摘要：

設計并實現(xiàn)了基于海洋投棄式聲速儀(XSV)的通信系統(tǒng)。以2DPSK信號為傳輸信號，以單根雙股漆包線為通信信道，設計了解調部分的高壓偏置電路、放大濾波電路以及軟件解調算法。與傳統(tǒng)通信系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)并未采用以FPGA或其他解調芯片為基礎的解調電路，而是充分利用核心處理器STM32F407主頻高的優(yōu)勢，在片內完成數(shù)據(jù)解調及數(shù)據(jù)上傳功能，從而簡化了電路，為測量提供了便利。通過試驗，對解調數(shù)據(jù)進行了分析。測試結果表明，該通信系統(tǒng)的設計具有可行性、可靠性，滿足復雜海洋環(huán)境下對于通信質量的要求。

0 引言

隨著我國深遠海戰(zhàn)略的不斷發(fā)展，我國對海洋領域的海洋參數(shù)測量也愈發(fā)重視。海洋聲速的測量便是其中一項重要的指標。海洋聲速測量主要的方法分為兩種：一是用環(huán)鳴法直接測量聲信號在固定的已知距離內往返多次的傳播時間而得到聲速；二是采用CTD測量海水的溫度、鹽度和壓力隨深度的變化，進而通過公式來計算聲速[1]。該測量系統(tǒng)采用直接測量方法。在聲速測量中，通常是測量聲速隨深度的變化，故采用拋棄式聲速測量儀（Expendable Sound Velocity），使其在下降過程中測量不同深度的聲速。因此，保證拋棄式聲速儀和水面上位機的通信便尤為重要。 與陸地上的通信方式相類似，在海洋水下通信方面也可以分為有線通信和無線通信[2]。兩者各自有其優(yōu)缺點。水下無線通信結構簡單，但功耗較大，成本較高，其中最常用的為采用擴頻技術的水聲通信。有線通信則在長距離通信方面更有優(yōu)勢，但結構復雜。根據(jù)實際工程的需要，XSV的通信系統(tǒng)采用有線方式進行。以漆包線作為有線通信系統(tǒng)的信道，既可以保證通信質量，又可以用來判斷拋棄式儀器的下落距離。此外，上位機可通過漆包線傳送激勵信號，從而控制水下測量系統(tǒng)的開啟，在工程中，具有較強的實用性。

1 系統(tǒng)的總體構成及原理

1.1 系統(tǒng)的總體構成

整個投棄式聲速系統(tǒng)可分為三部分，分別為水下測量系統(tǒng)、水上數(shù)據(jù)解調系統(tǒng)、上位機顯示系統(tǒng)[3]。其中，水下測量系統(tǒng)為測量探頭并配以水下測量電路，負責在下降過程中對不同深度的海水環(huán)境進行聲速的測量，并將測得的數(shù)據(jù)通過漆包線傳輸給水上解調系統(tǒng)[4]。為加強傳輸信道的抗干擾能力，XSV的通信信道采用差分式傳輸結構，即采用單根雙股、帶絕緣涂層的金屬漆包線。隨著XSV的不斷下沉，漆包線線軸也不斷展開，該漆包線直徑小且柔軟，不會影響水下測量儀的運行軌跡。水上數(shù)據(jù)解調系統(tǒng)解調完成后，通過串口發(fā)送到上位機進行顯示，通過對測量數(shù)據(jù)的分析，可用來繪制對應海洋領域的聲速曲線。

1.2 漆包線通信調制解調方式選擇

為滿足1 500 m通信距離的要求，提高抗干擾能力，該系統(tǒng)采用數(shù)字通信方式。在實際測量中，存在以下干擾因素。首先，漆包線本身帶有分布電容和分布電感，而且隨著漆包線的展開，漆包線的形狀發(fā)生變化，分布參數(shù)也隨之發(fā)生變化，從而構成了一個復雜的濾波系統(tǒng)[5]，影響測量的準確性。其次，海水作為弱導體，也會在傳輸線上產(chǎn)生耦合電容效應[6]。因此，在數(shù)字通信選擇上，該課題采用數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)。經(jīng)實驗研究，雖然信號在傳輸過程中受到干擾，但很好地保持了相位特性[7]，因此，采用了2DPSK的調制解調方式，其模型如圖1所示。

其中：

其中：a為信號振幅，n1(t)為y1(t)上的噪聲，n2(t)為y2(t)上的噪聲，n1(t)與n2(t)相互獨立。r為解調器輸入端的信噪比。

在相同條件下，利用2ASK和2FSK方式進行調制和解調的誤碼率分別為和。

通過以上分析可知，在同等條件下與2ASK和2FSK方式相比，利用2DPSK方式進行調制解調誤碼率最低，是一種較為理想的數(shù)字信號傳輸方式。

2 硬件設計

硬件系統(tǒng)總框圖如圖2所示，該電路系統(tǒng)由電源模塊、單片機模塊、通信模塊、高壓偏置模塊以及放大濾波電路組成。其中，單片機模塊中核心處理器采用ARM公司生產(chǎn)的基于Cortex-M4內核的STM32F407芯片。該芯片主頻最高速率可到168 MHz，可滿足軟件濾波、解調對于時間的要求，從而可在無FPGA或其他專用解調芯片的情況下，同時完成數(shù)據(jù)采集、軟件濾波、數(shù)據(jù)解調的功能，在極大程度上簡化了電路，節(jié)約了資源。

