0 引言

    隨著我國(guó)深遠(yuǎn)海戰(zhàn)略的不斷發(fā)展，我國(guó)對(duì)海洋領(lǐng)域的海洋參數(shù)測(cè)量也愈發(fā)重視。海洋聲速的測(cè)量便是其中一項(xiàng)重要的指標(biāo)。海洋聲速測(cè)量主要的方法分為兩種：一是用環(huán)鳴法直接測(cè)量聲信號(hào)在固定的已知距離內(nèi)往返多次的傳播時(shí)間而得到聲速；二是采用CTD測(cè)量海水的溫度、鹽度和壓力隨深度的變化，進(jìn)而通過公式來計(jì)算聲速^[1]。該測(cè)量系統(tǒng)采用直接測(cè)量方法。在聲速測(cè)量中，通常是測(cè)量聲速隨深度的變化，故采用拋棄式聲速測(cè)量?jī)x（Expendable Sound Velocity），使其在下降過程中測(cè)量不同深度的聲速。因此，保證拋棄式聲速儀和水面上位機(jī)的通信便尤為重要。

    與陸地上的通信方式相類似，在海洋水下通信方面也可以分為有線通信和無線通信^[2]。兩者各自有其優(yōu)缺點(diǎn)。水下無線通信結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但功耗較大，成本較高，其中最常用的為采用擴(kuò)頻技術(shù)的水聲通信。有線通信則在長(zhǎng)距離通信方面更有優(yōu)勢(shì)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。根據(jù)實(shí)際工程的需要，XSV的通信系統(tǒng)采用有線方式進(jìn)行。以漆包線作為有線通信系統(tǒng)的信道，既可以保證通信質(zhì)量，又可以用來判斷拋棄式儀器的下落距離。此外，上位機(jī)可通過漆包線傳送激勵(lì)信號(hào)，從而控制水下測(cè)量系統(tǒng)的開啟，在工程中，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

1 系統(tǒng)的總體構(gòu)成及原理

1.1 系統(tǒng)的總體構(gòu)成

    整個(gè)投棄式聲速系統(tǒng)可分為三部分，分別為水下測(cè)量系統(tǒng)、水上數(shù)據(jù)解調(diào)系統(tǒng)、上位機(jī)顯示系統(tǒng)^[3]。其中，水下測(cè)量系統(tǒng)為測(cè)量探頭并配以水下測(cè)量電路，負(fù)責(zé)在下降過程中對(duì)不同深度的海水環(huán)境進(jìn)行聲速的測(cè)量，并將測(cè)得的數(shù)據(jù)通過漆包線傳輸給水上解調(diào)系統(tǒng)^[4]。為加強(qiáng)傳輸信道的抗干擾能力，XSV的通信信道采用差分式傳輸結(jié)構(gòu)，即采用單根雙股、帶絕緣涂層的金屬漆包線。隨著XSV的不斷下沉，漆包線線軸也不斷展開，該漆包線直徑小且柔軟，不會(huì)影響水下測(cè)量?jī)x的運(yùn)行軌跡。水上數(shù)據(jù)解調(diào)系統(tǒng)解調(diào)完成后，通過串口發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行顯示，通過對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的分析，可用來繪制對(duì)應(yīng)海洋領(lǐng)域的聲速曲線。

1.2 漆包線通信調(diào)制解調(diào)方式選擇

    為滿足1 500 m通信距離的要求，提高抗干擾能力，該系統(tǒng)采用數(shù)字通信方式。在實(shí)際測(cè)量中，存在以下干擾因素。首先，漆包線本身帶有分布電容和分布電感，而且隨著漆包線的展開，漆包線的形狀發(fā)生變化，分布參數(shù)也隨之發(fā)生變化，從而構(gòu)成了一個(gè)復(fù)雜的濾波系統(tǒng)^[5]，影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。其次，海水作為弱導(dǎo)體，也會(huì)在傳輸線上產(chǎn)生耦合電容效應(yīng)^[6]。因此，在數(shù)字通信選擇上，該課題采用數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究，雖然信號(hào)在傳輸過程中受到干擾，但很好地保持了相位特性^[7]，因此，采用了2DPSK的調(diào)制解調(diào)方式，其模型如圖1所示。

其中：

其中：a為信號(hào)振幅，n₁(t)為y₁(t)上的噪聲，n₂(t)為y₂(t)上的噪聲，n₁(t)與n₂(t)相互獨(dú)立。r為解調(diào)器輸入端的信噪比。

    在相同條件下，利用2ASK和2FSK方式進(jìn)行調(diào)制和解調(diào)的誤碼率分別為和。

    通過以上分析可知，在同等條件下與2ASK和2FSK方式相比，利用2DPSK方式進(jìn)行調(diào)制解調(diào)誤碼率最低，是一種較為理想的數(shù)字信號(hào)傳輸方式。

2 硬件設(shè)計(jì)

