专利名称：一种水下声纳发射机的制作方法
技术领域：
本发明涉及水声工程领域，特别涉及一种水下声纳发射机。
背景技术：
在海洋声学探测及水声通信领域中，发射机系统是不可或缺的。传统的水下发 射机大多存在功能较简单和可靠性差这两个缺点水下发射机受体积限制，功能较 单一，需外部信号源，且缺乏充足的保护措施，使用有着诸多不便。传统的功率放 大器的控制中心大多采用简单的逻辑电路或者由微控制器(MCU)或数字信号处理 器(DSP)等通用处理器组成。前者的缺点是功能简单，无法实现完善的系统监控而 导致整机可靠性差；后者的缺点是通用处理器以运行程序的方式工作，在发射机内 的恶劣电磁环境下很难避免死机或程序跑飞的现象。大功率、高电压的工作方式和 恶劣的电磁环境使得发射机的功率器件容易损坏，监控系统失灵，这使得发射机往 往成为整个声纳系统中最薄弱的环节。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种水下声纳发射机，本发明具 有任意波形产生，同步信号产生，上位机通信，设置存储等功能，通过强大的控制 中心实现了发射机的丰富功能。利用完善的温度、电流、电压监控装置、可编程的 监控策略管理以及自动功率控制功能实现了发射机工作状态的全面监控和智能管 理，从而克服了传统发射机功能单一的缺点。同时，本发明的控制中心以高可靠性 的闪存结构的现场可编程门阵列(FPGA)为核心，大大增强了控制中心的可靠性， 使得对功率器件的监控变得可靠。这样在过流，超温等状态下，控制中心能够及时 做出响应，因而使得发射机的可靠性大大增加，解决了传统发射机可靠性差的缺点。
为了达到上述目的，本发明提供的一种水下声纳发射机，包括
一控制中心，用于产生待发射的信号，并将该信号送入隔离器；
一隔离器，用于将待发射的信号隔离后送入H桥驱动器；
一H桥驱动器，用于产生功率管的栅极驱动信号，并将该驱动信号送入功率场 效应管；
一功率场效应管，用于产生变压器初级所需的大电流信号，并将其送入变压器；一变压器，用于将初级的低压大电流信号转换为高压信号，并将该高压信号送 入匹配网络；
一匹配网络，用于将高压信号输出给外部换能器转换为声能量； 所述控制中心以逻辑电路的形式集成于现场可编程门阵列中，控制中心所实现 功能是产生待发射的信号，将信号进行脉宽调制后送入功率管驱动器，以及完善的 温度、电流监控以及上位机通信、监控策略管理等。所述控制中心包括 一信号产生器，用于产生待发射的信号。
一系统监测器，用于对系统的电流、温度进行监控，并将监控电流及温度的信 息送入主控核心。
一主控核心，用于根据电流及温度的信息对系统进行监视与控制，并完成上位 机对系统制定的监控策略。
FPGA的本质为综合后的逻辑电路，而非运行程序，因此可靠性远高于通用处理 器。为避免电源稳定性差导致的FPGA内容丢失，本方案采用了 FLASH结构的 FPGA。
本发明提供的另一种水下发射机，其中，所述信号产生器包括 一同步器，用于产生或接受同步信号。同步器的功能是产生或接受同步信号， 这取决于其工作模式。当发射机工作于主模式时，同步器产生同步信号，用于控制 信号的产生与发射，同时将该信号输出；当发射机工作于从模式时，同步器可接受 外部的同步信号。这样就实现了发射机的级联，即多个发射机可级联在一起推动独 立的换能器产生频率、相位一致的声信号。
一扫频发生器，用于受同步器的同步触发作用，产生可变的频率控制字。 一波形产生器，用于根据频率控制字，产生单频或扫频的数字任意波形。 一脉宽调制器，用于将数字任意波形调制为脉宽调制信号输出。 本发明提供的另一种水下发射机，其中，所述波形产生器包括 一波形储存器，用于存入用户下载的任意波形，受频率控制字的控制。 一相位累加器，用于将波形存储器的内容按所需频率寻址读出。 本发明提供的另一种水下发射机，其中，所述脉宽调制器采用全数字的方法产 生移相脉宽调制信号，即接受内部产生的数字波形信号，使脉宽调制器的输出为中 心频率均为150KHz但互为反相且移相90度的两个信号分别驱动左右两个桥臂，在
