海底智能封堵器水声通信系统的设计

　2 通信试验线路的搭建

　　考虑到自制一个Modem不仅要重新设计和调试电路，而且还要编写复杂的通讯协议，因此通讯所用的Modem为TP-LINK的TM-EC5658V外置式Modem，这种Modem技术成熟，编程方便，编写计算机到Modem之间的通讯程序，可利用Ⅶ中的MSComm控件来实现。又由于这种Modem的通讯协议是开放式的，因此即使是用单片机也可较容易地编写单片机至Modem之间的通讯程序。虽然使用成品的Modem给编程带来了方便，但是由于成品的Modem的工作载频在300～3400Hz，一般采用FSK调制方法时，用特殊的音频范围来区别发送数据和接收数据。如调频Modem发送和接收数据的二进制逻辑信号被指定的专用频率是：发送时信号逻辑0的频率为1070Hz，信号逻辑1的频率为1270Hz，接收时信号逻辑0的频率为2025Hz，信号逻辑1的频率为2225Hz。这样的调制频率与换能器的工作频带相差较远，本文所选用的FSQ-37换能器的频带宽度在20～46kHz之间，很明显，从Modem出来的载波信号不能直接送给换能器，必须经过变频后转换到换能器的工作频带，再经过放大滤波后送给换能器转换为声波信号进行发射。因此在Modem和滤波放大电路之间还要设计一个变频器用来转换Modem和换能器的发射频率。考虑到以上因素后海上部分的通讯链路的搭建如图4所示：

　　在图4中计算机发出的信号通过RS-232送给Modem，经Modem调制后把计算机信息变为模拟量，送给变频器，变频器将Modem的调制信号转换为换能器的工作频率后再送给滤波放大电路，驱动换能器发射声信号将数据信息传送至海底。

　　由于本文不涉及ELF通讯方式，所以在搭建海下接收通讯链路时作了部分简化，海底接收端的模拟通讯链路如图5所示。

　　在图5中，海底的换能器将收到的声波信号转换为电信号，经滤波放大后送给变频器转换为Modem的载频信号，Modem将收到信号解调后送至单片机，完成一次单项数据信息传输。从单片机向计算机逆向传输信息的原理与上述原理相同，只是信息的发起端不同而已。

　　3 单片机的选型

　　由于海底封堵维修工作时的长时间、供电条件限制等制约因素，因此单片机的选型，主要从单片机工作的可靠性、节能性、工作速度和通讯接口的设计出发。经过调研选择ATMEL公司的ATmega系列高性能、低功耗的8位AVR微处理器ATmegal69，ATmega169具有以下特性：

　　(1)先进的RISC结构。130条指令，大多数指令执行时间为单个时钟周期；32个8位通用工作寄存器；全静态工作；工作于16MHz时性能高达16MIPS；只需两个时钟周期的硬件乘法器。

　　(2)非易失性程序和数据存储器。16k字节的系统内可编程Flash；擦写寿命：10000次；具有独立锁定位的可选Boot代码区；通过片上Bo-ot程序实现系统内编程；真正的同时读写操作；512字节的EEPROM；擦写寿命：100000次；1k字节的片内SRAM。

　　(3)可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密。JTAG接口(与IEEE1149．1标准兼容)；符合JTAG标准的边界扫描功能；支持扩展的片内调试功能；通过JTAG接口实现对Flash、EEPROM、熔丝位和锁定位的编程。

　　(4)外设特点。4×25段的LCD驱动器；两个具有独立预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器；一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/计数；具有独立振荡器的实时计数器RTC；四通道PWM；8路10位ADC；可编程的串行LISART；可工作于主机/从机模式的SPI串行接口；有开始状态检测器的通用串行接口USI；具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器；片内模拟比较器；引脚电平变化可引发中断及唤醒MCU。

　　(5)特殊的微控制器特点。上电复位(POR)以及可编程的掉电检测(BOD)；经过校准的片内RC振荡器；片内、片外中断源；休眠模式：空闲模式、ADC噪声抑制模式、省电模式、掉电模式和Standby模式。

　　(6)I/O口与封装。53个可编程的I/O口；64引脚TQFP封装与64引脚MLF封装。

　　(7)工作电压。ATmega169V：1．8～5．5V；ATmega169L：2．7～5．5V；ATmegal69：4．5～5．5V。

　　(8)工作温度范围。-40℃至85℃，工业级。

　　4 总结

　　根据本文中提出的通信方案，对计算机所发出的指令信号已经传递至Modem，转换成换能器所接受的频带范围，实验过程中已取得了良好的效果。目前根据选用的单片机型号正在进行单片机系统电路的设计。此水声通信系统不仅适用于智能封堵器，可以很好地进行水下数据传送，还可应用在其他海洋、湖泊的通信环境中，具有较高的可移植性，只需更改其中的通信协议即可。