一种具有跨介质通信能力的水声调制解调器制造技术

本发明专利技术公开了一种具有跨介质通信能力的水声调制解调器，模态感知装置、无线通信模块、接收端与微控制器的信号输入端相连，微控制器的信号输出端与发送端相连，发送端与滤波电路、功放电路、收发合置电路依次相连，收发合置电路与水声换能器互通连接将发送端发出的数据信息通过水声换能器发出，水声换能器与其他水声调制解调器上的水声换能器无线连接；收发合置电路与另一滤波电路、信号放大电路相连后与接收端相连，将水声换能器接收到的数据信息传输至接收端。本发明专利技术基于多模态切换策略，可融合水声和无线电通信技术，实现一种既能保证水下信息可靠获取，又能实现水面数据高效回传的模块化、低成本、低功耗的跨介质水声调制解调器。

A underwater acoustic modem with cross medium communication capability

The invention discloses a cross media communication ability of underwater acoustic modem, signal input mode sensing device, wireless communication module, receiver and the micro controller is connected with the signal output end of the microcontroller which is connected with the sending terminal, sending end and filter circuit, power amplifier circuit, the transceiver circuit is connected monostatic the circuit and transducer will be sent from the end of each connection data sent by the wireless underwater acoustic transducer, acoustic transducer transducer and other acoustic modem connected to the transceiver circuit; and a filter circuit, a signal amplifying circuit is connected with the receiver connected, data transmission will be received by the transducer to the receiver. Based on multimodal switching strategy, the invention can integrate underwater acoustic and radio communication technology, and achieve a modularity, low cost and low power cross media underwater modem, which can ensure reliable acquisition of underwater information and achieve efficient return of water data.

