智能封堵器水上通信中单片机系统电路的设计

摘要：为了实现封堵器海洋工作环境中的无线遥控动作，封堵器在海底工作中采用了水声通信技术。文章首先介绍了水声通信系统的整体设计。在前期工作中，从影响水声通信的因素出发，对水声通讯频率的选择及水声换能器的选型进行了研究，确定了水声通讯的载波频率。在此基础上提出了基于单片机的水声Modem的制作方案，设计了单片机系统电路。并对单片机至Modem的电路进行了初步调试，实现了单片机到Modem的初始化连接。完成了信号接收滤波放大电路线路的设计和制作。
关键词：封堵器：单片机；水声换能器；调制解调器

1 智能封堵器水声通信系统
用于海底管道的智能封堵器，重要的是如何实现其水上水下通讯系统，以完成平台的遥控操作。整套通讯系统主要由海上控制中心、外部通讯链路、以及遥控执行机构三个逻辑子系统组成。该系统主要是基于声波和超低频电磁波来进行双向通讯。由于海洋环境的特殊性，故采用了水声无线通信方式。
封堵器通讯系统分为水上收／发和水下收／发通讯系统两部分。水上部分由计算机、Modem、收／发滤波放大电路和双向换能器组成；水下部分由水下双向换能器、收／发放大滤波电路、水声／ELF转换电路和ELF-Modem+单片机控制系统组成。因为信号均为收／发双向传递，所以采用双向换能器，双向换能器既可发送声波信号又可接收声波信号，即换能器的内部既有发射器又有水听器。在前期工作中，提出了如图1所示的水声通讯方案。本文就单片机控制系统电路做了以下设计。

2 单片机系统的设计
单片机系统主要由电源、A／D转换、PWM调节电路、主控电路、串行通讯以及为调试电路方便而设计的开关不进和显示电路等组成。
2．1 主控电路的设计
单片机系统的主控电路如图2所示。主芯片ATmega169的PC0-PC7作为显示控制端口，PA0-PA7在C语言编程环境定义为Din 1至Din 8即TTL电平数字输入，PD0-PD7为数字量输入通道，PF0-PF7为模拟量输入通道，PB5、PB6作为PWM控制以备控制简单的机械动作，PE0、PE1作为通讯端口，PE2-PE5接DIP开关为调试程序方便所设置。另外还有中断和蜂鸣器的设置等。ATmega169的23、24脚接晶振，为ATmega169提供时钟。

2．2 通讯电路的设计
单片机的通讯采用RS-232接口进行，如图3所示，单片机的TXD和RXD信号两根信号线分别接到MAX232的第9、10脚。

由于单片机串口的电平为TTL电平，必须先转换为 RS-232电平才能与Modem通信。图中采用MAX232芯片实现单片机和Modem的连接，进行电平转换。
单片机虽然有串行I／O口，但不具有RTS、CTS、DTR、DSR等标准接口握手信号线。考虑到单片机与上位机的通信量并不大，所以在连接时采用简单的“三线式”，即只通过TXD、RXD和地线GND进行连接，其他信号在对Modem初始化时发送AT命令将其忽略。若想使系统更紧凑些，还可采用单片机外接一个8250通讯接口芯片的形式构成Modem+单片机系统。
将各部分电路组合在一起就构成了单片机系统，最后做成的电路板如图4所示。

3 信号的滤波放大电路设计
水下换能器接收到的声信号干扰多、幅值小，要得到可靠的载波信息，首先应将接收到的信号进行滤波放大，然后传送至水下Modem解调出载波信息。此处的接收电路设计包括带通滤波电路设计和信号放大电路设计。水试中采用了低阶带通滤波电路，信号放大选用了放大增益范围较宽的集成芯片AD620。
水试实验之前利用MATLAB软件中的数字信号处理功能创建仿真数字带通滤波器。按照课题的要求，确定滤波器的性能指标，利用MATLAB中的窗函数设计一带通滤波器。使f1=100Hz，f4=250Hz两种频率的信号被滤去，f2=150Hz，f3=200Hz的信号则被保留。

由图5的比较可以看出，信号中频率为150Hz和200Hz的两种成分被保留了下来。这说明此带通滤波器的性能满足了指标要求。

4 利用AD620设计信号放大电路
AD620为一个低成本、高精度的仪器放大器，8脚SOIC塑封外形。AD620具有体积小、功耗低、噪声小及供电电源范围广等特点。
在实验未加放大电路之前接收到的信号波形幅值在22～28mV之间，为了满足下一步解调电路的输入信号要求，根据多次实验接收信号效果选择放大增益G取200，根据公式可以计算出外部控制电阻RG选为248．2Ω。经过放大后的信号电压幅值在4．5～5．5V范围之间，满足了Modem的输入信号要求。

5 滤波放大电路的实现
水试实验中硬件滤波放大电路设计见图6。带通滤波电路是由基本的高通滤波器和低通滤波器级联组成。电路中各电阻元器件的取值根据滤波频率范围计算得到。

电路中电容C1与C2取为0．1μF，fH、fL分别为36kHz和34kHz。电阻元件的