    硬件系統(tǒng)總框圖如圖2所示，該電路系統(tǒng)由電源模塊、單片機(jī)模塊、通信模塊、高壓偏置模塊以及放大濾波電路組成。其中，單片機(jī)模塊中核心處理器采用ARM公司生產(chǎn)的基于Cortex-M4內(nèi)核的STM32F407芯片。該芯片主頻最高速率可到168 MHz，可滿足軟件濾波、解調(diào)對(duì)于時(shí)間的要求，從而可在無FPGA或其他專用解調(diào)芯片的情況下，同時(shí)完成數(shù)據(jù)采集、軟件濾波、數(shù)據(jù)解調(diào)的功能，在極大程度上簡(jiǎn)化了電路，節(jié)約了資源。

    該解調(diào)系統(tǒng)大致工作流程為，系統(tǒng)上電后，通過高壓模塊電路的升壓，產(chǎn)生約95 V的偏置電壓，該電壓作為激勵(lì)電壓，喚醒水下測(cè)量系統(tǒng)，進(jìn)入工作狀態(tài)^[8]。水下測(cè)量系統(tǒng)測(cè)得數(shù)據(jù)后，通過2DPSK調(diào)制，會(huì)將數(shù)據(jù)以800 b/s的數(shù)據(jù)傳輸速率通過單根雙股漆包線以差分形式發(fā)送至水上解調(diào)板。解調(diào)板首先對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行初級(jí)的硬件放大和濾波。隨后，單片機(jī)通過片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)初級(jí)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并對(duì)采集后的數(shù)據(jù)進(jìn)行軟件解調(diào)。最后，通信模塊將解調(diào)后的數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

2.1 高壓偏置模塊電路設(shè)計(jì)

    該設(shè)計(jì)引入高壓偏置模塊，在解調(diào)系統(tǒng)上電后，會(huì)通過高壓偏置模塊產(chǎn)生高壓，該高壓會(huì)通過水下測(cè)量系統(tǒng)的光電隔離模塊產(chǎn)生測(cè)量開啟信號(hào)，從而喚醒水下測(cè)量系統(tǒng)，進(jìn)入工作狀態(tài)。實(shí)際電路設(shè)計(jì)如圖3所示，高壓偏置模塊的升壓部分采用HV857芯片，該芯片是針對(duì)冷光燈片設(shè)計(jì)的高壓驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片的常規(guī)用法為通過在Rsw、REL引腳加入輸入信號(hào)，芯片會(huì)在VA、VB引腳產(chǎn)生對(duì)應(yīng)頻率的驅(qū)動(dòng)冷光燈片的信號(hào)。在該設(shè)計(jì)中，通過對(duì)電路稍作調(diào)整，在Rsw、REL端直接接入5 V電源，該芯片會(huì)在CS引腳端產(chǎn)生幅值約為95 V的直流高壓信號(hào)，該信號(hào)可作為電路中的偏置信號(hào)使用。

2.2 放大濾波電路設(shè)計(jì)

    水下測(cè)量系統(tǒng)測(cè)得的數(shù)據(jù)傳輸至解調(diào)系統(tǒng)的過程中，經(jīng)過漆包線的傳輸，信號(hào)將大幅衰減，并引入干擾成分。因此在解調(diào)系統(tǒng)的接收端，首先進(jìn)行初級(jí)的放大和濾波。

    如圖4所示，該電路運(yùn)放采用儀器放大器，儀器放大器具有輸入阻抗高、共模抑制比高的特點(diǎn)，適合精密信號(hào)的放大。在差分輸入端，進(jìn)行RC高通濾波，濾除直流和低頻干擾成分。經(jīng)過放大后的信號(hào)要進(jìn)入單片機(jī)的A/D端，而單片機(jī)A/D采集部分無法識(shí)別負(fù)電壓，因此，在運(yùn)放的參考端，加入2.5 V的偏置電壓。經(jīng)過運(yùn)放放大后的信號(hào)，在輸出端進(jìn)行RC低通濾波，濾除高頻干擾。最終，信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)的A/D采集端。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

    該系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，以主程序?yàn)橹骶€，包括A/D數(shù)據(jù)采集程序、濾波程序、延時(shí)相乘解調(diào)程序、抽樣判決程序、CRC校驗(yàn)程序。

    進(jìn)入主函數(shù)后，首先對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行初始化。為保證數(shù)據(jù)濾波和解調(diào)對(duì)于時(shí)間的要求，該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸采用DMA模式，即不經(jīng)過CPU而直接從內(nèi)存存取數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)交換模式，極大程度節(jié)省了系統(tǒng)資源。數(shù)據(jù)傳輸速率為800 b/s，為保證解調(diào)準(zhǔn)確性，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)A/D采樣速率為每周期采樣16個(gè)點(diǎn)，即采樣速率為12.8 kS/s。在濾波器部分，采用FIR濾波器從而實(shí)現(xiàn)軟件濾波^[9]。

