水聲釋放器設(shè)計(jì)

濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)PAGE26-1前言1.1課題研究背景和意義地球上的海洋總面積約占地球表面積的70%以上，海洋是生命的搖籃，海洋中蘊(yùn)藏著豐富的尚未開(kāi)發(fā)利用的各種資源。隨著陸地資源的匱乏，許多重要的資源都要向海洋進(jìn)軍，特別是空間資源，作為戰(zhàn)略空間，作為國(guó)家權(quán)益，作為國(guó)防前哨，人類(lèi)別無(wú)選擇，只有向海洋進(jìn)軍。因此21世紀(jì)將是海洋的世紀(jì)。當(dāng)今世界海洋意識(shí)普遍增強(qiáng)，隨著《聯(lián)合國(guó)海洋法公約》的生效，國(guó)際組織和世界各國(guó)對(duì)海洋越來(lái)越重視。發(fā)達(dá)國(guó)家更是把海洋作為國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略加以實(shí)施，形成了許多新的海洋觀，如海洋經(jīng)濟(jì)觀、海洋政治觀、海洋科技觀、海洋地理觀等等。我國(guó)是擁有300萬(wàn)平方公里海域面積、18000公里海岸線(xiàn)的海洋大國(guó)，在這片廣闊的空間內(nèi)蘊(yùn)藏著極其豐富的資源。因此，保護(hù)、開(kāi)發(fā)、利用我國(guó)豐富的海洋資源就成了我們的重要任務(wù)，這對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展以及國(guó)家的軍事安全都具有重要的戰(zhàn)略意無(wú)線(xiàn)電通信是常用的信息傳遞方式，具有速度快、容量大等特點(diǎn)。而且由于電磁波在水中的衰減系數(shù)與距離的高次方成正比，所以衰減極快。即使功率大如雷達(dá)的無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)，在水中的作用距離也很難超過(guò)幾十米。用在中等距離以上的信息傳遞非常困難。盡管可以通過(guò)電纜和光纖進(jìn)行水下通信，但是對(duì)于水下移動(dòng)條件下的通信，則難以實(shí)。超聲波是頻率高于20000赫茲的聲波，它方向性好，穿透能力強(qiáng)，易于獲得較集中的聲能。超聲波可在氣體、固體、液體中等介質(zhì)中有效傳播，會(huì)產(chǎn)生反射、干涉、疊加和共振現(xiàn)象并且能傳遞很強(qiáng)的能量。和電磁波（如可見(jiàn)光、射線(xiàn)、無(wú)線(xiàn)電波等）相比，聲波在水中傳播的距離遠(yuǎn)，能量損失小。因此，在海洋中，多采用超聲波作為傳輸?shù)慕橘|(zhì)。采用水聲學(xué)原理的聲學(xué)釋放器被大量應(yīng)用于海洋和軍事領(lǐng)域，在海洋監(jiān)測(cè)和海洋工程中，各種坐底式的海洋參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)、水下應(yīng)答器、潛標(biāo)等都需要使用各種規(guī)格的聲學(xué)釋放器；在軍事上，海上試驗(yàn)場(chǎng)區(qū)建設(shè)也需要使用聲學(xué)釋放器，未來(lái)水下通訊網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和水下網(wǎng)絡(luò)中心技術(shù)也離不開(kāi)聲學(xué)釋放器。聲學(xué)釋放器的潛在用戶(hù)主要是海洋石油公司、海洋地質(zhì)調(diào)查單位、海洋科研機(jī)構(gòu)和海軍有關(guān)單位。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀國(guó)外在水聲釋放器的研制方面起步較國(guó)內(nèi)較早，其理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)較國(guó)內(nèi)也豐富。通過(guò)多年的理論與實(shí)踐的研究，國(guó)外在該方面獲得了很多重要的成果。