【技术实现步骤摘要】
一种具有跨介质通信能力的水声调制解调器
本专利技术涉及水声智能通信与控制领域，尤其是一种具有跨介质通信能力的水声调制解调器。
技术介绍
随着人们对海洋战略地位、海洋科学研究价值认识的深化，世界各国都将海洋的关注度提高到前所未有的战略高度，我国也提出建设“海洋强国”的战略目标。其中，海域安全、海洋搜救资源和海洋生物监测保护等重要任务的完成，都依赖于大范围水域监测和海空信息交互。为保证水下与陆上数据稳定、实时的互传，亟需设计一种具有跨介质通信能力的水声调制解调器。在现有技术中检索发现，中国专利申请号为201610053447.4，名称为：一种自发电的水声调制解调器，该专利技术利用海洋能发电模块进行电能的补充，以满足水声调制解调器的功耗要求。但上述专利技术偏重于供电模块的设计，仅将水声作为通信的唯一载体，并没有考虑不同介质下的调制解调策略。当调制解调器浮出水面后，水声通信误码率高、效率低、实时性差的缺点使得水下搜集到的数据不能实时有效地回传到控制中心。再有，中国专利申请号为201510010473.4，名称为：一种跨海水-空气界面的电磁波传输系统及方法，该专利技术给出了一种跨介质传输的方式，但是并没有表述具体的调制解调方法，同时也没有考虑不同介质的切换策略。容易受海洋环境噪声以及浅海沉积物等复杂环境影响，上述不足阻碍了信息在海空介质间的有效传输，进而降低了数据传输的实时性与有效性。又经检索发现，中国专利申请号为201110224601.7，名称为：一种无线和水声通信浮标，该专利技术以2片16bit定点DSPBlackfin系列的DSP芯片作为信号处理核心，提供了一种性能可靠、操作简单、维护管理智能化程度高，可用于水声通信/传感网络的网关节点的无线和水声通信浮标，采用积木式结构设计。但该专利技术设备体积重量大、非模块化设计、整体结构复杂、功耗高，进而降低了水声调制解调器的可移植性与使用寿命，使其容易在工作过程中因电量衰竭而死亡，难以满足大规模组网的需求。因此，如何在水下弱通信环境中考虑不同通信介质，利用模块化方法设计一种既能保证水下信息可靠获取，又能实现水面数据高效回传的低成本、低功耗的具有跨介质通信能力的水声调制解调器显得尤为重要。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种采用模块化设计，误码率低、效率高、实时性强的具有跨介质通信能力的水声调制解调器。为实现上述目的，采用了以下技术方案：一种具有跨介质通信能力的水声调制解调器，包括微控制器、模态感知装置、无线通信模块、发送端、接收端、滤波电路、功放电路、收发合置电路、滤波电路、信号放大电路、水声换能器、供电模块；模态感知装置、无线通信模块、接收端与微控制器的信号输入端相连，微控制器的信号输出端与发送端相连，发送端与滤波电路、功放电路、收发合置电路依次相连，收发合置电路与水声换能器互通连接将发送端发出的数据信息通过水声换能器发出，水声换能器与其他水声调制解调器上的水声换能器无线连接；收发合置电路和另一滤波电路、信号放大电路相连后与接收端相连，将水声换能器接收到的数据信息传输至接收端；模态感知装置根据初始设定阈值深度与当前设备所处水下深度进行比较，对模态进行感知，确定设备所处介质层，选择信息传输的方式；无线通信模块与基站互通连接，无线通信模块与其他水声调制解调器上的无线通信模块也互通连接；供电模块为每个水声调制解调器提供电能。进一步的，所述模态感知装置为液位变送器，即由测量膜片与两侧绝缘片上的电极各组成的电容器实现；当两侧压力不一致时，致使测量膜片产生位移，其位移量和压力差成正比，故两侧电容量就不相等，通过振荡和解调环节，转换成与压力成正比的信号。其感知过程简述如下：模态感知装置利用水压压力与该处水的深度成比例的原理，当设备投入到被测液体中某一深度时，装置迎液面受到的压力为：PA＝PB+ρgH，式中，PA为装置迎液面所受的压力，ρ为被测液体的密度，g为当地重力加速度，PB为液面上大气压力，H为设备所处液体的深度；同时，通过导气不锈钢将液体的压力引入到装置的正压腔，再将液面上的大气压力PB与装置的负压腔相连，以抵消装置背面的PB，保证了测量精度，使测得压力为ρgH，显然，液位H与压力PA成线性关系，迎液面压力PA作用在压力传感器上的感应膜片上，当压力变化时，使惠更斯电桥桥臂阻值变化引起输出电压发生变化，经过差分归一化放大器放大转换后，很容易将液位压力转换为电压信号，再转换为电流信号经非线性校正环路补偿作为二线制4～20毫安的标准信号输出；最后经微控制器校正，换算为设备当前所处深度H，与设备初始化时设定的阈值深度H0进行比较，如果H≥H0，则判定设备处于水下，否则，设备处于水面附近，从而确定模态，很容易得出，若水声调制解调器处于水下，设定为模态1，则需要以水声通信技术进行数据传送以完成节点与节点间通信；若水声调制解调器处于水面附近，设定为模态2，则需要以无线电通信技术进行数据传送以完成节点与基站间通信。进一步的，发送数据时，微控制器将水下搜集的信息进行信源编码、信道编码、数字调制，使用内部数字量到模拟量转换器转换为模拟值；接收数据时，水声换能器接收端捕获声信号，使用内部模拟量到数字量转换器转换为数字值，微控制器进行判决解调、信道译码、信源译码和信息显示。水声通信硬件部分，发射和接收电路采用收发合置形式，发射部分通过二极管和换能器相连，换能器处于发射状态时，调制信号通过滤波和功率放大电路后驱动换能器晶片震荡发射超声波；接收部分使用功率电阻和二极管与换能器相连，换能器处于接收状态时，由于信号较小，二极管处于截止状态，信号直接进入接收电路，进行带通滤波并将小信号前置放大后送入微控制器，因此收发转换模块能够实现发射和接收功能的转换；水声换能器体积小、重量轻，设计水声通信电路时，考虑到各类换能器中心工作频率的差异，因此本专利技术可修改电路参数在一定范围内适应不同的换能器。进一步的，所述的微控制器采用高主频ARM内核，内置浮点运算单元支持高速浮点运算，配合DSP指令库更有利于通信过程中信号的快速处理。进一步的，所述无线通信模块为工作在2.4G～2.5G无线电频段的单片收发芯片，内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器功能模块，输出功率和通信频道通过微控制器的串行外设接口协议进行配置，其通信流程如下：发送数据时，将模块配置为发射模式：把接收机地址和有效数据按时序由串行外设接口写入缓存区；微控制器把CE位置高电平并保持至少10μs，延迟130μs后发射数据；若自动应答开启，那么模块在发射数据后立即进入接收模式，等待应答信号，若收到应答，则此次通信成功，同时有效数据从发送堆栈中清除，若未收到应答，则自动重新发射数据，直至发射成功；发射成功后，若发送堆栈中有数据且CE位为高，则进入下一次发射，否则进入空闲模式；接收数据时，将模块配置为接收模式：配置本机地址和接收的数据包大小；微控制器把CE位置高电平并延迟130μs进入接收模式等待数据包到来；当接收方检测到有效的地址和CRC(CyclicRedundancyCheck，循环冗余校验)校验码时，无线通信模块自动把字头、地址和CRC校验位移去后将数据包存储在接收堆栈中，同时中断标志位置高，通知微控制器读取数据；若此时自动应答开启，接收方则同时进入发射状态回本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有跨介质通信能力的水声调制解调器，其特征在于：所述水声调制解调器包括微控制器、模态感知装置、无线通信模块、发送端、接收端、滤波电路、功放电路、收发合置电路、滤波电路、信号放大电路、水声换能器、供电模块；模态感知装置、无线通信模块、接收端与微控制器的信号输入端相连，微控制器的信号输出端与发送端相连，发送端与滤波电路、功放电路、收发合置电路依次相连，收发合置电路与水声换能器互通连接将发送端发出的数据信息通过水声换能器发出，水声换能器与其他水声调制解调器上的水声换能器无线连接；收发合置电路与另一滤波电路、信号放大电路相连后与接收端相连，将水声换能器接收到的数据信息传输至接收端；模态感知装置根据初始设定阈值深度与当前设备所处水下深度进行比较，对模态进行感知，确定设备所处介质层，选择信息传输的方式；无线通信模块与基站互通连接，无线通信模块与其他水声调制解调器上的无线通信模块也互通连接；供电模块为每个水声调制解调器提供电能。

