（信号与信息处理专业论文）水声释放器硬件电路设计与实现.pdf

，叫 4 一 c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： ad is s e r t a ti o nf o r t h ed e g r e eo fm e n g t h e d e s i g na n dr e a l i z a t i o no f so n a r r e l e a s e rh a r d w a r ec i r c u i t r y c a n d i d a t e ：w a n gj i a n g u o s u p e r vis o r ：p r o f l uf e n g c h u n a c a d e m i cd e g r e ea p p li e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l i t y ：s i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g d a t eo fs u b m is s i o n ：d e c e m b e r ，2 0 0 9 d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ：j u n e ，2 0 1 0 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y l t 、 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下由作 者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用己在文 中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标 明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：多痞卑 日期：加卜年cn , 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 囱在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：易建目导师( 签字) ：锣磊靥 日期：砂参年i 月f 7 日v 扣年毛月| 1 目 。 。l 、 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 摘要 伴随着水声技术的不断发展，我国的海洋科学研究与工程应用不断向深 海远海快速发展，水声释放器作为一种必不可少的设备得到了广泛的应用。 水声释放器系统被大量用于海洋监测和海洋工程中，各种水下应答器、潜标 等都需要使用不同规格的水声释放器。因此大力研究具有我国知识产权的水 声释放器已经刻不容缓。 本文首先阐述了水声释放器的国内外研究的现状，根据项目所提出的各 项功能指标，分析论证了水声释放器的硬件系统组成。完成了对低噪声模拟 接收机，大功率水声信号发射机，低功耗值班电路单元和数字信号处理单元 的设计，完成了电源管理单元的设计。 实验表明，所设计的水声释放器接收机和发射机、数字信号处理板都达 到了设计要求的指标，实现了预定的功能需求。 关键词：水声释放器；接收机：发射机；信号处理 一 a b s t r a c t u n d e r w a t e ra c o u s t i cr e l e a s e rh a sb e e n u s e dw i d e l ya sa ne s s e n t i a ll a b o r a t o r y e q u i p m e n ta l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to f c h i n a ss c i e n t i f i cr e s e a r c ha n dm a r i n e e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s u n d e r w a t e ra c o u s t i cr e l e a s e r i su s e di nt h em a r i n e m o n i t o r i n g ，a n di n m a r i n ee n g i n e e r i n g ，a l lk i n d so fb a s e - t y p eo c e a np a r a m e t e r s m e a s u r e m e n ts y s t e ma n du n d e r w a t e ra c o u s t i ct a r g e t sn e e dr e l e a s ed e v i c e s o i t i sn e c e s s a r yt od e v e l o pu n d e r w a t e ra c o u s t i cr e l e a s e ro fo u rc o u n t r y t h ep a p e ri n t r o d u c et h ed e v e l o p m e n to fu n d e r w a t e ra c o u s t i cr e l e a s e ri nt h e w o r l d 。