其中生產(chǎn)聲釋放器比較著名的公司有法國(guó)的Ixsa公司、英國(guó)的Sonardyne公司、美國(guó)的Beathos公司以及日本的NGK海洋系統(tǒng)公司。Sonardyne公司的產(chǎn)品如下圖所示。圖1.1英國(guó)Sonardyne公司帶有應(yīng)答功能應(yīng)答器產(chǎn)品情該套設(shè)備的工作頻率范圍為7-15KHz，釋放機(jī)構(gòu)往往采用電機(jī)旋轉(zhuǎn)的方式，水下工作年限一般是2-3年，其工作水深可大六千米一下，屬于深水型，而且可承受的負(fù)載達(dá)五千公。美國(guó)Beathos公司生產(chǎn)的水聲釋放器如下圖所示：圖1.2美國(guó)Beathos公司生產(chǎn)的帶有釋放功能應(yīng)答器產(chǎn)品情應(yīng)答器的工作頻段也為7-15KHz，水下工作年限為2年，TR6000和XT6000為Benthos公司生產(chǎn)的最新的兩款應(yīng)答器產(chǎn)品，TR6000采用了電熔斷的釋放方式，操作簡(jiǎn)。法國(guó)Ixsea公式生產(chǎn)的水聲釋放器如下圖所示：圖1.3法國(guó)Ixsea公式生產(chǎn)的水聲釋放它的基本特性是：工作頻率范圍為8-16KHz，工作水深為7-8千米，可釋放負(fù)載為1-5噸，材料以不銹鋼為。國(guó)內(nèi)的水聲釋放器在可靠性、電動(dòng)伺服分離機(jī)構(gòu)以及靈敏度的研究方面較國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)水平而言有一定的差距。面對(duì)大深度的水下設(shè)備平臺(tái)、錨分離問(wèn)題，結(jié)合自身的專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)以及通過(guò)水上試驗(yàn)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，中船重工集團(tuán)公司第710研究所成功的研制出一套通過(guò)定時(shí)器的氣動(dòng)分類(lèi)里機(jī)構(gòu)。該套裝置的工作流程是：首先通過(guò)啟動(dòng)定時(shí)電路啟動(dòng)點(diǎn)火器，產(chǎn)生高壓燃?xì)庥靡酝苿?dòng)連接銷(xiāo)解鎖，從而完成雷、錨的分離目的。它的性能特點(diǎn)是：工作水深可達(dá)10000米，最大定時(shí)時(shí)間是30天。國(guó)內(nèi)其他從事水聲釋放器研制的單位還有很多，其中以國(guó)家海洋技術(shù)中心、中科研海洋所、中船中國(guó)715所、廈門(mén)大學(xué)、南京大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)等為。通過(guò)多年的技術(shù)研究與試驗(yàn)并在借鑒國(guó)外先進(jìn)的理論與技術(shù)的基礎(chǔ)上，國(guó)家海洋技術(shù)中心在聲學(xué)釋放器的研制方法與技術(shù)手段上已經(jīng)有了一定的技術(shù)基礎(chǔ)，使得國(guó)內(nèi)聲學(xué)釋放器的技術(shù)開(kāi)始逐步多元化，某些性能有了自己的特色。廈門(mén)大學(xué)主要在水聲信道的建模與仿真、水聲通信與水聲網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展與應(yīng)用、水聲釋放器的水下釋放裝置等方面展開(kāi)研究；西北工業(yè)大學(xué)在水聲通信編碼與同步技術(shù)方面獲得了自己的研究成果；哈爾濱工程大學(xué)則主要對(duì)聲學(xué)通訊做深入研究。另外先后有幾十套聲學(xué)應(yīng)答器分別應(yīng)用于“海某集團(tuán)研制的水下釋放系統(tǒng)”、“某測(cè)繪研究所研制的驗(yàn)潮儀系統(tǒng)”、“大連測(cè)試技術(shù)研究所研制的水下物理檢測(cè)系統(tǒng)”、“哈爾濱工程大學(xué)研制的MAS系統(tǒng)”、“中科研地球物理所研制的深海地震儀系統(tǒng)”等，但以上水聲釋放器在工作水深、應(yīng)答距離、連續(xù)工作時(shí)間和高可靠性方面與國(guó)外產(chǎn)品相比還有一定的距。