海底智能封堵器水声通信系统的设计

0 海底智能封堵器水声通信概述
    智能封堵器应用于海底管道的维修作业时，首先要解决的是在深海处如何实现平台母船与管道之间的即时通信。本文研究的是从海上平台发出的数据指令信号到达管道上方接收器之间的通信过程。由于海底环境的特殊性，故采用水声无线通信方式。智能封堵器通信信号流程如图1所示。计算机指令信息首先转换成声信号在海洋环境下传输，最后转换成ELF电磁波信号，利用电磁波信号穿透泥土、海水、管壁，指导管道内的智能封堵器工作。

    智能封堵器海底通信中的水声通信系统部分主要研究的是从母船或平台计算机操作界面发出指令数据，将数字信号经由Modem转换调制成模拟信号，经过功率放大匹配电路，送至水声换能器，转换成声信号。

1 水声通信系统的总体结构设计
    用于海底管道的智能封堵器，要攻克的技术难关之一是如何实现智能封堵器的水上水下通讯，以完成平台的遥控操作。由于海洋环境的特殊性，故采用了水声无线通信方式。水声通信系统的设计方法通常取决于系统为克服多径干扰和相位起伏所采用的不同技术。这些技术可分为两个方面：一是对信号的设计，即系统调制／解调的方案设计；二是发射／接收设备的结构，即系统的帧处理及均衡方案的设计。根据对目前已有的水声通讯技术的调研和智能封堵器的实际应用环境和特点；本文提出了如图2所示的水声通讯方案。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。

    此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，双向换能器内部既有发射器又有水听器，既可发送声波信号又可接收声波信号。经过调研和选型，笔者采用的水声发射换能器是浅海圆柱型压电陶瓷换能器FSQ-37。
    Modem将计算机指令信息调制成换能器工作频带上的电信号，此电信号经过功率放大后送给水上双向换能器发射，经换能器发射后变为声波信号在水中传输，水下双向换能器接收到声波信号后再将其转换为电信号，由于信号在水中传输的过程中会有所衰减，并伴随着一些干扰，所以这个转换后的电信号必须经过放大滤波后再经水声／ELF转换电路转换成ELF电磁波信号发射，ELF电磁波信号可穿透泥土、海水和管壁被管道内的ELF-Modem+单片机控制系统所接收，经ELF-Modem解调后变成逻辑电平指令送给单片机，单片机将收到的指令解析后控制封堵器完成各种动作，这样就完成了一次信号的单向传输。
    此外，封堵器在执行指令过程中，其上的传感器将检测到的信号传送给单片机，管道内的单片机将这些温度、压力和封堵器状态等数据送回海上的计算机进行监测和计算，这样计算机就可以了解封堵器的运行情况，并根据反馈信号随时调整控制指令。这个信息的传送过程是先由单片机将逻辑电信号送给ELF-Modem，经ELF-Modem调制后变为ELF电磁波穿过管壁，被水声／ELF转换电路接收后转换为换能器工作频带上的电信号，此电信号再经过功率放大后送给水下双向换能器，发射器发射的声波信号由下至上在水中传输，到达水上后被水上的换能器接收并变为电信号，经过放大送给Modem解调后再送给计算机，完成由海底到海面的单方向传输。为实现全双工的传输，水声和ELF通讯都分别使用双信道进行通讯，即收／发采用不同的信道。
    水声通讯的关键在于实现基于Modem的水声调制解调技术，以便可靠地收／发数据。在通讯系统方案确定之后，进行水试试验找到最佳发射、接收频率作为水下通信传输的载波频率。水上PC机的人机交互程序和串行通信程序采用Visual Basic 6．0编写。采用FSK方式传送数字信息控制载波的频率，将数字信息调制到水声换能器的工作频带上，推动水声换能器把电能转化为声波发射出去。