【技术特征摘要】
1.一种具有跨介质通信能力的水声调制解调器，其特征在于：所述水声调制解调器包括微控制器、模态感知装置、无线通信模块、发送端、接收端、滤波电路、功放电路、收发合置电路、滤波电路、信号放大电路、水声换能器、供电模块；模态感知装置、无线通信模块、接收端与微控制器的信号输入端相连，微控制器的信号输出端与发送端相连，发送端与滤波电路、功放电路、收发合置电路依次相连，收发合置电路与水声换能器互通连接将发送端发出的数据信息通过水声换能器发出，水声换能器与其他水声调制解调器上的水声换能器无线连接；收发合置电路与另一滤波电路、信号放大电路相连后与接收端相连，将水声换能器接收到的数据信息传输至接收端；模态感知装置根据初始设定阈值深度与当前设备所处水下深度进行比较，对模态进行感知，确定设备所处介质层，选择信息传输的方式；无线通信模块与基站互通连接，无线通信模块与其他水声调制解调器上的无线通信模块也互通连接；供电模块为每个水声调制解调器提供电能。2.根据权利要求1所述的一种具有跨介质通信能力的水声调制解调器，其特征在于：所述模态感知装置为液位变送器，即由测量膜片与两侧绝缘片上的电极各组成的电容器实现；当两侧压力不一致时，致使测量膜片产生位移，其位移量和压力差成正比，故两侧电容量就不相等，通过振荡和解调环节，转换成与压力成正比的信号。3.根据权利要求1所述的一种具有跨介质通信能力的水声调制解调器，其特征在于：发送数据时，微控制器将水下搜集的信息进行信源编码、信道编码、数字调制，使用内部数字量到模拟量转换器转换为模拟值；接收数据时，水声换能器接收端捕获声信号，使用内部模拟量到数字量转换器转换为数字值，微控制器进行判决解调、信道译码、信源译码和信息显示。4.一种基于权利要求1所述一种具有跨介质通信能力的水声调制解调器的调制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，模态感知装置根据初始设定阈值深度与当前设备所处水下深度比较，对模态进行感知，确定设备所处介质层，从而选择信息传输的方式；步骤2，当判定传输方式为水声通信时，则搭载水声调制解调器的水下传感器节点进行数据采集，并存储于设备的数据缓冲区中，通过软件调制解调算法，配合水声调制解调器相关硬件电路，完成数...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫敬，田旭阳，王雪翔，孙彦龙，罗小元，钟瑞林，刘鹏涛，张子驰，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：河北,13