t h em a i nw o r ko ft h ep a p e ri sl i s t e d ：d e s i g na l lt h ep a r t so f t h eh a r d w a r e a st h ed e s i g n p a r a m e t e r so ft h ep r o j e c t ，m a k e t h el o wn o i s ea n a l o gr e c i e v e r , h i g h p o w e tu n d e r w a t e ra c o u s i t cs i g n a lt r a n s m i t t e r , l o wp o w e rw a t c hc i r c u i t ，d s p d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gb o a r d a n dp o w e rm a n a g e m e n tc i r c u i t a f t e re x p e r i m e n t ，t h er e s u l t sc o n f i r mt h a tt h er e c e i v e ra n dt r a n s m i t t e ro f u n d e m r a t e ra c o u s t i cr e l e a s e ra n dd s pd i g r a ls i g n a lp r o c e s s i n gb o a r da l lm e tt h e p a r a m e t e r se x p e c t e do ft h ep r o j e c t k e y w o r d s ：u n d e r w a t e ra c o u s t i cr e l e a s e r ；r e c e i v e r ；t r a n s m i t t e r ；s i g n a lp r o c e s s i n g 文 哈尔滨t 稃人学硕+ 学何论文 目录 第l 章绪论1 1 1 课题研究背景和意义”l 1 2 水声释放器发展现状l 1 3 释放器系统5 1 3 1 释放器系统简介5 1 3 2 释放器系统总体框图6 1 3 3 释放器系统主要技术指标7 1 4 论文的主要工作7 第2 章接收模块硬件设计8 2 1 接收机技术指标8 2 2 接收电路设计“8 2 2 1 放大电路9 2 2 2 有源滤波电路lo 2 2 3 射极跟随电路1 6 2 3 性能测试1 7 2 4 小结”1 7 第3 章发射模块硬件设计”1 9 3 1 声呐发射机的一般组成1 9 3 2 发射机系统的主要指标2 0 3 3 技术指标2 2 3 4 发射机电路设计2 2 3 4 1 功率放大电路的设计2 2 3 4 2 驱动电路设计”2 7 3 4 3 匹配网络设计一2 9 3 4 4 变压器设计3 3 3 4 5 储能电容设计3 4 3 4 6 功率管的散热设计3 5 哈尔滨t 稃人学硕十学位论文 3 5 性能测试”3 6 3 6 小结“3 7 第4 章信号处理电路模块设计3 8 4 1 引言“3 8 4 2 值班电路单元设计3 8 4 2 1 微功耗单片机m s p 4 3 0 f 1 6 1 l 简介3 8 4 2 2 值班电路单元功能设计4 0 4 2 3a d 采集电路设计4 l 4 2 4 电池电量监测电路设计“4 2 4 2 5 通信串口电路设计4 3 4 3 数字信号处理单元设计4 4 4 3 1 数字信号处理器芯片简介一4 5 4 3 2 d 和d a 模块设计4 7 4 3 3 数字信号处理器自举引导b o o t l o a d e r 设计4 8 4 4 电源管理单元设计”5 0 4 5 小结”5l 结论”5 2 参考文献5 3 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果5 6 致谢”5 7 哈尔滨t 稃人学硕十学何论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景和意义 地球上的海洋总面积约占地球表面积的7 0 以上，其中蕴藏着丰富的尚 未完全开发利用的资源。