海底智能封堵器水聲通信系統(tǒng)的設計
中電網
張海英
摘要： 智能封堵器應用于海底管道的維修作業(yè)時,，首先要解決的是在深海處如何實現(xiàn)平臺母船與管道之間的即時通信,。本文研究的是從海上平臺發(fā)出的數(shù)據(jù)指令信號到達管道上方接收器之間的通信過程。
Abstract：
Key words :
0 海底智能封堵器水聲通信概述
智能封堵器應用于海底管道的維修作業(yè)時,，首先要解決的是在深海處如何實現(xiàn)平臺母船與管道之間的即時通信,。本文研究的是從海上平臺發(fā)出的數(shù)據(jù)指令信號到達管道上方接收器之間的通信過程,。由于海底環(huán)境的特殊性，故采用水聲無線通信方式,。智能封堵器通信信號流程如圖1所示,。計算機指令信息首先轉換成聲信號在海洋環(huán)境下傳輸,，最后轉換成ELF電磁波信號，利用電磁波信號穿透泥土,、海水,、管壁，指導管道內的智能封堵器工作,。
智能封堵器海底通信中的水聲通信系統(tǒng)部分主要研究的是從母船或平臺計算機操作界面發(fā)出指令數(shù)據(jù),，將數(shù)字信號經由Modem轉換調制成模擬信號，經過功率放大匹配電路,，送至水聲換能器,，轉換成聲信號。
1 水聲通信系統(tǒng)的總體結構設計
用于海底管道的智能封堵器,，要攻克的技術難關之一是如何實現(xiàn)智能封堵器的水上水下通訊,，以完成平臺的遙控操作。由于海洋環(huán)境的特殊性,，故采用了水聲無線通信方式,。水聲通信系統(tǒng)的設計方法通常取決于系統(tǒng)為克服多徑干擾和相位起伏所采用的不同技術。這些技術可分為兩個方面：一是對信號的設計,，即系統(tǒng)調制/解調的方案設計,；二是發(fā)射/接收設備的結構，即系統(tǒng)的幀處理及均衡方案的設計,。根據(jù)對目前已有的水聲通訊技術的調研和智能封堵器的實際應用環(huán)境和特點,；本文提出了如圖2所示的水聲通訊方案。整套通訊系統(tǒng)主要由海上控制中心,、外部通訊鏈路,、以及遙控執(zhí)行機構三個邏輯子系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)主要是基于聲波和超低頻電磁波來進行雙向通訊,。
此通訊系統(tǒng)分為水上收/發(fā)和水下收/發(fā)通訊系統(tǒng)兩部分,。水上部分由計算機、Modem,、收/發(fā)濾波放大電路和雙向換能器組成,，水下部分由水下雙向換能器,、收/發(fā)放大濾波電路,、水聲/ELF轉換電路和ELF-Modem+單片機控制系統(tǒng)組成。因為信號均為收/發(fā)雙向傳遞,，所以采用雙向換能器,，雙向換能器內部既有發(fā)射器又有水聽器，既可發(fā)送聲波信號又可接收聲波信號,。經過調研和選型,，筆者采用的水聲發(fā)射換能器是淺海圓柱型壓電陶瓷換能器FSQ-37,。
Modem將計算機指令信息調制成換能器工作頻帶上的電信號，此電信號經過功率放大后送給水上雙向換能器發(fā)射,，經換能器發(fā)射后變?yōu)槁暡ㄐ盘栐谒袀鬏?，水下雙向換能器接收到聲波信號后再將其轉換為電信號，由于信號在水中傳輸?shù)倪^程中會有所衰減,，并伴隨著一些干擾,，所以這個轉換后的電信號必須經過放大濾波后再經水聲/ELF轉換電路轉換成ELF電磁波信號發(fā)射，ELF電磁波信號可穿透泥土,、海水和管壁被管道內的ELF-Modem+單片機控制系統(tǒng)所接收,，經ELF-Modem解調后變成邏輯電平指令送給單片機，單片機將收到的指令解析后控制封堵器完成各種動作,，這樣就完成了一次信號的單向傳輸,。
此外，封堵器在執(zhí)行指令過程中,，其上的傳感器將檢測到的信號傳送給單片機,，管道內的單片機將這些溫度、壓力和封堵器狀態(tài)等數(shù)據(jù)送回海上的計算機進行監(jiān)測和計算,，這樣計算機就可以了解封堵器的運行情況,，并根據(jù)反饋信號隨時調整控制指令。這個信息的傳送過程是先由單片機將邏輯電信號送給ELF-Modem,，經ELF-Modem調制后變?yōu)镋LF電磁波穿過管壁,，被水聲/ELF轉換電路接收后轉換為換能器工作頻帶上的電信號，此電信號再經過功率放大后送給水下雙向換能器,，發(fā)射器發(fā)射的聲波信號由下至上在水中傳輸,，到達水上后被水上的換能器接收并變?yōu)殡娦盘枺涍^放大送給Modem解調后再送給計算機,，完成由海底到海面的單方向傳輸,。為實現(xiàn)全雙工的傳輸，水聲和ELF通訊都分別使用雙信道進行通訊,，即收/發(fā)采用不同的信道,。