变压器端两信号即可合成为300KHz的开关信号。采用移相式脉宽调制器的原因是 可降低功率场效应管的工作频率。
本发明提供的另一种水下发射机，其中，所述系统监测器包括一电流取样器，与功率场效应管相连，由取样电阻和比较器组成，其输出为过 流的开关信号，该信号为开关量，在发生过流事件时有效，并通过光电耦合器进入 现场可编程门阵列的主控中心。
一温度传感器，用于监测测温点温度的变化。
一斜率式模数转换器(ADC)，由比较器和斜率计数器组成，用于将温度传感器 输出的模拟量转换为数字量，并输入到现场可编程门阵列的主控中心。没有使用专 用ADC的原因是温度信息为缓变量且没有很高的精度要求，且斜率式ADC具有较 强的抗干扰性。该部分将环境信息送入了FPGA内的主控核心，以实现系统控制。
本发明提供的另一种水下发射机，其中，所述主控核心通过上位机设置寄存器 表的方法对发射机进行监视与控制。
本发明提供的另一种水下发射机，其中，所述寄存器包括扫频起始频率寄存 器、扫频宽度寄存器、同步方式控制寄存器、输出功率控制寄存器、系统监控策略 寄存器。
本发明提供的另一种水下发射机，其中，所述主控核心通过査表以及数字滤波 的方法，将系统监测器传来的传感器数据变换为具体的温度值和电流值。
本发明提供的另一种水下发射机，其中，所述主控核心完成上位机在寄存器表 中制定的监控策略，包括每个传感器的多个门限值以及到达门限值后的动作，主控 核心将在满足某种条件后执行动作，如温度超过某个门限后降低发射功率等。
本发明的优点在于
1、 本发明提供的水下声纳发射机具有任意波形产生，同步信号产生，上位机通 信，设置存储等功能，通过强大的控制中心实现了发射机的丰富功能。
2、 本发明提供的水下声纳发射机利用完善的温度、电流、电压监控装置、可编 程的监控策略管理以及自动功率控制功能实现了发射机工作状态的全面监控和智能 管理，从而克服了传统发射机功能单一的缺点。
3、 本发明提供的水下声纳发射机的控制中心以高可靠性的Flash结构的FPGA 为核心，大大增强了控制中心的可靠性，使得对功率器件的监控变得可靠。这样在 过流，超温等状态下，控制中心能够及时做出响应，因而使得发射机的可靠性大大 增加，解决了传统发射机可靠性差的缺点，同时具有体积小的优点。
图1是现有技术水下声纳发射机的结构图；图2是本发明实施例水下声纳发射机的控制中心结构图； 图3是本发明实施例水下声纳发射机的工程样机结构图。 附图标识
l发射机主板 2变压器和阻抗匹配电路板 3电源系统 4铝制机架
具体实施例方式
下面结合一个具体的实施例及附图对本发明进行详细说明。 本实施例的水下声纳发射机由控制中心、功率管及驱动器、变压器、阻抗匹配 网络等组成。如图1所示。其中，控制中心产生待发射的信号送入隔离器，再送入H 桥驱动器产生功率管的驱动信号驱动功率场效应管。后者将能量送入变压器，转换 为高压，经匹配网络输出给外部的换能器转换为声能量。整个过程由控制中心以及 电流取样器、温度传感器进行监控并负责和上位机的通信。
本发明的独创性在于其强大可靠的控制中心。图2为控制中心的逻辑结构框图。 控制中心由同步器、扫描发生器、波形产生器、PWM调制器、主控核心、异步串口 通信器、数据ROM、斜率计数器以及比较器组成。控制中心所实现功能是产生待发 射的信号，将信号进行PWM调制后送入功率管驱动器，以及完善的温度、电流监 控以及上位机通信、监控策略管理等。
1、 控制中心的组成