伴随着人类能源消耗的不断快速增长，陆地上的资 源越来越匮乏，人们开始将目光投向了蓝色的海洋，希望能够从中开发人类 所需的能源。积极发展海洋高新技术，抢占和开发海洋空间及资源，从海洋 中获得更大的利益已成为众多国家本世纪的发展战略。 水声技术的不断发展，为人类提供了探索深海和利用更多海底资源的可 能性，人类开始了向内层空间的进军。我国是拥有两千多公里海岸线的海洋 大国，在这片广袤的海洋中蕴含着极其丰富的资源，保护和开发我国海洋资 源，已成为我们的重要任务。深邃的海洋是资源的宝库，迄今为止，人类已 在深海洋底发现了锰结核、钴结壳、天然气水合物和海底生物等多种资源。 为此，我们国家加大了对海洋资源开发技术的研究力度，大力发展深水资源 的勘探开发技术，以缩短我国海洋资源勘探开发技术与世界发达国家的差距， 深海资源的开发、利用和新资源的发现，对国民经济和社会发展，以及国家 的军事安全都具有重要的战略意义一。 水声释放器作为一种不可缺少的实验设备得到了越来越广泛的应用。水 声释放器是水声遥感系统中的一种设备，它由甲板单元和释放器单元两部分 构成，应用水声通信原理通过一对水声换能器进行互相通信。水声释放器系 统被大量应用于海洋和军事领域，在海洋监测和海洋工程中，各种水下应答 器、潜标等都需要使用各种规格的水声释放器；在军事上，海上试验场区、 未来水下通信网络的搭建等也离不开水声释放器。水声释放器的潜在用户主 要是：海洋勘探单位，海洋地质调查单位，海洋科研机构和海军的一些单位 【l 卜【4 ) 1 2 水声释放器发展现状 水声释放器市场发展前景非常广阔，在这方面国外的许多公司都起步较 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 早，产品型号也比较全。在结构形式和遥控技术上多种多样；工作时问也有 长有短，有的产品工作时间长达两年以上：在使用水深上，包括了浅水型和 超浅水型以及深水型；在负载能力上的差别也很大，从十几公斤到数千公斤 不等。在国际市场上提供商用深海释放器的公司很多，产品种类也很全，各 种各样的用途的产品都有，著名的公司有英国的s o n a r d y n e 公司、美国的 b e n t h o s 公司以及法国的i x s e a 公司等多家p h7 1 。 英国s o n a r d y n e 公司的产品情况如图1 1 和图1 2 所示。这些产品的应答 器功能普遍采用7 - 1 5 k h z 频段，这些产品的释放指向机构一般都采取电机旋 转的方式。材料一般都是铝合金和不锈钢，值班时间一般为2 3 年。该公司 生产的有些声学释放设备工作水深最高可达到六千米以下，而且断裂负载都 超过五千公斤p h 7 1 。 图1 1 英国s o n a r d y n e 公司带有释放功能应答器产品情况 赫揣丽 图1 2 英国s o n a r d y n e 公司带有释放功能应答器产品情况 美国b e n t h o s 公司的产品情况如图1 3 所示。应答器的工作频段也是 2 魄，。抟 盆，瞄圜瞬幽胃 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 7 1 5 k h z ，值班时间在2 年左右，作用距离斜距在5 1 0 k m ，材料多以不锈钢 为主，在释放执行机构方面也是普遍采用高扭矩电机，释放载荷重量一般都 超过2 吨，属重载荷类型。t r 6 0 0 0 和x t 6 0 0 0 为b e n t h o s 公司的最新两款应 答器产品，其外部采用球形玻璃壳体结构，这种结构能够承受很大的压力， 使其能够投放到更深的海域工作，而且其整体结构本身具有浮力，省去了浮 体装置，操作起来更加方便。t r 6 0 0 0 装有释放机械装置。其采用电熔断释放 机构，当接收到水面发射机的释放命令后，释放器中的熔丝熔断，重物脱落， 玻璃球依靠自身的浮力浮出海面。t r 6 0 0 0 和b e n t h o s 公司生产的水下m o d e m 产品d s 7 0 0 0 配套使用可以很好地完成水下定位和导航的任纠5 h 丌。 图1 3 美国b e n t h o s 公司带有释放功能应答器产品情况 法国i x s e a 公司的产品情况见图1 4 所示。法国人生产的产品功率也是 选择在8 1 6 k h z ，释放能力在1 5 吨，作用距离七八千米，材料也是以不锈 钢为主5 朋。 