1.3論文的主要工作文章首先介紹了水聲通信的基本原理，給出了水聲通信的物理模型，然后又分析了水聲通道的特點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，重點(diǎn)分析了水聲釋放器研制的理論方法，包括信號(hào)的產(chǎn)生、調(diào)理、采集、調(diào)治與解調(diào)、傳輸和接收等等。設(shè)計(jì)了水聲釋放器各個(gè)功能模塊的硬件電路并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，由于水聲釋放器長(zhǎng)時(shí)間工作在水底，因此設(shè)計(jì)了低功耗硬件平臺(tái)。在硬件設(shè)計(jì)的同時(shí)給予了軟件設(shè)計(jì)的基本原理。最后給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果及儀器運(yùn)行的性能。

2水聲通信基本原理與常用的調(diào)制、解調(diào)技術(shù)2.1水聲通信基本原理一般的水聲通信系統(tǒng)模型如下：信源--編碼器--調(diào)制--發(fā)射換能器--水聲信道（干擾源）水聲信道--接收換能器--解調(diào)器--譯碼器--信宿圖2.1水聲通信模系統(tǒng)工作時(shí),由信源發(fā)出某種特定的符號(hào)信息,在接信端接收對(duì)方發(fā)出的符號(hào)信息,在理想的情況下接收的信息與發(fā)出的信息是一致的,但由于通道存在干擾,實(shí)際收到的信息會(huì)有失真,而且混入了噪聲,也即接收到的是發(fā)生畸變的信號(hào)加上噪。水聲信道是一個(gè)極其復(fù)雜隨機(jī)時(shí)-空-頻變參信道，其主要特征表現(xiàn)為：復(fù)雜性、多變性、強(qiáng)多途、高噪聲和有限的可為實(shí)際使用的頻帶寬度。這種信道是至今存在的難度最大的無(wú)線(xiàn)通訊信道之一。在這種負(fù)載的信道中實(shí)現(xiàn)信息的傳輸，不僅通信速率低，可靠性差，而且傳輸距離還與數(shù)據(jù)速率相制約。特別是淺海聲信道隨機(jī)起伏，時(shí)-空-頻變的多途特征使得水聲通信技術(shù)成為當(dāng)代最復(fù)雜的通信技術(shù)之。2.2水聲通信常用的調(diào)制、解調(diào)技術(shù)由于信源發(fā)送的數(shù)字信號(hào)不能在水中傳播，而接收機(jī)接收到的模擬信號(hào)對(duì)于計(jì)算機(jī)而言不能處理，因此需用調(diào)制解調(diào)機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。我國(guó)水聲通信技術(shù)起步較晚，常用的水聲通信數(shù)字調(diào)制技術(shù)，主要包括幅度鍵控（ASK）、頻移鍵控（FSK）和相移鍵控（PSK）以及由此派生出的各種變形方。2.2.1二進(jìn)制頻移鍵控的調(diào)制與解調(diào)所謂的頻移鍵控是指正弦振蕩的頻率在一組離散值間改變的角度調(diào)制，其中每一離散值表示時(shí)間離散調(diào)制信號(hào)的一種特征狀態(tài)。二進(jìn)制頻移鍵控2FSK（FrequencyShiftKeying）是二進(jìn)制符號(hào)0對(duì)應(yīng)載頻f1，符號(hào)1對(duì)應(yīng)載頻f2，f1與f2之間的改變是瞬時(shí)完成的一種頻移鍵控的技術(shù)，它是數(shù)字傳輸中應(yīng)用較廣的一種方式。換言之，2FSK為二進(jìn)制數(shù)字頻率調(diào)制（二進(jìn)制頻移鍵控），用載波的頻率來(lái)傳遞數(shù)字信息，即用所傳送的數(shù)字信息控制載波的頻率。2FSK信號(hào)便是符號(hào)“0”對(duì)應(yīng)于載頻f1,而符號(hào)“1”對(duì)應(yīng)于載頻f2（與f1對(duì)應(yīng)的另一載頻）的已調(diào)波形，而且f2與f1之間的改變是瞬時(shí)的。