該解調系統(tǒng)大致工作流程為，系統(tǒng)上電后，通過高壓模塊電路的升壓，產(chǎn)生約95 V的偏置電壓，該電壓作為激勵電壓，喚醒水下測量系統(tǒng)，進入工作狀態(tài)[8]。水下測量系統(tǒng)測得數(shù)據(jù)后，通過2DPSK調制，會將數(shù)據(jù)以800 b/s的數(shù)據(jù)傳輸速率通過單根雙股漆包線以差分形式發(fā)送至水上解調板。解調板首先對接收到的數(shù)據(jù)進行初級的硬件放大和濾波。隨后，單片機通過片內A/D轉換器對初級處理后的數(shù)據(jù)進行采集并對采集后的數(shù)據(jù)進行軟件解調。最后，通信模塊將解調后的數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機進行實時顯示。

2.1 高壓偏置模塊電路設計

該設計引入高壓偏置模塊，在解調系統(tǒng)上電后，會通過高壓偏置模塊產(chǎn)生高壓，該高壓會通過水下測量系統(tǒng)的光電隔離模塊產(chǎn)生測量開啟信號，從而喚醒水下測量系統(tǒng)，進入工作狀態(tài)。實際電路設計如圖3所示，高壓偏置模塊的升壓部分采用HV857芯片，該芯片是針對冷光燈片設計的高壓驅動芯片。該芯片的常規(guī)用法為通過在Rsw、REL引腳加入輸入信號，芯片會在VA、VB引腳產(chǎn)生對應頻率的驅動冷光燈片的信號。在該設計中，通過對電路稍作調整，在Rsw、REL端直接接入5 V電源，該芯片會在CS引腳端產(chǎn)生幅值約為95 V的直流高壓信號，該信號可作為電路中的偏置信號使用。

2.2 放大濾波電路設計

水下測量系統(tǒng)測得的數(shù)據(jù)傳輸至解調系統(tǒng)的過程中，經(jīng)過漆包線的傳輸，信號將大幅衰減，并引入干擾成分。因此在解調系統(tǒng)的接收端，首先進行初級的放大和濾波。 如圖4所示，該電路運放采用儀器放大器，儀器放大器具有輸入阻抗高、共模抑制比高的特點，適合精密信號的放大。在差分輸入端，進行RC高通濾波，濾除直流和低頻干擾成分。經(jīng)過放大后的信號要進入單片機的A/D端，而單片機A/D采集部分無法識別負電壓，因此，在運放的參考端，加入2.5 V的偏置電壓。經(jīng)過運放放大后的信號，在輸出端進行RC低通濾波，濾除高頻干擾。最終，信號進入單片機的A/D采集端。

3 系統(tǒng)軟件設計

該系統(tǒng)軟件采用模塊化設計，以主程序為主線，包括A/D數(shù)據(jù)采集程序、濾波程序、延時相乘解調程序、抽樣判決程序、CRC校驗程序。 進入主函數(shù)后，首先對各個模塊進行初始化。為保證數(shù)據(jù)濾波和解調對于時間的要求，該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸采用DMA模式，即不經(jīng)過CPU而直接從內存存取數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)交換模式，極大程度節(jié)省了系統(tǒng)資源。數(shù)據(jù)傳輸速率為800 b/s，為保證解調準確性，該系統(tǒng)設計A/D采樣速率為每周期采樣16個點，即采樣速率為12.8 kS/s。在濾波器部分，采用FIR濾波器從而實現(xiàn)軟件濾波[9]。 數(shù)據(jù)解調過程如圖5所示，對數(shù)據(jù)進行A/D采集后，將數(shù)據(jù)進行帶通濾波，濾除低頻和高頻干擾成分，之后，對信號延時相乘，進行差分相干解調[10]，解調后的數(shù)據(jù)因為乘積解調的作用，會引入高頻干擾成分，因此之后要對數(shù)據(jù)進行低通濾波，濾除高頻干擾，保留數(shù)據(jù)的有效成分。隨后進行抽樣判決。判決完成后，系統(tǒng)會綜合之前收到的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)結束標志位的判別，并對接收到的數(shù)據(jù)幀進行CRC校驗。如果校驗成功，證明數(shù)據(jù)無誤碼，系統(tǒng)會將該幀數(shù)據(jù)傳輸至上位機進行顯示。如果校驗失敗，證明在傳輸和解調過程中出現(xiàn)誤碼，則丟棄該幀數(shù)據(jù)，重新回到A/D采集部分，繼續(xù)對下一幀數(shù)據(jù)進行采集。

