水下通訊技術(shù)

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水下通訊技術(shù)范文第1篇

Abstract: This paper describes the ultrasonic wireless launch and receiver module's working principle and designning ideas, given the overall program for the project of ultrasound wireless point to point communication from a systems perspective. The acoustic communication system can achieve the communication from the serial port to ultrasonic wireless and then back to another serial port. The experimental result shows that the design can achieve stable wireless acoustic communication within a certain distance.

關(guān)鍵詞： 即現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）；無(wú)線通訊；超聲波；聲通訊

Key words: field-programmable gate array (FPGA)；wireless communication；ultrasonic wave；acoustic wireless communication

中圖分類號(hào)：TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2012）24-0215-02

0 引言

隨著電子技術(shù)的飛速度發(fā)展，無(wú)線通訊正悄然的改變著這個(gè)社會(huì)，成為人們生活中不可或缺的一部分，傳統(tǒng)意義上的無(wú)線通訊大多建立在電磁通訊上，雖發(fā)展早技術(shù)相對(duì)成熟，但并不適合于所有領(lǐng)域，如海洋環(huán)境。由于水是電的良導(dǎo)體，這使得電磁波在水下衰減十分迅速，想進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)無(wú)線通訊非常困難。如今世界各國(guó)對(duì)海洋資源開發(fā)的日益重視，人們?cè)桨l(fā)感覺到找尋一種新型的無(wú)線通訊方式并制定與之相應(yīng)的通訊體制的重要性。與此同時(shí)因聲波在水下傳播方向性好，穿透力強(qiáng)，傳播距離遠(yuǎn)等特性，使得水聲成為水下通訊的首選媒介，無(wú)線聲通訊的研究正在成為一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。

現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）作為新一代的可編程邏輯器件以其成本低、可靠性高、開發(fā)周期短等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于通訊、工控、接口總線、航空及車載控制等的設(shè)計(jì)上，成為最具靈活性及廣泛性的開發(fā)設(shè)計(jì)平臺(tái)之一。FPGA可輕易地被修改與變更，且允許開發(fā)人員根據(jù)需求變化進(jìn)行資源的重新配置，這允許我們對(duì)已經(jīng)成型的PCB在不改動(dòng)硬件連接的情況下進(jìn)行二次開發(fā)，這一優(yōu)點(diǎn)在無(wú)線通訊設(shè)計(jì)方面尤為明顯，突出表現(xiàn)在系統(tǒng)的升級(jí)更新，協(xié)議的調(diào)整，接口的擴(kuò)展等方面。FPGA在為無(wú)線通訊系統(tǒng)提供豐富資源的同時(shí)，也使無(wú)線通訊系統(tǒng)煩瑣的開發(fā)過(guò)程變的簡(jiǎn)單。

1 總體設(shè)計(jì)和系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)分為超聲波收發(fā)部分，調(diào)制解調(diào)部分以及與外界MCU、PC進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)腢ART接口模塊、系統(tǒng)接口緩存FIFO四個(gè)部分組成。系統(tǒng)將待發(fā)送的數(shù)據(jù)通過(guò)脈沖進(jìn)行編碼調(diào)制，把數(shù)據(jù)加載到聲波上以超聲波的能量形式發(fā)送出去，由超聲波接收模塊接收，并進(jìn)行信號(hào)的解調(diào)與校驗(yàn)。系統(tǒng)中將要發(fā)送與新接收到的數(shù)據(jù)都暫存在FIFO中，并通過(guò)UART接口與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互，如圖1所示。

2 設(shè)計(jì)原理

2.1 無(wú)線部分的設(shè)計(jì)

2.1.1 超聲波無(wú)線通訊協(xié)議選擇與數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu) 為了能夠正確地對(duì)超聲波進(jìn)行編碼，首先必須對(duì)通訊協(xié)議進(jìn)行選擇與設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于幀的同步問(wèn)題，本設(shè)計(jì)參考了串口通訊協(xié)議，數(shù)據(jù)幀包含一個(gè)起始位，8個(gè)數(shù)據(jù)位，一個(gè)偶校驗(yàn)位和1個(gè)停止位。未接收到信號(hào)時(shí)，定時(shí)器不計(jì)時(shí)，當(dāng)電平由高變低即收到起始位0時(shí)，記時(shí)器開始計(jì)時(shí)，既以起始位作為幀同步的信號(hào)。通過(guò)比較計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)來(lái)判斷每一位是0或者是1，接收完8位數(shù)據(jù)、校驗(yàn)位及停止位后。定時(shí)器復(fù)位，準(zhǔn)備接收下一個(gè)數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)以200個(gè)40KHZ周期脈沖時(shí)間作為最小的電平轉(zhuǎn)換單元，即最小的電平持續(xù)時(shí)間為5ms，為保證采樣數(shù)據(jù)的可靠性，對(duì)每位的電平數(shù)據(jù)進(jìn)行中心點(diǎn)附近的5次采樣。

2.1.2 載波頻率的選擇 超聲波在介質(zhì)中傳輸對(duì)頻率十分敏感，在傳播過(guò)程中介質(zhì)對(duì)聲波的吸收與頻率的平方成正比，頻率越高，衰減越快，而頻率低收到的背景噪聲大，對(duì)傳輸質(zhì)量有影響。選擇合適的頻率來(lái)作為系統(tǒng)無(wú)線的載波頻率不但可以有效避開大量背景噪聲同時(shí)也減少了傳播過(guò)程的信號(hào)衰減。試驗(yàn)中選用常用的40khz換能器作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。