傳“0”信號(hào)時(shí)，發(fā)送頻率為f1的載波；傳“1”信號(hào)時(shí)，發(fā)送頻率為f2的載波?？梢?jiàn)，F(xiàn)SK是用不通頻率的載波來(lái)傳遞數(shù)字信息的。2FSK信號(hào)的實(shí)現(xiàn)模型圖2.22FSK信號(hào)的實(shí)現(xiàn)模2FSK調(diào)制原理：通常用頻率選擇法或載波調(diào)頻法來(lái)產(chǎn)生2FSK信號(hào)。由于頻率選擇法產(chǎn)生的2FSK信號(hào)為兩個(gè)獨(dú)立的載波振蕩器輸出信號(hào)之和，在二進(jìn)制碼元狀態(tài)轉(zhuǎn)換（0→1或1→0）時(shí)刻，2FSK信號(hào)的相位通常不是連續(xù)的，這會(huì)不利于已調(diào)制信號(hào)功率譜旁瓣分量的收斂。載波調(diào)頻法是在一個(gè)直接調(diào)頻器重產(chǎn)生2FSK信號(hào)，這時(shí)的已調(diào)制信號(hào)出自同一個(gè)振蕩器，信號(hào)相位在載頻變化時(shí)始終是連續(xù)的，這將有利于已調(diào)制信號(hào)功率譜旁瓣分量的收斂，使信號(hào)功率更集中于信號(hào)寬帶內(nèi)。2FSK信號(hào)的解調(diào)方法常用的有：鑒頻法、相干檢測(cè)法、包絡(luò)檢波法、過(guò)零檢測(cè)法、差分檢測(cè)法等是常用的數(shù)字調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)方法。下面注重介紹下包絡(luò)檢波法。包絡(luò)檢波法：包絡(luò)檢波法可視為由兩路2ASK解調(diào)電路組成。這里，兩個(gè)帶通濾波器（寬帶相同，都為相應(yīng)的2ASK信號(hào)貸款；中心頻率不同，分別為（f1,f2）起分路作用，用以分開(kāi)兩路2ASK信號(hào)，上支路對(duì)應(yīng)=s*cos,下支路對(duì)應(yīng)=cos,經(jīng)包絡(luò)檢測(cè)后分別取出它們的包絡(luò)s及；抽樣判決器起比較作用，把兩路包絡(luò)信號(hào)同時(shí)送到抽樣判決器進(jìn)行計(jì)較，從而判決輸出基帶數(shù)字信號(hào)。若上、下支路s及的抽樣值分別用、表示，則抽樣判決器的判決準(zhǔn)則為當(dāng)時(shí)，判為1；當(dāng)<時(shí)，判為0。2.2.2二進(jìn)制差分相移鍵控調(diào)制相移鍵控（phase-shiftkeyingPSK）是指用一種載波相位來(lái)表示輸入信號(hào)信息的調(diào)制技術(shù)。相移鍵控分為絕對(duì)相移和相對(duì)相移兩種。以未調(diào)載波的相位為基礎(chǔ)的相位調(diào)制叫作絕對(duì)相移。以二進(jìn)制調(diào)相為例，取碼元為“0”時(shí)，調(diào)制后載波與未調(diào)載波反相；“1”和“0”時(shí)調(diào)制后載波相位差180.二進(jìn)制差分相移鍵控調(diào)制工作原理：在PSK調(diào)制時(shí)，載波的相位隨調(diào)制信號(hào)狀態(tài)的不同而改變。如果兩個(gè)頻率相同的載波同時(shí)開(kāi)始振蕩，這兩個(gè)頻率同時(shí)達(dá)到正最大值，同時(shí)達(dá)到零值，同時(shí)達(dá)到負(fù)最大值，此時(shí)它們就處于“同相”狀態(tài)；如果一個(gè)達(dá)到最大值，另一個(gè)達(dá)到負(fù)最大值，則稱(chēng)為“反相”。把信號(hào)振蕩一次作為360度，如果一個(gè)波比另一個(gè)波相差半個(gè)周期，兩個(gè)波的相位差180度，就是反相。當(dāng)傳輸數(shù)字信號(hào)是，“1”碼控制發(fā)0度相位，“0”碼控制發(fā)180度相位。

