硬件集成電路設計熱門培訓內容之基于單片機的水聲調制解調器的設計及仿真

時間:2018-03-23 10:25:25

為了實現封堵器海洋工作環境中的無線遙控動作,封堵器在海底工作中采用了水聲通信技術。文章首先介紹了水聲通信系統的整體設計。在前期工作中,從影響水聲通信的因素出發,對水聲通訊頻率的選擇及水聲換能器的選型進行了研究,確定了水聲通訊的載波頻率。在此基礎上提出了基于單片機的水聲Modem的制作方案,設計了單片機系統電路。并對單片機至Modem的電路進行了初步調試,實現了單片機到Modem的初始化連接。完成了信號接收濾波放大電路線路的設計和制作。

1 智能封堵器水聲通信系統
    用于海底管道的智能封堵器,重要的是如何實現其水上水下通訊系統,以完成平臺的遙控操作。整套通訊系統主要由海上控制中心、外部通訊鏈路、以及遙控執行機構三個邏輯子系統組成。該系統主要是基于聲波和超低頻電磁波來進行雙向通訊。由于海洋環境的特殊性,故采用了水聲無線通信方式。
    封堵器通訊系統分為水上收/發和水下收/發通訊系統兩部分。水上部分由計算機、Modem、收/發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/發放大濾波電路、水聲/ELF轉換電路和ELF-Modem+單片機控制系統組成。因為信號均為收/發雙向傳遞,所以采用雙向換能器,雙向換能器既可發送聲波信號又可接收聲波信號,即換能器的內部既有發射器又有水聽器。在前期工作中,提出了如圖1所示的水聲通訊方案。本文就單片機控制系統電路做了以下設計。


    2 單片機系統的設計
    單片機系統主要由電源、A/D轉換、PWM調節電路、主控電路、串行通訊以及為調試電路方便而設計的開關不進和顯示電路等組成。
    2.1 主控電路的設計
    單片機系統的主控電路如圖2所示。主芯片ATmega169的PC0-PC7作為顯示控制端口,PA0-PA7在C語言編程環境定義為Din 1至Din 8即TTL電平數字輸入,PD0-PD7為數字量輸入通道,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械動作,PE0、PE1作為通訊端口,PE2-PE5接DIP開關為調試程序方便所設置。另外還有中斷和蜂鳴器的設置等。ATmega169的23、24腳接晶振,為ATmega169提供時鐘。


2.2 通訊電路的設計
    單片機的通訊采用RS-232接口進行,如圖3所示,單片機的TXD和RXD信號兩根信號線分別接到MAX232的第9、10腳。


    
    由于單片機串口的電平為TTL電平,必須先轉換為 RS-232電平才能與Modem通信。圖中采用MAX232芯片實現單片機和Modem的連接,進行電平轉換。
    單片機雖然有串行I/O口,但不具有RTS、CTS、DTR、DSR等標準接口握手信號線。考慮到單片機與上位機的通信量并不大,所以在連接時采用簡單的“三線式”,即只通過TXD、RXD和地線GND進行連接,其他信號在對Modem初始化時發送AT命令將其忽略。若想使系統更緊湊些,還可采用單片機外接一個8250通訊接口芯片的形式構成Modem+單片機系統。
    將各部分電路組合在一起就構成了單片機系統,最后做成的電路板如圖4所示。


    3 信號的濾波放大電路設計
    水下換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,首先應將接收到的信號進行濾波放大,然后傳送至水下Modem解調出載波信息。此處的接收電路設計包括帶通濾波電路設計和信號放大電路設計。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。
    水試實驗之前利用MATLAB軟件中的數字信號處理功能創建仿真數字帶通濾波器。按照課題的要求,確定濾波器的性能指標,利用MATLAB中的窗函數設計一帶通濾波器。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要求。
    4 利用AD620設計信號放大電路
    AD620為一個低成本、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。
    在實驗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電路的輸入信號要求,根據多次實驗接收信號效果選擇放大增益G取200,根據公式可以計算出外部控制電阻RG選為248.2Ω。經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 濾波放大電路的實現
    水試實驗中硬件濾波放大電路設計見圖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組成。電路中各電阻元器件的取值根據濾波頻率范圍計算得到。

    電路中電容C1與C2取為0.1μF,fH、fL分別為36kHz和34kHz。電阻元件的參數計算公式分別為:R1=1/2πfHC1,R2=1/2πfLC2R2。把C1、C2與ffH、fL的數值分別代入以上公式,計算得出R1=44.23Ω,R2=46.83Ω。
    電路中電源解耦是一個經常被忽視的重要細節。通常,旁路電容器(典型值為0.01μF)連接在每個IC的電源引腳和地之間。盡管通常情況下是合適的,但是在實際應用中可能無效或產生比沒有旁路電容器更壞的瞬態電壓。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之間分別加上0.01μF的旁路電容。
    6 總結
    根據本文中設計的硬件電路,先利用Multisim軟件對設計電路進行了仿真分析,均取得了良好的效果。后按圖制作了實際的電路用于信號的濾波放大。

 

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