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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)場可編程門陣列（FPGA）；無線通訊；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：TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2012）24-0215-02

0 引言

隨著電子技術(shù)的飛速度發(fā)展，無線通訊正悄然的改變著這個(gè)社會，成為人們生活中不可或缺的一部分，傳統(tǒng)意義上的無線通訊大多建立在電磁通訊上，雖發(fā)展早技術(shù)相對成熟，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)無線通訊非常困難。如今世界各國對海洋資源開發(fā)的日益重視，人們越發(fā)感覺到找尋一種新型的無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，無線聲通訊的研究正在成為一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。

現(xiàn)場可編程門陣列（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，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)的升級更新，協(xié)議的調(diào)整，接口的擴(kuò)展等方面。FPGA在為無線通訊系統(tǒng)提供豐富資源的同時(shí)，也使無線通訊系統(tǒng)煩瑣的開發(fā)過程變的簡單。

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 無線部分的設(shè)計(jì)

2.1.1 超聲波無線通訊協(xié)議選擇與數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu) 為了能夠正確地對超聲波進(jìn)行編碼，首先必須對通訊協(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。通過比較計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)來判斷每一位是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)中傳輸對頻率十分敏感，在傳播過程中介質(zhì)對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，對傳輸質(zhì)量有影響。選擇合適的頻率來作為系統(tǒng)無線的載波頻率不但可以有效避開大量背景噪聲同時(shí)也減少了傳播過程的信號衰減。試驗(yàn)中選用常用的40khz換能器作為實(shí)驗(yàn)對象。