3硬件電路設(shè)計(jì)3.1概述水聲釋放器由水面甲板單元、水下海床基設(shè)備兩部分構(gòu)成，應(yīng)用水聲通信原理，通過(guò)一對(duì)一水聲換能器相互進(jìn)行通信。其工作流程為：由甲板單元發(fā)出特定編碼指令，海床基設(shè)備接收到信號(hào)進(jìn)行譯碼運(yùn)算，對(duì)信號(hào)進(jìn)行比較。譯碼成功后，單片機(jī)輸出特定脈沖給驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)釋放機(jī)構(gòu)動(dòng)作。釋放機(jī)構(gòu)執(zhí)行脫鉤動(dòng)作，拋掉配重物，海床基設(shè)備帶著搭載的儀器設(shè)備上浮，同時(shí)給出一個(gè)釋放成功的指。水聲釋放器工作原理圖如下所示：圖3.1水聲釋放器工作原本設(shè)計(jì)的水聲釋放器的主要技術(shù)指標(biāo)如下：工作深度：1000m使用壽命：2年頻率范圍：9-14kHZ波特率：140-15360BPS換能器：全方向釋放負(fù)載：1000kg3.2硬件電路設(shè)計(jì)由設(shè)計(jì)要求知，設(shè)備需在水下長(zhǎng)時(shí)間工作，因此，海床基硬件電路考慮選用微功耗器件。整個(gè)接收機(jī)硬件電路包括信號(hào)處理電路和超聲波發(fā)送電路，其中信號(hào)處理電路又由前置放大電路、濾波電路、后置放大電路、電壓比較器、窄帶濾波器組、包絡(luò)檢波電路、譯碼電路等組成。甲板單元硬件電路包括超聲波發(fā)送電路、信號(hào)調(diào)理和采集電路。其中信號(hào)的調(diào)理包括放大、濾波、電平轉(zhuǎn)換、包絡(luò)檢波等等，采用與海床基調(diào)理電路相同的形式。3.2.1超聲波發(fā)送電路超聲波發(fā)送電路是由直流電源、線(xiàn)圈和場(chǎng)效應(yīng)管組成的，直流電流經(jīng)線(xiàn)圈，通過(guò)場(chǎng)效應(yīng)管的不斷的開(kāi)、啟，將直流信號(hào)變成方波信號(hào)，方波信號(hào)在流經(jīng)線(xiàn)圈，由于線(xiàn)圈中的電流不能突變，方波信號(hào)經(jīng)過(guò)線(xiàn)圈后變?yōu)檎也ㄐ盘?hào)，然后發(fā)送出去。具體電路圖如下：圖3.2超聲波發(fā)送電路3.2.2通常情況下，傳感器的輸出信號(hào)非常微弱，而且經(jīng)過(guò)遠(yuǎn)距離的傳輸后信號(hào)能量發(fā)生衰減，因此需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，再送到后面的電路去處理。為了保證測(cè)量精度的要求。放大電路采用的芯片是AnalogDevicESInc公司的AD8541，該芯片的內(nèi)部集成了一個(gè)運(yùn)算放大器，其封裝結(jié)構(gòu)如下圖所示：

圖3.3AD8541芯片AD8541是一款1>單電源供電：2.7V-5.5V2>低電源電流：45uA/放大器3>寬帶：1MHz4>無(wú)相位反轉(zhuǎn)5>低輸入電流6>單位增益穩(wěn)定7>軌到軌輸入和輸出具體電路圖如下所示：圖3.4前置放大電路這是一個(gè)反相比例運(yùn)算電路，該電路的增益A=-3.2.3濾波電路通常被測(cè)信號(hào)是有多個(gè)頻率分量組合而成的，而且在檢測(cè)中得到的信號(hào)除包括有效信息外，還含有噪聲和不希望得到的成分，從而導(dǎo)致真實(shí)信號(hào)的畸變和失真。所以希望采用適當(dāng)?shù)碾娐愤x擇性的過(guò)濾掉所不希望的成分或噪聲。濾波和濾波器便是實(shí)現(xiàn)上述功能的手段和裝。通常濾波器可分為兩大類(lèi)：一是無(wú)源濾波器，二是有源濾波器。無(wú)源濾波器又稱(chēng)為L(zhǎng)C濾波器，是利用電感、電阻和電容的組合設(shè)計(jì)構(gòu)成的濾波電路，可濾除某一次或多次諧波，最普通易于采用的無(wú)源濾波器機(jī)構(gòu)是將電感與電容串聯(lián)，單調(diào)諧濾波器、雙調(diào)諧濾波器以及高通濾波器都屬于無(wú)源濾波器。無(wú)源濾波器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、運(yùn)行可靠行較高、運(yùn)行費(fèi)用較低等優(yōu)點(diǎn)，至今仍是應(yīng)用非常廣泛的被動(dòng)諧波治理的方法。