水聲通訊的關鍵在于實現(xiàn)基于Modem的水聲調制解調技術，以便可靠地收/發(fā)數(shù)據(jù),。在通訊系統(tǒng)方案確定之后,，進行水試試驗找到最佳發(fā)射、接收頻率作為水下通信傳輸?shù)妮d波頻率,。水上PC機的人機交互程序和串行通信程序采用Visual Basic 6．0編寫,。采用FSK方式傳送數(shù)字信息控制載波的頻率，將數(shù)字信息調制到水聲換能器的工作頻帶上,，推動水聲換能器把電能轉化為聲波發(fā)射出去,。
2 通信試驗線路的搭建
考慮到自制一個Modem不僅要重新設計和調試電路,，而且還要編寫復雜的通訊協(xié)議，因此通訊所用的Modem為TP-LINK的TM-EC5658V外置式Modem,，這種Modem技術成熟,，編程方便，編寫計算機到Modem之間的通訊程序,，可利用Ⅶ中的MSComm控件來實現(xiàn),。又由于這種Modem的通訊協(xié)議是開放式的，因此即使是用單片機也可較容易地編寫單片機至Modem之間的通訊程序,。雖然使用成品的Modem給編程帶來了方便,，但是由于成品的Modem的工作載頻在300～3400Hz，一般采用FSK調制方法時,，用特殊的音頻范圍來區(qū)別發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù),。如調頻Modem發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的二進制邏輯信號被指定的專用頻率是：發(fā)送時信號邏輯0的頻率為1070Hz，信號邏輯1的頻率為1270Hz,，接收時信號邏輯0的頻率為2025Hz,，信號邏輯1的頻率為2225Hz。這樣的調制頻率與換能器的工作頻帶相差較遠,，本文所選用的FSQ-37換能器的頻帶寬度在20～46kHz之間,，很明顯，從Modem出來的載波信號不能直接送給換能器,，必須經過變頻后轉換到換能器的工作頻帶,，再經過放大濾波后送給換能器轉換為聲波信號進行發(fā)射。因此在Modem和濾波放大電路之間還要設計一個變頻器用來轉換Modem和換能器的發(fā)射頻率,?？紤]到以上因素后海上部分的通訊鏈路的搭建如圖4所示：
在圖4中計算機發(fā)出的信號通過RS-232送給Modem，經Modem調制后把計算機信息變?yōu)槟M量,，送給變頻器,，變頻器將Modem的調制信號轉換為換能器的工作頻率后再送給濾波放大電路，驅動換能器發(fā)射聲信號將數(shù)據(jù)信息傳送至海底,。
由于本文不涉及ELF通訊方式,，所以在搭建海下接收通訊鏈路時作了部分簡化，海底接收端的模擬通訊鏈路如圖5所示,。
在圖5中,，海底的換能器將收到的聲波信號轉換為電信號，經濾波放大后送給變頻器轉換為Modem的載頻信號,，Modem將收到信號解調后送至單片機,，完成一次單項數(shù)據(jù)信息傳輸。從單片機向計算機逆向傳輸信息的原理與上述原理相同,，只是信息的發(fā)起端不同而已,。
3 單片機的選型
由于海底封堵維修工作時的長時間、供電條件限制等制約因素,，因此單片機的選型,，主要從單片機工作的可靠性、節(jié)能性,、工作速度和通訊接口的設計出發(fā),。經過調研選擇ATMEL公司的ATmega系列高性能、低功耗的8位AVR微處理器ATmegal69,，ATmega169具有以下特性：
(1)先進的RISC結構,。130條指令，大多數(shù)指令執(zhí)行時間為單個時鐘周期,；32個8位通用工作寄存器,；全靜態(tài)工作；工作于16MHz時性能高達16MIPS,；只需兩個時鐘周期的硬件乘法器,。
