基于PIC16C74的深海声纳式高度计设计

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    Design of Deep-sea Sonar Altimeter Based on PIC16C74
摘要： 深海声纳式高度计是装备在深海探测设备上的回声测深装置。本文在对声纳测距原理及水声换能器参数进行研究分析的基础上，提出并设计了基于PIC16C74处理器芯片的传感器电路系统。该系统配合深海探测设备的水下嵌入式系统，可实时探测设备距海底高度。系统的陆地水池试验给出了良好的结果。
关键字：深海；声纳；高度计；PIC单片机
Abstract：Deep-sea sonar altimeter is a depth sounder to equip deep-sea detection devices. After the research of fundamentals of sonar ranging and analysis of piezoelectric transducer parameter, a new circuit system based on PIC16C74 is proposed and designed. The new designed sonar altimeter can range the depth from the device to seafloor in real time, cooperated with the embedded control system of the device. The pool test of the circuit system gives a good result.
Key words：deep-sea；sonar；altimeter；PIC
1 引言
深海探测设备、取样设备在深海领域水下作业的过程中，需要实时探知设备距海底的高度，以确保设备安全着地或保持在某一固定距底高度。深海声纳式高度计是传感设备距底高度的最有效工具。
国外的深海声纳式高度计已产品化并趋成熟，生产高度计的主要厂商有tritech、subsea、kongsberg等公司，上述厂商的相关产品在我国大洋航次的深海探测设备中有较好应用。国内仅有国家海洋技术中心以及中科院声学所等机构正在进行相关的基础研究工作，但未见详尽技术文献或报道。
深海声纳式高度计的基本原理是利用单波束声纳回波信号的发射与接收时间间隔进行实时测距。声纳换能器部分利用传统的压电水声换能器，对能量进行声电、电声转换；而信号处理部分需要负责电信号的产生、接收、判断、计算处理、通讯等功能。随着数字集成电路与单片机技术的发展，以数字化、模块化方式设计声纳信号处理电路成为可能。PIC16C74单片机强大的数字信号处理功能完全符合作为该系统主芯片的设计要求，以PIC单片机技术、DDS技术等为核心设计声纳电路系统，是本文提出的主要创新思路。
2 声纳测距原理



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3 声纳式高度计系统结构
声纳式高度计系统主要由水声换能器、信号处理电路两部分组成。主要系统结构如图1所示。本文主要讨论高度计的电子系统即信号处理电路。


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图 1  声纳式高度计系统框架
在信号发射周期，由微处理器产生的频率控制信号经频率可控振荡器件产生数字波形，再经D/A转换形成正弦波驱动压电换能膜片起振，形成声信号进入媒质（海水）；在接收周期，回波信号经滤波、放大、峰值检测后由微处理器完成采样保持、AD转换和数字处理存储。而后经通讯电路与上位机系统进行数据通信。
4 硬件电路设计
声纳式高度计的声纳信号处理电路主要由信号发射驱动电路、信号接收处理电路、微处理器模块以及串口通信模块构成。换能器采用中船重工715所提供的压电陶瓷元件，外形呈薄圆片、两面镀银，实测中心频率为45.142～46.174KHz。
下面将具体讨论各部分的硬件电路设计。
4.1 信号发射驱动电路
压电元件的信号驱动电路传统上主要以铁芯互感器为主的分立元件构成[3]，信号噪声较大，电路制备过程需要反复实验，其性能的稳定性较差。利用高性能集成芯片构建电路是新的设计思路。
如图2所示，HSP45102是32位数字频率可控的振荡器件，即DDS芯片，最高频率可达40MHz，通过微处理器对其装载串行频率初始信号（3200K），使其并行输出正弦波12位数字信号。CA3338是高速8位并口DA转换器，其工作频率可达50MHz，以HSP45102高8位输出连接CA3338的8位输入，从而使CA3338输出稳定的40KHz正弦波信号，以驱动压电元件发射声信号。