传统的功率放大器的控制中心大多采用简单的逻辑电路或者由微控制器(MCU) 或数字信号处理器(DSP)等通用处理器组成。前者的缺点是功能简单，无法实现完 善的系统监控而导致整机可靠性差；后者的缺点是通用处理器以运行程序的方式工 作，在发射机内的恶劣电磁环境下很难避免死机或程序跑飞的现象。在本发明中， 除比较器以外整个控制中心均以逻辑电路的形式集成于现场可编程门阵列(FPGA) 中。FPGA的本质为综合后的逻辑电路，而非运行程序，因此可靠性远高于GPP。 为避免电源稳定性差导致的FPGA内容丢失，本方案采用了 FLASH结构的FPGA。
2、 信号产生器部分
信号产生部分由同步器、扫频发生器、波形产生器以及PWM调制器组成。同 步器的功能是产生或接受同步信号，这取决于其工作模式。当发射机工作于主模式 时，同步器产生同步信号，用于控制信号的产生与发射，同时将该信号输出；当发 射机工作于从模式时，同步器可接受外部的同步信号。这样就实现了发射机的级联， 即多个发射机可级联在一起推动独立的换能器产生频率、相位一致的声信号。
扫频发生器和波形产生器的作用是产生可编程的扫频 意波形。扫频发生器受同步器的同步触发作用，产生可变的频率控制字。波形产生器由波形存储器和相位 累加器组成，其中波形存储器可以存入用户下载的任意波形，受频率控制字的控制， 波形产生器可产生单频或扫频的数字任意波形。
PWM调制器负责将波形产生器产生的数字任意波形调制为PWM信号输出。本 方案采用全数字的方法产生移相PWM信号，即接受内部产生的数字波形信号，使 PWM调制器的输出为中心频率均为150KHz但互为反相且移相90度的两个信号分 别驱动左右两个桥臂，在变压器端两信号即可合成为300KHz的开关信号。
3、 系统监测部分
系统监测部分由电流取样器、温度传感器、斜率计数器以及比较器组成。电流 取样器由取样电阻和比较器组成，其输出为过流的开关信号，该信号将在发生过流 事件时有效，为开关量，通过光电耦合器进入FPGA，温度传感器为负温度系数热敏 电阻(NTC)，测温点温度的变化将导致其阻值的变化，其输出为模拟量，不能直接 送入FPGA，因此进入由比较器和斜率计数器组成的斜率式ADC，从而转换为数字 量。没有使用专用ADC的原因是温度信息为缓变量且没有很高的精度要求，且斜率 式ADC具有较强的抗干扰性。该部分将环境信息送入了FPGA内的主控核心，以实 现系统控制。
4、 主控核心部分
主控核心部分由主控核心、异步串口通信器以及数据ROM实现。其中，主控核
心实现了以下功能
(1) 寄存器表上位机可以通过设置寄存器表的方法对发射机进行监视和控制， 这些寄存器包括扫频起始频率寄存器、扫频宽度寄存器、同步方式控制寄存器、输 出功率控制寄存器、系统监控策略寄存器等。
(2) 传感器数据的获取系统检测部分传来的传感器数据具有一定的非线性以 及干扰，在这里通过查表以及数字滤波的方法变换为具体的温度值和电流值。
(3) 策略监控由上位机在寄存器表中制定监控策略，包括每个传感器的多个 门限值以及达到门限后的动作，主控核心将在满足某种条件后执行动作，如温度超 过某个门限后降低发射功率等。
异步串口通信器为控制中心和上位机的接口，上位机可以通过该接口访问寄存 器表以对发射机进行设置并获得发射机的工作状态。上位机还可通过该接口设置任 意波形发生器的波形表，以产生所需波形。上位机也可通知发射机将所有设置保存， 这是通过FPGA内的数据ROM实现的。发射机将在上电时将数据ROM的内容读出 对整机进行配置。由以上说明可知，本发明具有任意波形产生，同步信号产生，上位机通信，设 置存储等功能，通过强大的控制中心实现了发射机的丰富功能。利用完善的温度、 电流、电压监控装置、可编程的监控策略管理以及自动功率控制功能实现了发射机 工作状态的全面监控和智能管理，从而克服了传统发射机功能单一的缺点。同时， 本发明的控制中心以高可靠性的Flash结构的FPGA为核心，大大增强了控制中心的 可靠性，使得对功率器件的监控变得可靠。这样在过流，超温等状态下，控制中心 能够及时做出响应，因而使得发射机的可靠性大大增加，解决了传统发射机可靠性 差的缺点。