由RC元件與運(yùn)算放大器組成的濾波器成為RC有元濾波器，其功能是讓一定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)通過(guò)，抑制或急劇衰減此頻率范圍以外的信號(hào)。因受到運(yùn)算放大器頻帶的限制，這類(lèi)濾波器主要用于低頻范圍。根據(jù)對(duì)頻率范圍的選擇不同，可分為低通（LPF）、高通（HPF）、帶通（BPF）與帶阻（BEF）等四種濾波器。低通濾波器允許其截止頻率以下的頻率成分通過(guò)而高于此頻率的頻率成分被衰減；高通濾波器允許其截止頻率之上的頻率成分通過(guò)而低于此頻率的頻率成分被衰減；帶通濾波器只允許在其中心頻率附近一定范圍內(nèi)的頻率成分通過(guò)；陷波濾波器可將選定頻帶上的頻率成分衰減。四種濾波器的幅頻特性如下圖：圖3.5濾波器的幅頻特本設(shè)計(jì)的濾波電路采用的是多路負(fù)反饋二階有源帶通濾波電路，因?yàn)樗哂袔?，增益，品質(zhì)因數(shù)具體電路都容易調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，所以在工程上應(yīng)用最為廣泛。具體電路圖如下圖所示：圖3.6二階有源帶通濾波電路該有源帶通濾波器使用單個(gè)通用運(yùn)算放大器接成單電源供電模式，易于實(shí)現(xiàn)。令=，Req是R11和R12的并聯(lián)值，則有：Req=R11//R12=,中心頻率=,品質(zhì)因數(shù)Q等于中心頻率除以帶寬，即Q==。因此我們可以通過(guò)調(diào)節(jié)R3的值遠(yuǎn)大于Req來(lái)獲得大的Q值。3.2.4遲滯電壓比較器由于海洋是個(gè)明顯的噪聲源加之需要將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送往計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，因此在后置放大電路后我們采用增加一個(gè)遲滯比較器，其目的之一是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。其次，信號(hào)通過(guò)遲滯比較器后可將一部分信號(hào)濾除，從而提高抗干擾能力。該部分采用的集成芯片是MAX931，這是一款超低功耗、帶有2%參考比較的電壓比較器。具體工作原理如下圖所示：當(dāng)同相輸入端比反相輸入端低Vref-VHYST時(shí)，輸出端輸出低電平“0”；當(dāng)同相輸入端比反相輸入端高Vref是，輸出高電平“1”。圖3.8MAX931工作原理示意圖該部分的電路圖結(jié)構(gòu)如圖所示：圖3.9遲滯電壓比較電路3.2.5窄帶濾波器組由于信號(hào)的調(diào)制選擇了基于二進(jìn)制頻移鍵控的方式，因此設(shè)置窄帶濾波器組主要用以從復(fù)合信號(hào)中分離出頻率為=9.5Khz和=10Khz的信號(hào)。這里我們選用多路負(fù)反饋二階有源高通濾波的方式。具體電路圖如下：圖3.10多路負(fù)反饋二階有源帶通濾波電路該有源帶通濾波器使用單個(gè)通用運(yùn)算放大器接成單電源供電模式，易于實(shí)現(xiàn)。令=，Req是R61和R64的并聯(lián)值，則有：Req=R61//R64=,中心頻率=,品質(zhì)因數(shù)Q等于中心頻率除以帶寬，即Q==。因此我們可以通過(guò)調(diào)節(jié)R60的值遠(yuǎn)大于Req來(lái)獲得大的Q值。這時(shí)有源帶通濾波器的上限截止頻率和下限截止頻率可以非常接近，具有很強(qiáng)的頻率選擇性。Q值越大，頻率選擇性越好，帶寬越小。我們可以設(shè)置該兩路濾波電路的中心頻率分別為9.5Khz和10KHz。當(dāng)信號(hào)從電路中通過(guò)時(shí)，該頻率的極小范圍內(nèi)的信號(hào)被放大，范圍之外的頻率信號(hào)則被衰減掉。從該電路輸出的信號(hào)被送往包絡(luò)檢波電路。3.2.6包絡(luò)檢波電路包絡(luò)檢波電路由電平轉(zhuǎn)換電路和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成。