(jié)果 單位:s Tab.1 Measured results

表2 測量結(jié)果Tab.2 Measured results

4.3 設(shè)定速度與實際速度對比情況

本系統(tǒng)所使用的電機在最大轉(zhuǎn)速情況下提供給懸索的線速度為15 cm/s，考慮到水下航模的重量對電機轉(zhuǎn)速的影響，本系統(tǒng)結(jié)合光電門的實測速度，采用PID算法控制電機轉(zhuǎn)速，表3給出了10組測定數(shù)據(jù)，水面?zhèn)鲃訂卧獛铀潞侥Ｉ档膶嶋H速度可以通過液晶顯示屏觀察.

從表3可以看出，系統(tǒng)存在一定的測量誤差，但是3次實際測量速度的平均值與設(shè)定值非常接近.

表3 測量結(jié)果 單位:cm/s Tab.3 Measured results

5 結(jié)語

水下無線通信系統(tǒng)以兩片MSP430單片機為控制核心，采用中波和紅外光波通信，通過HT6221編碼和CD9088解碼完成了陸基控制平臺與水下航模的電磁波通信，實驗測試結(jié)果表明，頻率為507 kHz的電磁波在經(jīng)過空氣與水面的界面反射和水下衰減后，仍然能夠在水下有效傳輸50 cm以上，說明中波相比高頻電磁波在水下無線通信系統(tǒng)中有更加優(yōu)越的抗衰減特性.因此，系統(tǒng)模型可以廣泛應(yīng)用于淺水區(qū)域的信息采集和無線電傳輸，或者作為深水區(qū)域與陸基設(shè)備通訊的中繼站，在國防、工業(yè)和智能農(nóng)業(yè)等方面有著廣泛的應(yīng)用前景.

本系統(tǒng)采用了電磁波通信訊、紅外光波通訊、電機精確控制、編碼解碼、數(shù)據(jù)動態(tài)顯示等技術(shù)，具有較強綜合性和擴展性，特別是可以借鑒無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的設(shè)計思想，通過一個陸基控制平臺，同時控制多個水下航模執(zhí)行相同的控制指令，完成在一定水域的多個水下接受終端的控制過程，可用于水面防區(qū)的探測器布防和水雷布點，也可以用于精細(xì)養(yǎng)殖區(qū)域的水下精密監(jiān)測.

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