4 測試方案和測試結果

4.1 硬件測試

硬件電路制作完成后，首先保證各模塊工作在正常狀態(tài)。其次，對放大電路的放大性能，對數(shù)字電路的數(shù)據(jù)處理速率做進一步的測量與分析，驗證硬件電路的可行性。

4.2 軟件仿真測試

通過MATLAB軟件對原始信號進行分析，可在原理上對系統(tǒng)解調方案進行可行性分析。仿真結果如圖6～圖10所示，其中圖6為采集信號的原始波形圖，從原始信號可以看出，經(jīng)過漆包線傳輸后的2DPSK調制信號已經(jīng)出現(xiàn)明顯失真，無法清晰直觀地看出調制信號所傳輸?shù)男畔ⅰ?/p>

圖7為經(jīng)過帶通濾波后的波形。經(jīng)過帶通濾波后的數(shù)據(jù)進行移位后與自身相乘進行差分相干解調，其效果圖如圖8所示。 最后，對差分相干解調后的數(shù)據(jù)進行低通濾波和抽樣判決，結果如圖9和圖10所示。 經(jīng)過MATLAB仿真解調后，數(shù)字信號得到了清晰準確的還原。因此，該解調方案可準確地對經(jīng)過漆包線傳輸?shù)?DPSK信號進行解調，從而在理論上證明了該方案的可行性。

4.3 實際測試結果

將水下測量系統(tǒng)和水上解調系統(tǒng)分別組裝完畢后，通過單根雙股漆包線進行實時通信，通信協(xié)議采用工業(yè)電子設備之間常用的Modbus通信協(xié)議。經(jīng)過解調系統(tǒng)解調后，解調系統(tǒng)將解調信號傳送至上位機顯示。此次測試與美國海鳥公司的Seabird 911標準儀器進行對比，測量聲速隨溫度的變化，測試結果特性曲線如圖11所示。XSV在各溫度點的聲速測量值與Seabird 911測量值的誤差如表1所示。通過對比與分析可以得出，該通信系統(tǒng)準確地實現(xiàn)了數(shù)據(jù)解調及數(shù)據(jù)上傳功能，具有較強的實用性。

5 結論

本設計以STM32F407為核心處理器，并配以放大濾波、高壓偏置等電路模塊，通過軟件算法，實現(xiàn)了海洋投棄式聲速儀的通信系統(tǒng)設計。在該設計中，并未采用老式的基于FPGA或其他解調芯片的解調電路設計，而是利用STM32F407單片機主頻高的優(yōu)勢，直接在片內完成了對數(shù)據(jù)的解調以及數(shù)據(jù)上傳功能，從而簡化了電路，為實際工程測量提供了便利。通過軟件仿真和測試，證明了該電路在復雜海洋環(huán)境中，具有可行性、可靠性。該通信系統(tǒng)的設計為投棄式聲速儀的數(shù)據(jù)傳輸提供了強有力的支持，將進一步促進我國海洋參數(shù)測量領域的發(fā)展。

參考文獻

[1] 劉貞文，楊燕明，許德偉，等.海水聲速直接測量和間接測量結果分析[J].海洋技術，2007(4)：44-46.

[2] 王心鵬，門雅彬，張東亮，等.XBT自動投放測量系統(tǒng)電機控制單元設計與故障分析[J].電子技術應用，2019，45(1)：92-96.

[3] 于曉山.船用投棄式溫鹽深測量系統(tǒng)[D].天津：河北工業(yè)大學，2010.

[4] 陳雷，賈志成，李永軍，等.投棄式溫鹽深測量儀數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的研制[J].海洋技術，2009，28(3)：26-29.

[5] 鄭羽，付孝洪，高宇，等.水溫對XCTD剖面儀單模光纖傳輸信道影響的研究[J].海洋通報，2015，34(2)：197-201.

[6] 方靜.基于ASK、DPSK的XCTD剖面儀時變信道調制技術的研究[D].天津：天津工業(yè)大學，2015.

[7] 王慧.超聲波水下通信編碼的研究[D].成都：成都理工大學，2012.

[8] 康怡，孫世超.環(huán)鳴法聲速儀超聲波發(fā)射/接收電路設計[J].儀表技術與傳器，2012(1)：65-67.

[9] 王輝.FIR數(shù)字濾波器的設計與研究[J].裝備制造技術，2018(1)：48-49，62.

[10] 陳麗婭.DPSK通信電路的設計及系統(tǒng)仿[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟和信化，2017，7(6)：21-23.

[11] 黃世鋒，陳章友，張?zhí)m，等.多通道雷達數(shù)字接收機數(shù)字下變頻設計[J].電子技術應用，2016，42(6)：46-48，55.