海底智能封堵器水聲通信系統的設

　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。