Design of Deep-sea Sonar Altimeter Based on PIC16C74
摘要： 深海聲納式高度計(jì)是裝備在深海探測設(shè)備上的回聲測深裝置。本文在對聲納測距原理及水聲換能器參數(shù)進(jìn)行研究分析的基礎(chǔ)上，提出并設(shè)計(jì)了基于PIC16C74處理器芯片的傳感器電路系統(tǒng)。該系統(tǒng)配合深海探測設(shè)備的水下嵌入式系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)探測設(shè)備距海底高度。系統(tǒng)的陸地水池試驗(yàn)給出了良好的結(jié)果。
關(guān)鍵字：深海；聲納；高度計(jì)；PIC單片機(jī)
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
深海探測設(shè)備、取樣設(shè)備在深海領(lǐng)域水下作業(yè)的過程中，需要實(shí)時(shí)探知設(shè)備距海底的高度，以確保設(shè)備安全著地或保持在某一固定距底高度。深海聲納式高度計(jì)是傳感設(shè)備距底高度的最有效工具。
國外的深海聲納式高度計(jì)已產(chǎn)品化并趨成熟，生產(chǎn)高度計(jì)的主要廠商有tritech、subsea、kongsberg等公司，上述廠商的相關(guān)產(chǎn)品在我國大洋航次的深海探測設(shè)備中有較好應(yīng)用。國內(nèi)僅有國家海洋技術(shù)中心以及中科院聲學(xué)所等機(jī)構(gòu)正在進(jìn)行相關(guān)的基礎(chǔ)研究工作，但未見詳盡技術(shù)文獻(xiàn)或報(bào)道。
深海聲納式高度計(jì)的基本原理是利用單波束聲納回波信號的發(fā)射與接收時(shí)間間隔進(jìn)行實(shí)時(shí)測距。聲納換能器部分利用傳統(tǒng)的壓電水聲換能器，對能量進(jìn)行聲電、電聲轉(zhuǎn)換；而信號處理部分需要負(fù)責(zé)電信號的產(chǎn)生、接收、判斷、計(jì)算處理、通訊等功能。隨著數(shù)字集成電路與單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，以數(shù)字化、模塊化方式設(shè)計(jì)聲納信號處理電路成為可能。PIC16C74單片機(jī)強(qiáng)大的數(shù)字信號處理功能完全符合作為該系統(tǒng)主芯片的設(shè)計(jì)要求，以PIC單片機(jī)技術(shù)、DDS技術(shù)等為核心設(shè)計(jì)聲納電路系統(tǒng)，是本文提出的主要?jiǎng)?chuàng)新思路。
2 聲納測距原理
3 聲納式高度計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
聲納式高度計(jì)系統(tǒng)主要由水聲換能器、信號處理電路兩部分組成。主要系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。本文主要討論高度計(jì)的電子系統(tǒng)即信號處理電路。
圖 1 聲納式高度計(jì)系統(tǒng)框架
在信號發(fā)射周期，由微處理器產(chǎn)生的頻率控制信號經(jīng)頻率可控振蕩器件產(chǎn)生數(shù)字波形，再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換形成正弦波驅(qū)動(dòng)壓電換能膜片起振，形成聲信號進(jìn)入媒質(zhì)（海水）；在接收周期，回波信號經(jīng)濾波、放大、峰值檢測后由微處理器完成采樣保持、AD轉(zhuǎn)換和數(shù)字處理存儲(chǔ)。而后經(jīng)通訊電路與上位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。
4 硬件電路設(shè)計(jì)
聲納式高度計(jì)的聲納信號處理電路主要由信號發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路、信號接收處理電路、微處理器模塊以及串口通信模塊構(gòu)成。換能器采用中船重工715所提供的壓電陶瓷元件，外形呈薄圓片、兩面鍍銀，實(shí)測中心頻率為45.142～46.174KHz。
下面將具體討論各部分的硬件電路設(shè)計(jì)。
4.1 信號發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路
壓電元件的信號驅(qū)動(dòng)電路傳統(tǒng)上主要以鐵芯互感器為主的分立元件構(gòu)成[3]，信號噪聲較大，電路制備過程需要反復(fù)實(shí)驗(yàn)，其性能的穩(wěn)定性較差。利用高性能集成芯片構(gòu)建電路是新的設(shè)計(jì)思路。