(2)非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲器。16k字節(jié)的系統(tǒng)內可編程Flash,；擦寫壽命：10000次,；具有獨立鎖定位的可選Boot代碼區(qū)；通過片上Bo-ot程序實現(xiàn)系統(tǒng)內編程,；真正的同時讀寫操作,；512字節(jié)的EEPROM；擦寫壽命：100000次,；1k字節(jié)的片內SRAM,。
(3)可以對鎖定位進行編程以實現(xiàn)用戶程序的加密。JTAG接口(與IEEE1149．1標準兼容),；符合JTAG標準的邊界掃描功能,；支持擴展的片內調試功能；通過JTAG接口實現(xiàn)對Flash,、EEPROM,、熔絲位和鎖定位的編程。
(4)外設特點,。4×25段的LCD驅動器,；兩個具有獨立預分頻器和比較器功能的8位定時器/計數(shù)器；一個具有預分頻器,、比較功能和捕捉功能的16位定時器/計數(shù),；具有獨立振蕩器的實時計數(shù)器RTC；四通道PWM,；8路10位ADC,；可編程的串行LISART,；可工作于主機/從機模式的SPI串行接口；有開始狀態(tài)檢測器的通用串行接口USI,；具有獨立片內振蕩器的可編程看門狗定時器,；片內模擬比較器；引腳電平變化可引發(fā)中斷及喚醒MCU,。
(5)特殊的微控制器特點,。上電復位(POR)以及可編程的掉電檢測(BOD)；經過校準的片內RC振蕩器,；片內,、片外中斷源；休眠模式：空閑模式,、ADC噪聲抑制模式,、省電模式、掉電模式和Standby模式,。
(6)I/O口與封裝,。53個可編程的I/O口；64引腳TQFP封裝與64引腳MLF封裝,。
(7)工作電壓,。ATmega169V：1．8～5．5V；ATmega169L：2．7～5．5V,；ATmegal69：4．5～5．5V,。
(8)工作溫度范圍。-40℃至85℃,，工業(yè)級,。
4 總結
根據(jù)本文中提出的通信方案，對計算機所發(fā)出的指令信號已經傳遞至Modem,，轉換成換能器所接受的頻帶范圍,，實驗過程中已取得了良好的效果。目前根據(jù)選用的單片機型號正在進行單片機系統(tǒng)電路的設計,。此水聲通信系統(tǒng)不僅適用于智能封堵器,，可以很好地進行水下數(shù)據(jù)傳送，還可應用在其他海洋,、湖泊的通信環(huán)境中,，具有較高的可移植性，只需更改其中的通信協(xié)議即可,。
智能封堵器應用于海底管道的維修作業(yè)時,，首先要解決的是在深海處如何實現(xiàn)平臺母船與管道之間的即時通信,。本文研究的是從海上平臺發(fā)出的數(shù)據(jù)指令信號到達管道上方接收器之間的通信過程,。由于海底環(huán)境的特殊性，故采用水聲無線通信方式,。智能封堵器通信信號流程如圖1所示,。計算機指令信息首先轉換成聲信號在海洋環(huán)境下傳輸,，最后轉換成ELF電磁波信號，利用電磁波信號穿透泥土,、海水,、管壁，指導管道內的智能封堵器工作,。
智能封堵器海底通信中的水聲通信系統(tǒng)部分主要研究的是從母船或平臺計算機操作界面發(fā)出指令數(shù)據(jù),，將數(shù)字信號經由Modem轉換調制成模擬信號，經過功率放大匹配電路,，送至水聲換能器,，轉換成聲信號。
1 水聲通信系統(tǒng)的總體結構設計
用于海底管道的智能封堵器,，要攻克的技術難關之一是如何實現(xiàn)智能封堵器的水上水下通訊,，以完成平臺的遙控操作。由于海洋環(huán)境的特殊性,，故采用了水聲無線通信方式,。水聲通信系統(tǒng)的設計方法通常取決于系統(tǒng)為克服多徑干擾和相位起伏所采用的不同技術。這些技術可分為兩個方面：一是對信號的設計,，即系統(tǒng)調制/解調的方案設計,；二是發(fā)射/接收設備的結構，即系統(tǒng)的幀處理及均衡方案的設計,。根據(jù)對目前已有的水聲通訊技術的調研和智能封堵器的實際應用環(huán)境和特點,；本文提出了如圖2所示的水聲通訊方案。整套通訊系統(tǒng)主要由海上控制中心,、外部通訊鏈路,、以及遙控執(zhí)行機構三個邏輯子系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)主要是基于聲波和超低頻電磁波來進行雙向通訊,。
