海底智能封堵器水聲通信系統的設計
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時，首先要解決的是在深海處如何實現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出的數據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時，首先要解決的是在深海處如何實現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出的數據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部分主要研究的是從母船或平臺計算機操作界面發出指令數據，將數字信號經由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。由于海洋環境的特殊性，故采用了水聲無線通信方式。水聲通信系統的設計方法通常取決于系統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，即系統調制/解調的方案設計；二是發射/接收設備的結構，即系統的幀處理及均衡方案的設計。根據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。
此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，雙向換能器內部既有發射器又有水聽器，既可發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射，經換能器發射后變為聲波信號在水中傳輸，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的過程中會有所衰減，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、壓力和封堵器狀態等數據送回海上的計算機進行監測和計算，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調制后變為ELF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，發射器發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為電信號，經過放大送給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/發采用不同的信道。
水聲通訊的關鍵在于實現基于Modem的水聲調制解調技術，以便可靠地收/發數據。在通訊系統方案確定之后，進行水試試驗找到最佳發射、接收頻率作為水下通信傳輸的載波頻率。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方式傳送數字信息控制載波的頻率，將數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。又由于這種Modem的通訊協議是開放式的，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別發送數據和接收數據。如調頻Modem發送和接收數據的二進制邏輯信號被指定的專用頻率是：發送時信號邏輯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和換能器的發射頻率。考慮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中計算機發出的信號通過RS-232送給Modem，經Modem調制后把計算機信息變為模擬量，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，驅動換能器發射聲信號將數據信息傳送至海底。
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，完成一次單項數據信息傳輸。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、節能性、工作速度和通訊接口的設計出發。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，大多數指令執行時間為單個時鐘周期；32個8位通用工作寄存器；全靜態工作；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)非易失性程序和數據存儲器。16k字節的系統內可編程Flash；擦寫壽命：10000次；具有獨立鎖定位的可選Boot代碼區；通過片上Bo-ot程序實現系統內編程；真正的同時讀寫操作；512字節的EEPROM；擦寫壽命：100000次；1k字節的片內SRAM。
(3)可以對鎖定位進行編程以實現用戶程序的加密。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；具有獨立振蕩器的實時計數器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℃，工業級。
4 總結
根據本文中提出的通信方案，對計算機所發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。目前根據選用的單片機型號正在進行單片機系統電路的設計。此水聲通信系統不僅適用于智能封堵器，可以很好地進行水下數據傳送，還可應用在其他海洋、湖泊的通信環境中，具有較高的可移植性，只需更改其中的通信協議即可。
智能封堵器應用于海底管道的維修作業時，首先要解決的是在深海處如何實現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出的數據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部分主要研究的是從母船或平臺計算機操作界面發出指令數據，將數字信號經由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。由于海洋環境的特殊性，故采用了水聲無線通信方式。水聲通信系統的設計方法通常取決于系統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，即系統調制/解調的方案設計；二是發射/接收設備的結構，即系統的幀處理及均衡方案的設計。根據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。
此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，雙向換能器內部既有發射器又有水聽器，既可發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射，經換能器發射后變為聲波信號在水中傳輸，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的過程中會有所衰減，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、壓力和封堵器狀態等數據送回海上的計算機進行監測和計算，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調制后變為ELF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，發射器發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為電信號，經過放大送給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/發采用不同的信道。
水聲通訊的關鍵在于實現基于Modem的水聲調制解調技術，以便可靠地收/發數據。在通訊系統方案確定之后，進行水試試驗找到最佳發射、接收頻率作為水下通信傳輸的載波頻率。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方式傳送數字信息控制載波的頻率，將數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。又由于這種Modem的通訊協議是開放式的，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別發送數據和接收數據。如調頻Modem發送和接收數據的二進制邏輯信號被指定的專用頻率是：發送時信號邏輯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和換能器的發射頻率。考慮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中計算機發出的信號通過RS-232送給Modem，經Modem調制后把計算機信息變為模擬量，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，驅動換能器發射聲信號將數據信息傳送至海底。
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，完成一次單項數據信息傳輸。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、節能性、工作速度和通訊接口的設計出發。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，大多數指令執行時間為單個時鐘周期；32個8位通用工作寄存器；全靜態工作；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)非易失性程序和數據存儲器。16k字節的系統內可編程Flash；擦寫壽命：10000次；具有獨立鎖定位的可選Boot代碼區；通過片上Bo-ot程序實現系統內編程；真正的同時讀寫操作；512字節的EEPROM；擦寫壽命：100000次；1k字節的片內SRAM。
(3)可以對鎖定位進行編程以實現用戶程序的加密。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；具有獨立振蕩器的實時計數器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℃，工業級。
4 總結
根據本文中提出的通信方案，對計算機所發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。目前根據選用的單片機型號正在進行單片機系統電路的設計。此水聲通信系統不僅適用于智能封堵器，可以很好地進行水下數據傳送，還可應用在其他海洋、湖泊的通信環境中，具有較高的可移植性，只需更改其中的通信協議即可。
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