如圖2所示，HSP45102是32位數(shù)字頻率可控的振蕩器件，即DDS芯片，最高頻率可達(dá)40MHz，通過微處理器對其裝載串行頻率初始信號（3200K），使其并行輸出正弦波12位數(shù)字信號。CA3338是高速8位并口DA轉(zhuǎn)換器，其工作頻率可達(dá)50MHz，以HSP45102高8位輸出連接CA3338的8位輸入，從而使CA3338輸出穩(wěn)定的40KHz正弦波信號，以驅(qū)動(dòng)壓電元件發(fā)射聲信號。
圖 2 信號發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路
4.2 信號接收處理電路
信號接收處理電路主要包括對回波信號的阻抗匹配、前置放大、中頻濾波、后置放大等，如圖3所示。
圖 3 信號接收處理電路
從換能器上接收到的回波信號一般都很弱，大概在50mV到200mV之間，所以需要對信號進(jìn)行前置放大，并降低噪聲。同時(shí)需要阻抗匹配電路使壓電換能器的高阻抗與放大器輸入低阻抗相匹配，而且可以減小噪聲和信號損失。兩個(gè)肖特基二極管用來將電壓鉗制在安全范圍內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。前置放大與后向放大由同一片CS3310雙通道音頻放大器的不同通道實(shí)現(xiàn)，SA637實(shí)現(xiàn)的是中頻波段的放大與濾波。
4.3 微處理器模塊
PIC16C74是PIC系列單片機(jī)中具備較強(qiáng)信號處理功能的一款微控制器，其自帶8位AD模塊將放大后的回波模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，自帶USART與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)串口通信，自帶捕捉/比較/PWM模塊可產(chǎn)生自定義寬度的脈沖信號，以控制聲波發(fā)射驅(qū)動(dòng)信號的時(shí)延，定時(shí)器和中斷控制寄存器產(chǎn)生32位串行頻率數(shù)字信號送HSP45102。其外圍連接示意圖如圖4所示。
圖 4 微處理器外圍連接圖
5 軟件設(shè)計(jì)
軟件的設(shè)計(jì)基于單線程前后臺方式，在MPLAB IDE環(huán)境下用C語言實(shí)現(xiàn)。軟件流程圖如圖5所示，單次流程主要分為發(fā)送模式、接收模式和處理模式三個(gè)階段：發(fā)送模式階段連續(xù)發(fā)送16個(gè)脈沖信號，然后無條件進(jìn)入接收模式；在接收模式階段重復(fù)采樣直至捕捉到有效信號（超閾值信號），并連續(xù)采樣16次取平均值，作為一個(gè)有效返回信號，同時(shí)記錄其捕獲時(shí)間，這樣的過程重復(fù)16次，取16個(gè)有效返回信號的最大值，其相應(yīng)捕獲時(shí)間作為最終的返回時(shí)間；處理模式階段根據(jù)發(fā)送時(shí)間和返回時(shí)間的時(shí)間間隔，根據(jù)式1計(jì)算出測試距離，存儲(chǔ)并通過串口實(shí)時(shí)發(fā)送至上位機(jī)。
圖 5 軟件流程圖
6 結(jié)束語
基于PIC16C74的聲納電路系統(tǒng)，結(jié)合山東山大氣動(dòng)液壓有限公司提供的水密機(jī)械外殼以及中船中工715所提供的壓電水聲換能器，即可設(shè)計(jì)而成實(shí)用的深海聲納式高度計(jì)。從電路系統(tǒng)的調(diào)試結(jié)果來看，在5m范圍內(nèi)其測距（通過串口輸出數(shù)據(jù)得到）分辨率可精確到0.2m，響應(yīng)滯后時(shí)間小于50ms。
電路的調(diào)試在陸地水池中進(jìn)行，故調(diào)試距離受限在5m范圍，一旦應(yīng)用于深海條件，其測試量程、分辨率、響應(yīng)時(shí)間有待驗(yàn)證。水池試驗(yàn)中水聲換能器的電聲效率實(shí)測為92.3％，根據(jù)深海經(jīng)驗(yàn)聲阻抗值，深海有效量程的期望值在50－80m，滿量程分辨率期望在1m，響應(yīng)滯后時(shí)間期望在500ms。從大洋實(shí)際應(yīng)用來看，這一結(jié)果滿足設(shè)備作業(yè)過程中的實(shí)時(shí)探底需求。
本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：利用DDS技術(shù)和PIC單片機(jī)技術(shù)對深海測距聲納進(jìn)行相關(guān)信號處理，并獲得較理想結(jié)果。
參考文獻(xiàn)：
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作者簡介：章雪挺（1978－），男（漢族），浙江湖州人，杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院講師，碩士，2003年畢業(yè)于浙江大學(xué)光電系，目前主要從事海洋電子技術(shù)的研究。
通信地址：杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院 杭州 浙江 310018
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