此通訊系統(tǒng)分為水上收/發(fā)和水下收/發(fā)通訊系統(tǒng)兩部分,。水上部分由計算機、Modem,、收/發(fā)濾波放大電路和雙向換能器組成,，水下部分由水下雙向換能器,、收/發(fā)放大濾波電路,、水聲/ELF轉換電路和ELF-Modem+單片機控制系統(tǒng)組成。因為信號均為收/發(fā)雙向傳遞,，所以采用雙向換能器,，雙向換能器內部既有發(fā)射器又有水聽器，既可發(fā)送聲波信號又可接收聲波信號,。經過調研和選型,，筆者采用的水聲發(fā)射換能器是淺海圓柱型壓電陶瓷換能器FSQ-37,。
Modem將計算機指令信息調制成換能器工作頻帶上的電信號，此電信號經過功率放大后送給水上雙向換能器發(fā)射,，經換能器發(fā)射后變?yōu)槁暡ㄐ盘栐谒袀鬏?，水下雙向換能器接收到聲波信號后再將其轉換為電信號，由于信號在水中傳輸?shù)倪^程中會有所衰減,，并伴隨著一些干擾,，所以這個轉換后的電信號必須經過放大濾波后再經水聲/ELF轉換電路轉換成ELF電磁波信號發(fā)射，ELF電磁波信號可穿透泥土,、海水和管壁被管道內的ELF-Modem+單片機控制系統(tǒng)所接收,，經ELF-Modem解調后變成邏輯電平指令送給單片機，單片機將收到的指令解析后控制封堵器完成各種動作,，這樣就完成了一次信號的單向傳輸,。
此外，封堵器在執(zhí)行指令過程中,，其上的傳感器將檢測到的信號傳送給單片機,，管道內的單片機將這些溫度、壓力和封堵器狀態(tài)等數(shù)據(jù)送回海上的計算機進行監(jiān)測和計算,，這樣計算機就可以了解封堵器的運行情況,，并根據(jù)反饋信號隨時調整控制指令。這個信息的傳送過程是先由單片機將邏輯電信號送給ELF-Modem,，經ELF-Modem調制后變?yōu)镋LF電磁波穿過管壁,，被水聲/ELF轉換電路接收后轉換為換能器工作頻帶上的電信號，此電信號再經過功率放大后送給水下雙向換能器,，發(fā)射器發(fā)射的聲波信號由下至上在水中傳輸,，到達水上后被水上的換能器接收并變?yōu)殡娦盘枺涍^放大送給Modem解調后再送給計算機,，完成由海底到海面的單方向傳輸,。為實現(xiàn)全雙工的傳輸，水聲和ELF通訊都分別使用雙信道進行通訊,，即收/發(fā)采用不同的信道,。
水聲通訊的關鍵在于實現(xiàn)基于Modem的水聲調制解調技術，以便可靠地收/發(fā)數(shù)據(jù),。在通訊系統(tǒng)方案確定之后,，進行水試試驗找到最佳發(fā)射、接收頻率作為水下通信傳輸?shù)妮d波頻率,。水上PC機的人機交互程序和串行通信程序采用Visual Basic 6．0編寫,。采用FSK方式傳送數(shù)字信息控制載波的頻率，將數(shù)字信息調制到水聲換能器的工作頻帶上,，推動水聲換能器把電能轉化為聲波發(fā)射出去,。
2 通信試驗線路的搭建
考慮到自制一個Modem不僅要重新設計和調試電路,，而且還要編寫復雜的通訊協(xié)議，因此通訊所用的Modem為TP-LINK的TM-EC5658V外置式Modem,，這種Modem技術成熟,，編程方便，編寫計算機到Modem之間的通訊程序,，可利用Ⅶ中的MSComm控件來實現(xiàn),。又由于這種Modem的通訊協(xié)議是開放式的，因此即使是用單片機也可較容易地編寫單片機至Modem之間的通訊程序,。雖然使用成品的Modem給編程帶來了方便,，但是由于成品的Modem的工作載頻在300～3400Hz，一般采用FSK調制方法時,，用特殊的音頻范圍來區(qū)別發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù),。如調頻Modem發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的二進制邏輯信號被指定的專用頻率是：發(fā)送時信號邏輯0的頻率為1070Hz，信號邏輯1的頻率為1270Hz,，接收時信號邏輯0的頻率為2025Hz,，信號邏輯1的頻率為2225Hz。這樣的調制頻率與換能器的工作頻帶相差較遠,，本文所選用的FSQ-37換能器的頻帶寬度在20～46kHz之間,，很明顯，從Modem出來的載波信號不能直接送給換能器,，必須經過變頻后轉換到換能器的工作頻帶,，再經過放大濾波后送給換能器轉換為聲波信號進行發(fā)射。因此在Modem和濾波放大電路之間還要設計一個變頻器用來轉換Modem和換能器的發(fā)射頻率,?？紤]到以上因素后海上部分的通訊鏈路的搭建如圖4所示：