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图 2  信号发射驱动电路
4.2 信号接收处理电路
信号接收处理电路主要包括对回波信号的阻抗匹配、前置放大、中频滤波、后置放大等，如图3所示。


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图 3  信号接收处理电路
从换能器上接收到的回波信号一般都很弱，大概在50mV到200mV之间，所以需要对信号进行前置放大，并降低噪声。同时需要阻抗匹配电路使压电换能器的高阻抗与放大器输入低阻抗相匹配，而且可以减小噪声和信号损失。两个肖特基二极管用来将电压钳制在安全范围内，以实现阻抗匹配。前置放大与后向放大由同一片CS3310双通道音频放大器的不同通道实现，SA637实现的是中频波段的放大与滤波。
4.3 微处理器模块
PIC16C74是PIC系列单片机中具备较强信号处理功能的一款微控制器，其自带8位AD模块将放大后的回波模拟信号转化为数字信号，自带USART与上位机实现串口通信，自带捕捉/比较/PWM模块可产生自定义宽度的脉冲信号，以控制声波发射驱动信号的时延，定时器和中断控制寄存器产生32位串行频率数字信号送HSP45102。其外围连接示意图如图4所示。


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图 4  微处理器外围连接图
5 软件设计
软件的设计基于单线程前后台方式，在MPLAB IDE环境下用C语言实现。软件流程图如图5所示，单次流程主要分为发送模式、接收模式和处理模式三个阶段：发送模式阶段连续发送16个脉冲信号，然后无条件进入接收模式；在接收模式阶段重复采样直至捕捉到有效信号（超阈值信号），并连续采样16次取平均值，作为一个有效返回信号，同时记录其捕获时间，这样的过程重复16次，取16个有效返回信号的最大值，其相应捕获时间作为最终的返回时间；处理模式阶段根据发送时间和返回时间的时间间隔，根据式1计算出测试距离，存储并通过串口实时发送至上位机。


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图 5  软件流程图
6 结束语
基于PIC16C74的声纳电路系统，结合山东山大气动液压有限公司提供的水密机械外壳以及中船中工715所提供的压电水声换能器，即可设计而成实用的深海声纳式高度计。从电路系统的调试结果来看，在5m范围内其测距（通过串口输出数据得到）分辨率可精确到0.2m，响应滞后时间小于50ms。
电路的调试在陆地水池中进行，故调试距离受限在5m范围，一旦应用于深海条件，其测试量程、分辨率、响应时间有待验证。水池试验中水声换能器的电声效率实测为92.3％，根据深海经验声阻抗值，深海有效量程的期望值在50－80m，满量程分辨率期望在1m，响应滞后时间期望在500ms。从大洋实际应用来看，这一结果满足设备作业过程中的实时探底需求。
本文作者创新点：利用DDS技术和PIC单片机技术对深海测距声纳进行相关信号处理，并获得较理想结果。
参考文献：
[1] L.E.Kinsler,A.R.Frey,A.B.Coppens,and J.V.Sanders. (2000). Fundamentals of Acoustics[M]. John Wiley & Sons, Inc., 4 edition.
[2] Creasey D J. Underwater acoustics[J]. Physics Education,1981,16(4)
[3] Jessica Juan. Development of a Small Sonar Altimeter and Constant Altitude Controller for a Miniature Autonomous Underwater Vehicle. (Feb 2005). Master‘s Thesis. Blacksburg, Virginia.
[4] 郁继宗，彭树生．基于PIC单片机的以太网数据采集与控制电路设计［J］．微计算机信息，2005，2：75-76。

作者简介：章雪挺（1978－），男（汉族），浙江湖州人，杭州电子科技大学电子信息学院讲师，硕士，2003年毕业于浙江大学光电系，目前主要从事海洋电子技术的研究。
通信地址：杭州电子科技大学电子信息学院  杭州  浙江 310018[1]
         
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firehti

说的不错！吃了缅甸的野生灵芝吧，这么有才！