图1 4 法国i x s e a 公司带有释放功能应答器产品情况 3 甸霪誉莲 您繁錾藿髻彭磊念窿淹澄巨 哈尔滨一犟大学硕+ 学何论文 下面就l x s e a 公司，b e n t h o s 公司的应答器产品作一对比，表1 1 所示： 表1 1 水声应答器性能比较 比较项目e g 8 6 l g ( i x s e a ) t r 6 0 0 0 ( b e a t h o s ) 最人深度6 0 0 0 m6 7 0 0 m ：】：作距离1 0 0 0 0 m1 0 ，0 0 0 m 接收频带 8 1 6 k h z7 1 5 k h z 频点带宽2 0 0 h z2 5 0 h z 频点步长 5 0 0 h z2 5 0 h z 最小脉宽 6 m s1 0 m s 检测闽7 8 ：t ：6 d b ( 背景噪声)8 5 d b ( 背景噪声) 指令编码方式 r z f s k 8 个独立的频率通道 发射频带 7 5 18 k h z7 5 l7 k h z 发射声源级1 9 2 d b 士4 d b 1 9 2 d b ( 9 - 1 3 k h z ) 发射信号 c w c h i r p 未知 p i n g e r 模式 有无 乖直状态诊断有无 电池电压诊断有 无 功耗 7 0 0 u a ( 7 5 v d c ) 未知 电池类硝 碱性电池锂电池1 6 安时碱性电池 接收电池寿命5 年( 碱性电池)2 年 发射电池寿命15 0 ，0 0 0 5 0 0 ，0 0 0c w 未知 换能器指向性向上半空间向上半空间 封装 1 7 ”耐压玻璃钢 17 ”13 2 4 ”玻璃钢 重量( 空气中) 3 l k g2 6 k g ( 1 7 ”) 重量( 水中) 1 5 k g1 7 k g ( 1 7 ”) 尺寸 4 7 0 + 4 7 0 + 6 2 0 m m 直径1 7 ”1 3 ”2 4 ”球形 压力传感器可选 无 声学释放器无有 水声通信功能无无 备用接口可选无 辅助遥控设备 t t 3 0 l 7 0 ld $ 7 0 0 0 在高可靠、灵巧、电动伺服分离机构的研制能力方面，目前国内的技术 水平与世界先进水平之问还存在较大差距。中船重工集团公司第7 1 0 研究所 结合其自身的专业特点，依据海试的需求，于几年前成功地研制出一套定时 气动分离机构，开发该气动分离机构的目的在于解决大深度情况下水下设备 4 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 i 的平台与锚的水下分离问题。该气动分离机构能够适用于1 0 0 0 米水深的作 业环境，其最大定时时长为3 0 天，所谓气动分离是通过定时电路启动点火器 点火，然后产生高压燃气用以推动连接柱销解锁，从而实现了雷与锚的分离 动作，该释放装置己申请了国家发明专利。哈尔滨工程大学于2 0 0 6 年申请了 名为高可靠性声学释放器国家海洋领域8 6 3 计划，该课题主要研究声学 通讯，脱钩机构采用的是电化学熔断方式，该项目现在正在研制中。国内从 事于声学释放器的开发与研究的其他单位有：中科院海洋所、中船重工7 1 5 所、国家海洋技术中心、南京大学、厦门大学等”1 。 除上述情况以外，在“九五与“十五期间，国家海洋技术中心通过 引进和消化国外先进的释放器技术，目前已经为国内相关部门提供多套产品， 从而满足了相关部门进行海洋调查的需要，其有些产品还经过某定型委员会 的设计定型，并且已经开始小批量生产了，从而使国内在声学应答释放器方 面的技术逐步走向多元化并具有自己的特色。另外，在“哈尔滨工程大学研 制的m a s 系统、“中科院地球物理所研制的深海地震仪系统”、“大连测试 技术研究所研制的水下物理场监测系统 和“某测绘研究所研制的验潮仪系 统”等系统中先后使用了几十套声学应答器，并且受到了相关用户的一致好 评1 。但在应答距离、工作水深、连续工作时自j 以及可靠性等方面，上述释 放器与国外相关产品之间还存在一定的距离。 随着现代电子技术的发展，大规模、高速集成电路的出现，深水应答器 的产品无论在性能上或是成本上都比以往有了质的飞跃。 1 3 释放器系统 1 3 1 释放器系统简介 系统由水声释放器和水面保障单元构成，其中水面保障单元由可拉伸的 便携式水面搜索换能器阵和处理显控甲板单元两部分构成；水声释放器由低 功耗水下电子舱、深水耐压换能器及壳体、高可靠释放执行机构构成。水声 释放器采用不锈钢耐压壳体，外观是圆柱形设计。内部分为三个部分，顶部 为水声换能器，中部是电子仓，最底部是电池。本论文将要论述的是释放器 系统的电子舱部分的设计，无特殊说明下面提到的释放器系统均是代表释放 5 哈尔滨t 稃人学硕十学位论文 器的电子系统。 本系统主要由接收模块、数字处理模块、发射模块和电源模块组成。接 收模块由放大电路和带通滤波电路组成，完成对信号的放大和滤波处理。数 字模块由m s p 4 3 0 值班电路板和d s p 5 5 0 9 数字处理板组成，是整个系统的核 心处理部分。发射模块主要包括驱动电路、功率放大电路和匹配电路等：电 源模块则是为接收模块，数字处理模块和发射模块供电。 