摘要：為了實(shí)現(xiàn)封堵器海洋工作環(huán)境中的無線遙控動(dòng)作，封堵器在海底工作中采用了水聲通信技術(shù)。文章首先介紹了水聲通信系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)。在前期工作中，從影響水聲通信的因素出發(fā)，對水聲通訊頻率的選擇及水聲換能器的選型進(jìn)行了研究，確定了水聲通訊的載波頻率。在此基礎(chǔ)上提出了基于單片機(jī)的水聲Modem的制作方案，設(shè)計(jì)了單片機(jī)系統(tǒng)電路。并對單片機(jī)至Modem的電路進(jìn)行了初步調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)到Modem的初始化連接。完成了信號接收濾波放大電路線路的設(shè)計(jì)和制作。
關(guān)鍵詞：封堵器：單片機(jī)；水聲換能器；調(diào)制解調(diào)器

1 智能封堵器水聲通信系統(tǒng)
    用于海底管道的智能封堵器，重要的是如何實(shí)現(xiàn)其水上水下通訊系統(tǒng)，以完成平臺的遙控操作。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(jī)構(gòu)三個(gè)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(jìn)行雙向通訊。由于海洋環(huán)境的特殊性，故采用了水聲無線通信方式。
    封堵器通訊系統(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(jì)算機(jī)、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(zhuǎn)換電路和ELF-Modem+單片機(jī)控制系統(tǒng)組成。因?yàn)樾盘柧鶠槭眨l(fā)雙向傳遞，所以采用雙向換能器，雙向換能器既可發(fā)送聲波信號又可接收聲波信號，即換能器的內(nèi)部既有發(fā)射器又有水聽器。在前期工作中，提出了如圖1所示的水聲通訊方案。本文就單片機(jī)控制系統(tǒng)電路做了以下設(shè)計(jì)。

2 單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
    單片機(jī)系統(tǒng)主要由電源、A／D轉(zhuǎn)換、PWM調(diào)節(jié)電路、主控電路、串行通訊以及為調(diào)試電路方便而設(shè)計(jì)的開關(guān)不進(jìn)和顯示電路等組成。
2．1 主控電路的設(shè)計(jì)
    單片機(jī)系統(tǒng)的主控電路如圖2所示。主芯片ATmega169的PC0-PC7作為顯示控制端口，PA0-PA7在C語言編程環(huán)境定義為Din 1至Din 8即TTL電平數(shù)字輸入，PD0-PD7為數(shù)字量輸入通道，PF0-PF7為模擬量輸入通道，PB5、PB6作為PWM控制以備控制簡單的機(jī)械動(dòng)作，PE0、PE1作為通訊端口，PE2-PE5接DIP開關(guān)為調(diào)試程序方便所設(shè)置。另外還有中斷和蜂鳴器的設(shè)置等。ATmega169的23、24腳接晶振，為ATmega169提供時(shí)鐘。

2．2 通訊電路的設(shè)計(jì)
    單片機(jī)的通訊采用RS-232接口進(jìn)行，如圖3所示，單片機(jī)的TXD和RXD信號兩根信號線分別接到MAX232的第9、10腳。

    由于單片機(jī)串口的電平為TTL電平，必須先轉(zhuǎn)換為 RS-232電平才能與Modem通信。圖中采用MAX232芯片實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和Modem的連接，進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。
    單片機(jī)雖然有串行I／O口，但不具有RTS、CTS、DTR、DSR等標(biāo)準(zhǔn)接口握手信號線?？紤]到單片機(jī)與上位機(jī)的通信量并不大，所以在連接時(shí)采用簡單的“三線式”，即只通過TXD、RXD和地線GND進(jìn)行連接，其他信號在對Modem初始化時(shí)發(fā)送AT命令將其忽略。若想使系統(tǒng)更緊湊些，還可采用單片機(jī)外接一個(gè)8250通訊接口芯片的形式構(gòu)成Modem+單片機(jī)系統(tǒng)。
    將各部分電路組合在一起就構(gòu)成了單片機(jī)系統(tǒng)，最后做成的電路板如圖4所示。

3 信號的濾波放大電路設(shè)計(jì)
    水下?lián)Q能器接收到的聲信號干擾多、幅值小，要得到可靠的載波信息，首先應(yīng)將接收到的信號進(jìn)行濾波放大，然后傳送至水下Modem解調(diào)出載波信息。此處的接收電路設(shè)計(jì)包括帶通濾波電路設(shè)計(jì)和信號放大電路設(shè)計(jì)。水試中采用了低階帶通濾波電路，信號放大選用了放大增益范圍較寬的集成芯片AD620。
    水試實(shí)驗(yàn)之前利用MATLAB軟件中的數(shù)字信號處理功能創(chuàng)建仿真數(shù)字帶通濾波器。按照課題的要求，確定濾波器的性能指標(biāo)，利用MATLAB中的窗函數(shù)設(shè)計(jì)一帶通濾波器。使f1=100Hz，f4=250Hz兩種頻率的信號被濾去，f2=150Hz，f3=200Hz的信號則被保留。

    由圖5的比較可以看出，信號中頻率為150Hz和200Hz的兩種成分被保留了下來。這說明此帶通濾波器的性能滿足了指標(biāo)要求。

4 利用AD620設(shè)計(jì)信號放大電路
    AD620為一個(gè)低成本、高精度的儀器放大器，8腳SOIC塑封外形。AD620具有體積小、功耗低、噪聲小及供電電源范圍廣等特點(diǎn)。
    在實(shí)驗(yàn)未加放大電路之前接收到的信號波形幅值在22～28mV之間，為了滿足下一步解調(diào)電路的輸入信號要求，根據(jù)多次實(shí)驗(yàn)接收信號效果選擇放大增益G取200，根據(jù)公式可以計(jì)算出外部控制電阻RG選為248．2Ω。經(jīng)過放大后的信號電壓幅值在4．5～5．5V范圍之間，滿足了Modem的輸入信號要求。

5 濾波放大電路的實(shí)現(xiàn)
    水試實(shí)驗(yàn)中硬件濾波放大電路設(shè)計(jì)見圖6。帶通濾波電路是由基本的高通濾波器和低通濾波器級聯(lián)組成。電路中各電阻元器件的取值根據(jù)濾波頻率范圍計(jì)算得到。

    電路中電容C1與C2取為0．1μF，fH、fL分別為36kHz和34kHz。電阻元件的參數(shù)計(jì)算公式分別為：R1=1／2πfHC1，R2=1／2πfLC2R2。把C1、C2與ffH、fL的數(shù)值分別代入以上公式，計(jì)算得出R1=44．23Ω，R2=46．83Ω。
    電路中電源解耦是一個(gè)經(jīng)常被忽視的重要細(xì)節(jié)。通常，旁路電容器(典型值為0．01μF)連接在每個(gè)IC的電源引腳和地之間。盡管通常情況下是合適的，但是在實(shí)際應(yīng)用中可能無效或產(chǎn)生比沒有旁路電容器更壞的瞬態(tài)電壓。因此考慮在電路中對芯片的電源引腳與參考端REF在電路板上的連接地點(diǎn)之間分別加上0．01μF的旁路電容。

6 總結(jié)
    根據(jù)本文中設(shè)計(jì)的硬件電路，先利用Multisim軟件對設(shè)計(jì)電路進(jìn)行了仿真分析，均取得了良好的效果。后按圖制作了實(shí)際的電路用于信號的濾波放大。