電平轉(zhuǎn)換電路采用了MAX934集成電路，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器采用了PHILIPS公司的74HC4538D集成芯片。MAX934集成芯片也是一款超低功耗的芯片，其內(nèi)部采用了四個(gè)運(yùn)算放大器。74HC4538D是一款有獨(dú)立的復(fù)位輸入、上升沿/下降沿觸發(fā)的集成芯片。該“4538D”既可以由輸入脈沖的上升沿觸發(fā)也可由輸入脈沖的下降沿觸發(fā)。輸出脈沖的持續(xù)時(shí)間和精度有外部定時(shí)電路的定時(shí)元件和決定。輸出脈沖的寬度等于0.7**，將nRD端設(shè)置成低電平，其將直接使輸出脈沖終止。工作原理示意圖如下：圖3.1274HC4538D工作原理圖輸入輸出n’nn’nQnQ’LHHHXXLLH表3.174HC4538D輸入和輸出關(guān)系其中，H表示高電平L表示低電平表示有低到高的跳變表示由高到低的跳變由和決定輸出脈沖寬度的定時(shí)電路：圖3.14定時(shí)電路該部分的具體電路圖如下所示：圖3.15電平轉(zhuǎn)換電路圖3.16單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器3.2.7譯碼電路譯碼電路以PIC16C716-20I/P芯片為核心，對(duì)確認(rèn)信號(hào)和釋放指令進(jìn)行處理。接收換能器接收到信號(hào)后，信號(hào)經(jīng)過(guò)放大電路、濾波電路、窄帶濾波器組分開(kāi)后，各自經(jīng)過(guò)包絡(luò)檢波后，送往CPU進(jìn)行譯碼運(yùn)算，一旦譯碼成功后，就進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作。除了譯碼運(yùn)算以外，該處理器還需要對(duì)應(yīng)答信號(hào)進(jìn)行處理，應(yīng)答信號(hào)只需是頻率不同的單頻信。該芯片具有的主要特點(diǎn)：1）高性能的RISCCPU；2）除了程序分支是兩周期指令以外，所有都是單周期指令；3）中斷能力：多大7個(gè)內(nèi)部、外部中斷源5）上電復(fù)位(POR)6)直接、間接和相對(duì)尋址方式7）上電定時(shí)器（PWRT）和振蕩器啟動(dòng)定時(shí)器（OST）8)帶有RC振蕩器的看門(mén)狗定時(shí)器（WDT），用以更高可靠的工作9）欠壓復(fù)位（BOR）檢測(cè)電路11）節(jié)電休眠模式12）可選擇的振蕩器選型13）低功耗，高速CMOSEPROM技術(shù)其外部特定主要有：定時(shí)器0:8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的8位預(yù)分頻器定時(shí)器1:16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的預(yù)分頻器定時(shí)器2:8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，帶有8位周期的寄存器，與分頻器和后分頻器8位多通道的模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器3.2.8驅(qū)動(dòng)電路接收機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路部分采用了ZETEX公司的ZHB6718芯片，這是SM-8雙極晶體管的H-橋，在一般的設(shè)計(jì)中，通常是使用H橋驅(qū)動(dòng)電路來(lái)控制直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。圖3.17H橋功能示意圖這是H橋電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)正反轉(zhuǎn)的示意圖。H橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路包括4個(gè)三極管和一個(gè)電機(jī)。