1 3 2 释放器系统总体框图 本系统设计成了五部分：m s p 4 3 0 微功耗处理电路、d s p 5 5 0 9 数字信号 处理电路、接收电路、发射电路、无源底板。系统原理框图如图1 5 所示： 图1 5 释放器系统总体结构图 m s p 4 3 0 微功耗处理电路主要负责整个系统的输入输出接口、电源电量 的检测、其它电路的上下电控制、并且负责日常值班，实时检测有无信号到 达，对到达信号进行解码，根据不同命令编码来执行其所对应的动作。 d s p 5 5 0 9 数字信号处理电路的信号处理能力要比m s p 4 3 0 强很多，主要 用在实时运算量比较大的通信功能里以及在时反中的应用，该部分由于功耗 比较大，因此平时处于下电状态，只有在启动通信或时反功能时，才由 m s p 4 3 0 控制给该部分电路上电。 接收电路主要完成信号的放大、滤波；发射电路的发射信号由两个模块 给出，一个是在应答模式下由m s p 4 3 0 电路给出，一个在通信和时反模式下 由d s p 5 5 0 9 电路给出；无源底板主要负责这几部分电路之间信号接口连接。 6 哈尔滨下稃火学硕十学位论文 1 3 3 释放器系统主要技术指标 最大工作水深： 2 0 0 0 m 最大作用距离： 3 0 0 0 m 最大释放负载：5 0 0 k g ( 空气中) 工作频率：9 1 5 k h z 水下连续工作时间：3 个月( 可附带电池包增加值班时间) 1 4 论文的主要工作 研究释放器系统硬件电路的设计与实现，主要工作包括以下几个方面： 1 、根据接收机设计指标的要求，设计释放器接收机的硬件电路，包括放 大电路和滤波电路的设计与参数计算。 2 、根据发射机设计指标的要求，设计释放器的发射电路，包括功放电路、 驱动电路、匹配电路和储能电容的设计与参数计算。 3 、设计数字硬件各个模块之间的接口以及具体的功能单元。 4 、对各个电路模块进行实验与调试，验证电路设计是否满足设计指标的 要求。 7 哈尔滨t 稃人学硕十学位论文 第2 章接收模块硬件设计 2 1 接收机技术指标 根据对系统总体方案的要求，对接收机提出以下指标： 工作频率：9 k h z 1 5 k h z 频带宽度：6 k h z 接收机总增益：7 0 d b 输入等效噪声电平：8一jos舌夏君os9 哈尔滨丁稃人学硕十学付论文 i i 都一定的情况下，功率管栅丰及所需驱动功率会随着信号频率的增大将会增大， 功率管栅极所需要的驱动电流会随着功率管开关时间减小而增大。 驱动分为两种，集成驱动和分立驱动。在频率比较低的时候，功率管要 求的驱动功率和驱动电流都比较小，这样不论是集成驱动还是分立驱动都能 满足功率管所需要的驱动能力；当高频的时候，信号高低电平的持续时间将 会减小，高电平时驱动电路向功率管栅极电容充电时间也将会减小，假若驱 动电流在短时间内不能够达到功率管所需要的栅电荷的话，那么驱动信号的 电压值上升就会变慢，这也就意味着高电平的宽度将会变窄。这时驱动电路 的驱动能力也就弱了。在这方面集成驱动的效果要比分立驱动好7 1 。 通过上面的分析，应当选用集成驱动芯片作为功率管的驱动。本设计中 实际选用的是m i c r e l 系列的单路输入输出驱动芯片m i c 4 4 2 2 作为功率管的驱 动，其内部结构框图如图3 1 l 所示1 图3 1 lm i c 4 4 2 2 芯片内部结构框图 下面是该芯片的参数： l 、最大峰值输出电流：9 a ； 2 、供电电压：4 5 v 2 0 v ： 3 、容性负载驱动能力：o 4 7 n f ； 4 、低延迟时间：3 0 n s ： 5 、最大功率损耗：1 2 5 w ( 2 5 ) 图3 1 2 是芯片上升下降沿对应供电电压变化曲线，图3 1 3 是供电电压对 应输出延时曲线，图3 1 4 是输入电压对应输出延时曲线： 哈尔滨t 稃大学硕十学何论文 l 、 4 7 0 0 0 t ) f 2 2 0 0 0 p f 、 i uu u u l ) t - s u p p l yv o l t a g e0 v ) 图3 1 2 上升下降沿对应供电电压变化曲线 s u p p l yv o l t a g e v ) 1 2 0 11 0 1 0 0 9 0 ，一8 0 罂7 0 u j6 0 季4 5 。0 3 0 2 0 1 0 o 8 v s= 10 v 、l t d 2 t d l 蠢 图3 1 5 压电式换能器等效电路 一 哈尔滨。：稃火学硕+ 学何论文 但是在实际应用中一般都是在某一频点上测量出换能器导纳或者阻抗函 数虚部实部的值，在特定的频点上，将这些压电式换能器两端所呈现出的特 性等效为电导和电纳的并联或者电阻与电抗的串联【1 9 ，下图是进行的更进 一步的简化，如图3 1 6 所示： y a + j b z r 巧x 图3 1 6 特定频点上的导纳和阻抗 g 、曰、r 、z 之间的关系是： 一 r u 2 r z + x 2 ( 3 - 8 )j o ， 肚瓦 ( 3 - 9 ) 甜+ x l “” 肚赤b ( 3 - l o ) g 2 + 2 ”1 ”7 爿2 丽(311b ) g 2 + 2 。