在圖4中計算機發(fā)出的信號通過RS-232送給Modem，經Modem調制后把計算機信息變?yōu)槟M量,，送給變頻器,，變頻器將Modem的調制信號轉換為換能器的工作頻率后再送給濾波放大電路，驅動換能器發(fā)射聲信號將數(shù)據(jù)信息傳送至海底,。
由于本文不涉及ELF通訊方式,，所以在搭建海下接收通訊鏈路時作了部分簡化，海底接收端的模擬通訊鏈路如圖5所示,。
在圖5中,，海底的換能器將收到的聲波信號轉換為電信號，經濾波放大后送給變頻器轉換為Modem的載頻信號,，Modem將收到信號解調后送至單片機,，完成一次單項數(shù)據(jù)信息傳輸。從單片機向計算機逆向傳輸信息的原理與上述原理相同,，只是信息的發(fā)起端不同而已,。
3 單片機的選型
由于海底封堵維修工作時的長時間、供電條件限制等制約因素,，因此單片機的選型,，主要從單片機工作的可靠性、節(jié)能性,、工作速度和通訊接口的設計出發(fā),。經過調研選擇ATMEL公司的ATmega系列高性能、低功耗的8位AVR微處理器ATmegal69,，ATmega169具有以下特性：
(1)先進的RISC結構,。130條指令，大多數(shù)指令執(zhí)行時間為單個時鐘周期,；32個8位通用工作寄存器,；全靜態(tài)工作；工作于16MHz時性能高達16MIPS,；只需兩個時鐘周期的硬件乘法器,。
(2)非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲器。16k字節(jié)的系統(tǒng)內可編程Flash,；擦寫壽命：10000次,；具有獨立鎖定位的可選Boot代碼區(qū)；通過片上Bo-ot程序實現(xiàn)系統(tǒng)內編程,；真正的同時讀寫操作,；512字節(jié)的EEPROM；擦寫壽命：100000次,；1k字節(jié)的片內SRAM,。
(3)可以對鎖定位進行編程以實現(xiàn)用戶程序的加密。JTAG接口(與IEEE1149．1標準兼容),；符合JTAG標準的邊界掃描功能,；支持擴展的片內調試功能；通過JTAG接口實現(xiàn)對Flash,、EEPROM,、熔絲位和鎖定位的編程。
(4)外設特點,。4×25段的LCD驅動器,；兩個具有獨立預分頻器和比較器功能的8位定時器/計數(shù)器；一個具有預分頻器,、比較功能和捕捉功能的16位定時器/計數(shù),；具有獨立振蕩器的實時計數(shù)器RTC；四通道PWM,；8路10位ADC,；可編程的串行LISART,；可工作于主機/從機模式的SPI串行接口；有開始狀態(tài)檢測器的通用串行接口USI,；具有獨立片內振蕩器的可編程看門狗定時器,；片內模擬比較器；引腳電平變化可引發(fā)中斷及喚醒MCU,。
(5)特殊的微控制器特點,。上電復位(POR)以及可編程的掉電檢測(BOD)；經過校準的片內RC振蕩器,；片內,、片外中斷源；休眠模式：空閑模式,、ADC噪聲抑制模式,、省電模式、掉電模式和Standby模式,。
(6)I/O口與封裝,。53個可編程的I/O口；64引腳TQFP封裝與64引腳MLF封裝,。
(7)工作電壓,。ATmega169V：1．8～5．5V；ATmega169L：2．7～5．5V,；ATmegal69：4．5～5．5V,。
(8)工作溫度范圍。-40℃至85℃,，工業(yè)級,。
4 總結
根據(jù)本文中提出的通信方案，對計算機所發(fā)出的指令信號已經傳遞至Modem,，轉換成換能器所接受的頻帶范圍,，實驗過程中已取得了良好的效果。目前根據(jù)選用的單片機型號正在進行單片機系統(tǒng)電路的設計,。此水聲通信系統(tǒng)不僅適用于智能封堵器,，可以很好地進行水下數(shù)據(jù)傳送，還可應用在其他海洋,、湖泊的通信環(huán)境中,，具有較高的可移植性，只需更改其中的通信協(xié)議即可,。
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