2 通信试验线路的搭建
    考虑到自制一个Modem不仅要重新设计和调试电路，而且还要编写复杂的通讯协议，因此通讯所用的Modem为TP-LINK的TM-EC5658V外置式Modem，这种Modem技术成熟，编程方便，编写计算机到Modem之间的通讯程序，可利用Ⅶ中的MSComm控件来实现。又由于这种Modem的通讯协议是开放式的，因此即使是用单片机也可较容易地编写单片机至Modem之间的通讯程序。虽然使用成品的Modem给编程带来了方便，但是由于成品的Modem的工作载频在300～3400Hz，一般采用FSK调制方法时，用特殊的音频范围来区别发送数据和接收数据。如调频Modem发送和接收数据的二进制逻辑信号被指定的专用频率是：发送时信号逻辑0的频率为1070Hz，信号逻辑1的频率为1270Hz，接收时信号逻辑0的频率为2025Hz，信号逻辑1的频率为2225Hz。这样的调制频率与换能器的工作频带相差较远，本文所选用的FSQ-37换能器的频带宽度在20～46kHz之间，很明显，从Modem出来的载波信号不能直接送给换能器，必须经过变频后转换到换能器的工作频带，再经过放大滤波后送给换能器转换为声波信号进行发射。因此在Modem和滤波放大电路之间还要设计一个变频器用来转换Modem和换能器的发射频率。考虑到以上因素后海上部分的通讯链路的搭建如图4所示：

    在图4中计算机发出的信号通过RS-232送给Modem，经Modem调制后把计算机信息变为模拟量，送给变频器，变频器将Modem的调制信号转换为换能器的工作频率后再送给滤波放大电路，驱动换能器发射声信号将数据信息传送至海底。
    由于本文不涉及ELF通讯方式，所以在搭建海下接收通讯链路时作了部分简化，海底接收端的模拟通讯链路如图5所示。

    在图5中，海底的换能器将收到的声波信号转换为电信号，经滤波放大后送给变频器转换为Modem的载频信号，Modem将收到信号解调后送至单片机，完成一次单项数据信息传输。从单片机向计算机逆向传输信息的原理与上述原理相同，只是信息的发起端不同而已。

3 单片机的选型
    由于海底封堵维修工作时的长时间、供电条件限制等制约因素，因此单片机的选型，主要从单片机工作的可靠性、节能性、工作速度和通讯接口的设计出发。经过调研选择ATMEL公司的ATmega系列高性能、低功耗的8位AVR微处理器ATmegal69，ATmega169具有以下特性：
    (1)先进的RISC结构。130条指令，大多数指令执行时间为单个时钟周期；32个8位通用工作寄存器；全静态工作；工作于16MHz时性能高达16MIPS；只需两个时钟周期的硬件乘法器。
    (2)非易失性程序和数据存储器。16k字节的系统内可编程Flash；擦写寿命：10000次；具有独立锁定位的可选Boot代码区；通过片上Bo-ot程序实现系统内编程；真正的同时读写操作；512字节的EEPROM；擦写寿命：100000次；1k字节的片内SRAM。
    (3)可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密。JTAG接口(与IEEE1149．1标准兼容)；符合JTAG标准的边界扫描功能；支持扩展的片内调试功能；通过JTAG接口实现对Flash、EEPROM、熔丝位和锁定位的编程。
    (4)外设特点。4×25段的LCD驱动器；两个具有独立预分频器和比较器功能的8位定时器／计数器；一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器／计数；具有独立振荡器的实时计数器RTC；四通道PWM；8路10位ADC；可编程的串行LISART；可工作于主机／从机模式的SPI串行接口；有开始状态检测器的通用串行接口USI；具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器；片内模拟比较器；引脚电平变化可引发中断及唤醒MCU。
    (5)特殊的微控制器特点。上电复位(POR)以及可编程的掉电检测(BOD)；经过校准的片内RC振荡器；片内、片外中断源；休眠模式：空闲模式、ADC噪声抑制模式、省电模式、掉电模式和Standby模式。
    (6)I／O口与封装。53个可编程的I／O口；64引脚TQFP封装与64引脚MLF封装。
    (7)工作电压。ATmega169V：1．8～5．5V；ATmega169L：2．7～5．5V；ATmegal69：4．5～5．5V。
    (8)工作温度范围。-40℃至85℃，工业级。

4 总结
    根据本文中提出的通信方案，对计算机所发出的指令信号已经传递至Modem，转换成换能器所接受的频带范围，实验过程中已取得了良好的效果。目前根据选用的单片机型号正在进行单片机系统电路的设计。此水声通信系统不仅适用于智能封堵器，可以很好地进行水下数据传送，还可应用在其他海洋、湖泊的通信环境中，具有较高的可移植性，只需更改其中的通信协议即可。