7 7 式中的g 代表的是电导，b 代表的是电纳，足代表的是电阻，彳代表的 电抗，可以通过阻抗分析仪来测出换能器具体的阻抗和导纳值。 二、匹配的分类 负载阻抗匹配分为窄带匹配和宽带匹配两种情况。窄带匹配又称为单谐 哈尔滨一i ：拌人学硕十学位论文 由于压电式换能器呈现的是容性，再加上纯电感原件不会造成能量的损耗， 因此可以用并联或者串联一个电感的方法来调节负载的阻抗，使换能器呈纯 阻性负载，这样可以保证功率放大器的输出效率最高卅瞄瑚。等效电路如图 3 1 7 所示，圪表示输入电压。 ( a ) r + j ) 【l v g l ( b ) j b 【- 图3 1 8 单频点信号匹配等效电路 图3 1 8 ( a ) 中： 乙= j t o o l , + 吃+ 成 ( 3 - 1 2 ) 式中： z ，电路等效阻抗； 发射信号的角频率； r ，换能器的电阻； x ，换能器电抗。 图3 1 8 ( b ) 6 p ： e = _ 专+ q + 成 ( 3 一1 3 ) j q l 式中： z 电路等效导纳； g ，换能器电导 届换能器电纳。 只有在电压和电流同相的条件下才可以使发射机工作效率达到最大，将 式3 1 2 和3 1 3 中的等效负载调节至纯阻态，所以可得到下面几个公式： 串联电感岛= 等= 志( 3 - 1 4 a ) 哈尔溟i 程大学硕十学位论文 并联电感2 丽1 ( 3 - 1 4 b ) 等效电阻屹；2 石专匆 ( 3 - 1 5 a ) 心并= 砉 ( 3 - 1 5 b ) u 平均输出功率= 熹2 ( 3 1 6 ) 工作带宽罡，船= l j i g _ o f o ( 3 1 7 ) 由式3 1 4 和3 1 5 可知，换能器的匹配包含调谐匹配和阻抗匹配嘲。调谐 匹配用外加电抗元件的方法来中和负载的电抗成分，以此办法将负载调节剑 纯阻态陶。通常是在输出端串联或并联上感性元件，来抵消压电换能器的电 容。9 2 5 1 。 三、匹配电路设计 当发射机的发射功率一定时，为使换能器能获得最大的功率，所以要对 换能器进行阻抗匹配。本设计的发射机实际发送信号的频带只有4 k h z ，由窄 带匹配的基本原理知：当发射机发射的信号的频谱集中到某一中心频率附近 比较窄的频带附近时，可以使用窄带匹配。对于窄带匹配来说只用一个匹配 电感就可以完成，其电路结构比较简单，占用空间也很小。所以针对本系统 指标的要求，本发射机设计采用了并联匹配的形式。如图3 1 9 所示： j 最 y l 。 图3 1 9 并联电感匹配等效电路 本发射机选择在f = 1 2 k h z 处进行并联匹配。：麟f = 1 2 k h z 处，测得 3 2 哈尔滨t 程人学硕十学位论文 换能器的电导为6 8 2g t s ，电纳为1 9 6 8 9 s 。由并联匹配电感公式3 - 1 4 b 得： = 去= 蘅丽毒丽黾7 ( m h ) 。 由工作带宽公式3 1 7 得： n3 d b = l 并。c o o f o ：竺盟垫等塑型“z ) 。 【 1 6 8 2 x 1 0 巧 所以发射机能满足发送信号4 k h z 带宽的要求。 3 4 - 4 变压器设计 变压器是d 类推挽放大电路中的重要的组成部分，变压器的主要作用是 用来提高发射电路的输出功率，并能使功率放大器的输出阻抗与换能器的负 载阻抗相匹配。变压器材料的选择与变压器的工作频率有关，电路工作频率 必须在材料标称的频率范围内。一般锰锌材料的变压器使用频率从几千赫至 几百千赫，镍锌材料的使用频率约从几百千赫至几百兆赫。 在制作变压器的过程中要注意以下三点： l 、适量选取工作的磁通密度，磁通密度决定于磁芯的导磁率和线圈的匝 数，变压器的上限频率会随着磁通密度的增大而升高，选取大的磁通密度可 以提高变压器的带宽，再设计时因为空间的原因一般都要求匝数不要太多， 所以这就要求选用导磁率高的磁芯，但是如果磁通密度太高了也不好，一般 选择的原则是磁通密度低于饱和磁通的3 0 最合适； 2 、初级电感量要足够的大； 3 、频率过高时宜选用多股导线并绕的形式。 变压器工作在高频时导线的电阻值将会增加，阻值的增加将会引起发热， 导致损耗的增加，同时导致变压器升温，引起连锁的不良反应，因此可以使 用多股细导线并绕的方法来解决这方面的问题哪观。 变压器主要考虑的是线圈匝数比和线圈圈数。本设计中变压器的匝数比 和线圈圈数是这样确定的。 在1 2 k h z 处该换能器的等效并联电阻约为1 5 k f ，当发射机发送2 0 0 w 3 3 哈尔溟t 样大学硕十字f c 7 ：论文 的脉冲功率时，功率管实际最大输出脉冲功率3 0 0 w ，考虑功率管上有2 v 的 压降，功率管最大输出电压为= 2 2 v ，最大输出电流k = 2 7 3 a 。