要是電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須導(dǎo)通對(duì)角線(xiàn)上的一對(duì)三極管。根據(jù)不同三極管的導(dǎo)通情況，電流可能會(huì)從左至右或者從右至左流過(guò)電機(jī)，從而控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須使對(duì)角線(xiàn)上的一對(duì)三極管導(dǎo)通。例如，如圖4.13所示，當(dāng)Q1管和Q4管導(dǎo)通時(shí)，電流就從電源正極經(jīng)Q1從左至右穿過(guò)電機(jī)，然后再經(jīng)Q4回到電源負(fù)極。按圖中電流箭頭所示，該流向的電流將驅(qū)動(dòng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)三極管Q1和Q4導(dǎo)通時(shí)，電流將從左至右流過(guò)電機(jī)，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)按特定方向轉(zhuǎn)動(dòng)（電機(jī)周?chē)募^指示為順時(shí)針?lè)较颍?。圖3.18H橋驅(qū)動(dòng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)圖4.14所示為另一對(duì)三極管Q2和Q3導(dǎo)通的情況，電流將從右至左流過(guò)電機(jī)。當(dāng)三極管Q2和Q3導(dǎo)通時(shí)，電流將從右至左流過(guò)電機(jī)，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)沿另一方向轉(zhuǎn)動(dòng)（電機(jī)周?chē)募^表示為逆時(shí)針?lè)较颍１静糠植捎玫腪BH6718芯片的原理圖如下：3.3釋放機(jī)構(gòu)水聲釋放器作為一種常用的水聲遙控式的開(kāi)啟裝置，它的水下釋放裝置是重要的關(guān)鍵部件。要求釋放機(jī)構(gòu)具備安全、可靠和方便使用的特。目前水聲釋放器的釋放裝置有多種形式，如爆炸式、機(jī)械儲(chǔ)能式、機(jī)械傳動(dòng)式等等。國(guó)外使用較多的釋放方式是氣動(dòng)分離釋放方式，它工作的基本原理是：利用高壓燃?xì)馔苿?dòng)柱銷(xiāo)運(yùn)動(dòng)，完成水下分離的目的。哈爾濱工程大學(xué)設(shè)計(jì)的釋放方式是電化學(xué)熔斷的方式。本文采用的釋放方式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、成本低等優(yōu)點(diǎn)。它應(yīng)用了H橋驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電機(jī)正反轉(zhuǎn)，從而完成解扣與鎖扣動(dòng)作。

4實(shí)驗(yàn)由于本設(shè)計(jì)采用了頻移鍵控的方式，頻率=8.3khz,頻率=9khz,發(fā)送到控制端的信號(hào)圖如下所示：接收端接受到的兩種頻率信號(hào)，具體信號(hào)圖如下所示：

5結(jié)論本設(shè)計(jì)對(duì)于甲板單元和海床基單元采用的數(shù)據(jù)通信方式是基于二進(jìn)制頻移鍵控的調(diào)制和解調(diào)。當(dāng)在船上發(fā)出的控制信號(hào)后，通過(guò)發(fā)射換能器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲信號(hào)，輻射到水中去。接收換能器接收到信號(hào)后，經(jīng)過(guò)一系列信號(hào)調(diào)理，從窄帶濾波器組中分離出頻率=8.3khz,頻率=9khz的的兩個(gè)信號(hào)，然后經(jīng)包絡(luò)檢波后送CPU進(jìn)行譯碼處理。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了釋放機(jī)構(gòu)的動(dòng)作。

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