    數(shù)據(jù)解調(diào)過程如圖5所示，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D采集后，將數(shù)據(jù)進(jìn)行帶通濾波，濾除低頻和高頻干擾成分，之后，對(duì)信號(hào)延時(shí)相乘，進(jìn)行差分相干解調(diào)^[10]，解調(diào)后的數(shù)據(jù)因?yàn)槌朔e解調(diào)的作用，會(huì)引入高頻干擾成分，因此之后要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行低通濾波，濾除高頻干擾，保留數(shù)據(jù)的有效成分。隨后進(jìn)行抽樣判決。判決完成后，系統(tǒng)會(huì)綜合之前收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)結(jié)束標(biāo)志位的判別，并對(duì)接收到的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行CRC校驗(yàn)。如果校驗(yàn)成功，證明數(shù)據(jù)無誤碼，系統(tǒng)會(huì)將該幀數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)進(jìn)行顯示。如果校驗(yàn)失敗，證明在傳輸和解調(diào)過程中出現(xiàn)誤碼，則丟棄該幀數(shù)據(jù)，重新回到A/D采集部分，繼續(xù)對(duì)下一幀數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

4 測(cè)試方案和測(cè)試結(jié)果

4.1 硬件測(cè)試

    硬件電路制作完成后，首先保證各模塊工作在正常狀態(tài)。其次，對(duì)放大電路的放大性能，對(duì)數(shù)字電路的數(shù)據(jù)處理速率做進(jìn)一步的測(cè)量與分析，驗(yàn)證硬件電路的可行性。

4.2 軟件仿真測(cè)試

    通過MATLAB軟件對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行分析，可在原理上對(duì)系統(tǒng)解調(diào)方案進(jìn)行可行性分析。仿真結(jié)果如圖6～圖10所示，其中圖6為采集信號(hào)的原始波形圖，從原始信號(hào)可以看出，經(jīng)過漆包線傳輸后的2DPSK調(diào)制信號(hào)已經(jīng)出現(xiàn)明顯失真，無法清晰直觀地看出調(diào)制信號(hào)所傳輸?shù)男畔ⅰ?/p>

    圖7為經(jīng)過帶通濾波后的波形。經(jīng)過帶通濾波后的數(shù)據(jù)進(jìn)行移位后與自身相乘進(jìn)行差分相干解調(diào)，其效果圖如圖8所示。

    最后，對(duì)差分相干解調(diào)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行低通濾波和抽樣判決，結(jié)果如圖9和圖10所示。

    經(jīng)過MATLAB仿真解調(diào)后，數(shù)字信號(hào)得到了清晰準(zhǔn)確的還原。因此，該解調(diào)方案可準(zhǔn)確地對(duì)經(jīng)過漆包線傳輸?shù)?DPSK信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，從而在理論上證明了該方案的可行性。

4.3 實(shí)際測(cè)試結(jié)果

    將水下測(cè)量系統(tǒng)和水上解調(diào)系統(tǒng)分別組裝完畢后，通過單根雙股漆包線進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，通信協(xié)議采用工業(yè)電子設(shè)備之間常用的Modbus通信協(xié)議。經(jīng)過解調(diào)系統(tǒng)解調(diào)后，解調(diào)系統(tǒng)將解調(diào)信號(hào)傳送至上位機(jī)顯示。此次測(cè)試與美國(guó)海鳥公司的Seabird 911標(biāo)準(zhǔn)儀器進(jìn)行對(duì)比，測(cè)量聲速隨溫度的變化，測(cè)試結(jié)果特性曲線如圖11所示。XSV在各溫度點(diǎn)的聲速測(cè)量值與Seabird 911測(cè)量值的誤差如表1所示。通過對(duì)比與分析可以得出，該通信系統(tǒng)準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)解調(diào)及數(shù)據(jù)上傳功能，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

5 結(jié)論

    本設(shè)計(jì)以STM32F407為核心處理器，并配以放大濾波、高壓偏置等電路模塊，通過軟件算法，實(shí)現(xiàn)了海洋投棄式聲速儀的通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在該設(shè)計(jì)中，并未采用老式的基于FPGA或其他解調(diào)芯片的解調(diào)電路設(shè)計(jì)，而是利用STM32F407單片機(jī)主頻高的優(yōu)勢(shì)，直接在片內(nèi)完成了對(duì)數(shù)據(jù)的解調(diào)以及數(shù)據(jù)上傳功能，從而簡(jiǎn)化了電路，為實(shí)際工程測(cè)量提供了便利。通過軟件仿真和測(cè)試，證明了該電路在復(fù)雜海洋環(huán)境中，具有可行性、可靠性。該通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為投棄式聲速儀的數(shù)據(jù)傳輸提供了強(qiáng)有力的支持，將進(jìn)一步促進(jìn)我國(guó)海洋參數(shù)測(cè)量領(lǐng)域的發(fā)展。

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作者信息:

范寒柏1，劉炳岳1，吳  飛1，李瑞琪2

(1.華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定071000；2.國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司信息通信公司，甘肅 蘭州730050)