则变 压器的初次级匝数可以通过公式3 1 8 计算确定。 功率管输出电阻r 脚为： 2 专5 恭一。盘0 6 ( q ) 1 鼬 一。 妪黝黝瞰比恕k 压2 虑- 4 3 。 选用的是g u 4 8 型罐型磁芯，由于其导磁系数较大，初级大约1 0 圈即可 满足要求，则次级线圈圈数为1 0 4 3 = 4 3 0 圈。 3 4 5 储能电容设计 该功放电路板采用的是2 4 v 直流电源供电，当电路板发射信号时，需提 供瞬时大电流，一般的直流电源都没有这么强的供电能力，所以设计了大电 容组与电源并联的方式供电，如图3 2 0 所示，当功放不工作时，电源对电容 充电，功放工作时，电容对外释放能量。 电源- e l =- - 0 2 = c 3 一一一一一=z c n - l = 图3 2 0 电容与电源并联示意图 电容容值的计算可通过下面的公式： q = p 宰f q = 三( 凇一曙c ) ( 3 1 9 ) ( 3 2 0 ) q 厮2 p r ( 3 - 2 1 ) i 仅p = 2 0 0 w ，r u a x = 1 0 m s ，k = 2 4 v ，按电容下降1 0 算，由公式3 - 2 1 3 4 6 功率管的散热设计 重量予以考虑。设计时要注意以下方耐2 7 1 ： 哈尔滨。门晕大学硕十学位论文 不加散热片时功率管微烫，加上散热片后功率管就基本不热了。 3 5 性能测试 发射机的输入信号是由数字板发出的相位相差为1 8 0 。的两路c w 脉冲， 该脉冲频率1 2 k h z ，脉宽是1 0 m s ，周期是l s ，图3 2 l 为实测的发射机波形， 这是衰减1 0 0 倍得到的电压峰峰值1 5 3 v 。经测算电压峰值满足发射要求。 扣 6o o v 。 匿露暖f4o o o 霹 2 d o 霉s t o pf皿 1 0 v 盔玉燃函琵缀 孵嘲 秽； j 一臻 尤 删删撕酾削勰镢舰嘶 删必燃喇吻渤燎巍裂镶皎臻彝燃臻唧 幽 爨 嚣：乒 _ 醯釜瞄盈幽汹五譬瞄圈簪瞄回- 誓豳鼙翻幽函蓄鲨簟瞄凶遴豳呦_ _ - _ 皤簟_ _ 呦一 鏊二。! ：! ：笼：三：s 星篡：二k ；! 嫠裂：毛翻；蒌l ；。：凌：纛：! ：；娑竺：， 图3 2 1 发射机输出波形 为验证该发射机的功率的大小能否满足发射的要求，本发射机还测试了 信号频率为1 4 k h z 发射机的输出波形，衰减1 0 0 倍得到的峰峰值1 3 9 v ，由 图3 2 2 可知，在信号持续时间内信号峰值衰减小于1 0 ，电压峰值满足功率 发射要求。 5o o v 瞎 ” 匿 口 r 4o o o 暂2o o r s t o pf皿 _ 叠銎一鲨j 。p k _ 卜，k 1j 1 39 v f r e q l l 1 l z 鍪二：x ： 茏竺i ；量萎：纛：竺蓥蓑：笼 星；瑟；。釜。色：! ：；妥善：绥 图3 2 2 发射机输出波形 一警群蕊燃 d飘。 哈尔滨f ：程大学硕十学位论文 3 6 小结 本章完成了释放器发射电路的设计，根据设计要求达到的指标，完成了 发射电路中各部分电路的设计及电路参数的计算。重点讨论了功率放大电路 中功率管的选取和匹配类型的选择。经过测试，该发射机的性能满足设计提 出的要求。 3 7 哈尔滨t 种人学硕十学位论文 第4 章信号处理电路模块设计 4 1 引言 信号处理电路模块由三部分组成：值班电路单元、数字信号处理单元和 电源管理单元。主要负责完成系统的电路值班、信号检测和处理以及系统的 电源管理功能。平时系统处理低功耗的值班状态，当检测到有唤醒信号到达 时，启动电源管理功能，控制数字信号处理单元的上电，由数字信号处理单 元负责解码复杂的释放命令信号以及完成通信的功能。当长时间没有接收到 信号时，值班电路将控制数字信号处理单元下电，重新回到低功耗的值班状 态。下面将分别论述各个单元模块的硬件电路设计和实现过程。 4 2 值班电路单元设计 本系统引入值班电路的主要原因就是为了降低整个系统的功耗，以使系 统能够长时间的工作，因此作为值班功能的值班电路首先要保证自身的低功 耗。这部分电路平时一直处于上电值班状态，因此设计中电路的每个部分都 尽量采用低功耗的器件，主处理器采用的是t i 公司的微功耗单片机 m s p 4 3 0 f 1 6 1 1 ，在外围器件的选取上尽量采用c m o s 器件，因为c m o s 器 件最大的特点就是功耗低。 4 2 1 微功耗单片机m s p 4 3 0 f 1 6 1l 简介 t i 公司的m s p 4 3 0 系列单片机是一款超低功耗的混合信号控制器，其中 包括一系列片内外设，它们针对不同的应用而由不同的模块组成。这些微控 制器被设计成用电池工作，并且可以长时间使用。它们具有1 6 位r i s c 结构， c p u 中的1 6 个寄存器和常数发生器使m s p 4 3 0 微控制器能达到最高的代码 效率；灵活的时钟源可以使器件达到最低的功率消耗；数字控制振荡器( d c o ) 可使器件从低功耗模式迅速唤醒，在少于6 烽的时间内激活到活跃的工作方 式。m s p 4 3 0 系列单片机在推出时间不是很长的情况下被迅速发展，这与它 优良的性能是密不可分的2 。h 3 3 1 。 系统采用的单片机m s p 4 3 0 f 1 6 1l 的主要技术指标如下： = ；r 哈尔滨下程人学硕十学位论文 供电电压范围：1 8 3 6 v ； 活动模式：3 3 0 衅 1 m h z ，2 2 v ； 待机模式：1 1 衅； 关闭模式：o 2 衅； 5 种节电模式； 1 6 位s c 结构，1 2 5 n s 指令周期； 三通道内部d m a ： 1 2 位2 0 0 k b p s 的a d 转换器，自身带采样保持； 双通道d a 输出； 两个带有捕捉比较寄存器的1 6 位定时器； 两通道串行通信接口； 1 2 c 通信模块； 硬件乘法器； 串行在线系统编程； 安全熔丝的程序代码保护。 该系列的单片机具有以下优点： l 、超低功耗 供电电压是1 8 3 6 v ，r a m 数据保持方式下的能耗为0 1 u a ，i o 输入 端口的漏电流最大5 0 n a 。有两套不同的时钟系统：基本时钟系统和锁相环时 钟系统。并且时钟可以在指令的控制下打开或者关闭，能够实现对总体功耗 的控制。系统可以采取不一样的功能模块运行，所以会导致芯片的功耗有明 显的不同。 采用矢量中断，支持多种中断源，可以任意嵌套，中断请求唤醒c p u 只 要6 u s ，因此可以对外部事件请求作出快速响应。 2 、处理能力强大 m s p 4 3 0 f 1 6 11 是1 6 位的单片机，在8 m h z 晶振工作时，指令速度可达 8 m i p s 的指令速度。 采用了先进的体系结构，增强了数据处理和运算的能力，可以实现有些 数字信号处理的算法。 3 、高性能模拟技术及丰富的片上外围模块 3 9 哈尔滨t 稗人学硕十学位论文 m s p 4 3 0 f 1 6 1 1 具有丰富的片内外设资源，如：看门狗，模拟比较器a ， 定时器a 和b ，串口0 和1 ，硬件乘法器，1 0 位1 2 位1 4 位a d c ，1 2 位d a c ， 1 2 c 总线等。这些丰富的片内外设，在目前所有单片机系列产品中是非常突 出的，为系统的单片解决方案提供了极大的方便。 4 、方便高效的开发环境 目前m s p 4 3 0 系列有3 种类型的器件分别是：o p t 型、f l a s h 型和r o m 型。使用最多的是f l a s h 型，以f l a s h 技术、j t a g 调试、集成丌发环境 结合的开发方式，具有廉价、实用、方便等优点。o t p 型和r o m 型器件是 使用专用仿真器开发成功之后再烧写或掩膜芯片。 4 2 2 值班电路单元功能设计 值班电路单元完成的功能如下： l 、a d 采集：经模拟接收电路放大滤波后的信号经过a d 采集，进行 进一步的数字信号处理。 2 、信号检测及命令解码 3 、发射信号的输出：根据解码解出的命令，回应不同的信号波形通过发 射机发射出去。 4 、5 5 0 9 信号处理板上下电控制 5 、发射机上下电控制 6 、电池电量监测 7 、根据释放命令输出释放信号电平给电机控制电路 8 、通过r s 2 3 2 串口实现对整个系统的配置 9 、能够通过s p i 接口实现与5 5 0 9 的数据交换 以上所涉及的一些控制上下电的电路在设计中只是由4 3 0 给出控制电 平，具体的控制电路将在各自的板上实现。 根据值班电路要完成的功能，将值班电路框图设计成如图4 1 所示： 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 图4 1 值班电路框图 4 2 3a d 采集电路设计 a d 选择可以有两种，如果为了降低功耗，则可以选用4 3 0 单片机内部 的1 2 b i t 山，d ；如果选用精度更高的1 6 b i t a d ，则需要外接一个a d ，可以选 择t i 公司的1 6 b i t 低功耗a d ( a d s 8 3 2 0 ) ，最高采样率1 0 0 k ，功耗1 8 m w ， 数据接口为标准的s p i 接口，但是在与4 3 0 连接的时候无法与4 3 0 的s p i 串 口匹配，因为4 3 0 的s p i 串口为8 位的，而a d s 8 3 2 0 一次采样需要2 4 个时 钟周期，因此如果要选择这个a d ，只能与4 3 0 的标准i o 口连接，采用编 程的方式来模拟a d s 8 3 2 0 所需要的时序。a d 的输入信号为单极性信号，因 此需要在模拟接收板上将信号抬升为单极性信号。 在实际应用过程中，可以通过跳线来选择接收信号是使用1 6 b i t a d 来采 集还是使用功耗更低的4 3 0 内部1 2 b i t a d 来采集，具体的电路设计如图4 2 所示： 4 1 哈尔