按照本发明所实施的工程样机采用了紧凑的布局，如图3所示。其中l为发射 机主板，2为变压器和阻抗匹配电路板，3为电源系统，4为铝制机架。整个样机放 置在直径为200mm的不锈钢罐体中。利用将所有功率器件贴装在铝制机架上，再将 铝制机架紧贴在外壳上实现了散热。经测试表明，采用72V供电，工作在15 25KHz 的宽频带时，发射机具有1.52KVpp的峰值输出电压以及1.03KW的输出有功功率。 配合宽带发射换能器，本发明达到了 211.2dB的输出声源级。
本发明在使用时，只需使用计算机进行一次配置并保存即可在水下长期使用， 无须外部信号源以及监控设备，简化了声纳系统的组成结构，实现了很好的独立性 和易用性。该样机从制成今2年多时间，历经多次湖试和海试， 一直工作正常，说 明了本发明具有较高的可靠性。
权利要求
1、一种水下声纳发射机，包括一控制中心，用于产生待发射的信号，并将该信号送入隔离器；一隔离器，用于将待发射的信号隔离后送入H桥驱动器；一H桥驱动器，用于产生功率管的栅极驱动信号，并将该驱动信号送入功率场效应管；一功率场效应管，用于产生变压器初级所需的大电流信号，并将其送入变压器；一变压器，用于将初级的低压大电流信号转换为高压信号，并将该高压信号送入匹配网络；一匹配网络，用于将高压信号输出给外部换能器转换为声能量；其特征在于，所述控制中心以逻辑电路的形式集成于现场可编程门阵列中，包括一信号产生器，用于产生待发射的信号；一系统监测器，用于对系统的电流、温度进行监控，并将监控电流及温度的信息送入主控核心；和一主控核心，用于根据电流及温度的信息对系统进行监视与控制，并完成上位机对系统制定的监控策略。
2、 根据权利要求1所述的水下声纳发射机，其特征在于，所述信号产生器包括 一同步器，用于产生或接受同步信号；一扫频发生器，用于受同步器的同步触发作用，产生可变的频率控制字； 一波形产生器，用于根据频率控制字，产生单频或扫频的数字任意波形；和 一脉宽调制器，用于将数字任意波形调制为脉宽调制信号输出。
3、 根据权利要求2所述的水下声纳发射机，其特征在于，所述波形产生器包括 一波形储存器，用于存入用户下载的任意波形，受频率控制字的控制；和 一相位累加器，用于将波形存储器的内容按所需频率寻址读出。
4、 根据权利要求2所述的水下声纳发射机，其特征在于，所述脉宽调制器采用 全数字的方法产生移相脉宽调制信号。
5、 根据权利要求1所述的水下声纳发射机，其特征在于，所述系统监测器包括 一电流取样器，与功率场效应管相连，由取样电阻和比较器组成，其输出为过流的开关信号，该信号为开关量，在发生过流事件时有效，并通过光电耦合器进入 现场可编程门阵列的主控中心；一温度传感器，用于监测测温点温度的变化；和一模数转换器，用于将温度传感器输出的模拟量转换为数字量，并输入到现场 可编程门阵列的主控中心。
6、 根据权利要求1所述的水下声纳发射机，其特征在于，所述主控核心通过上 位机设置寄存器表的方法对发射机进行监视与控制。
7、 根据权利要求6所述的水下声纳发射机，其特征在于，所述寄存器包括扫 频起始频率寄存器、扫频宽度寄存器、同步方式控制寄存器、输出功率控制寄存器、 系统监控策略寄存器。
8、 根据权利要求1所述的水下声纳发射机，其特征在于，所述主控核心通过査 表以及数字滤波的方法，将系统监测器传来的传感器数据变换为具体的温度值和电 流值。
9、 根据权利要求1所述的水下声纳发射机，其特征在于，所述主控核心完成上 位机在寄存器表中制定的监控策略，包括每个传感器的多个门限值以及到达门限值 后的动作。
全文摘要
本发明公开了一种水下声纳发射机，包括控制中心、隔离器、H桥驱动器、功率场效应管、变压器、匹配网络。所述控制中心以逻辑电路的形式集成于现场可编程门阵列中，包括信号产生器、系统监测器、主控核心。本发明不仅具有传统水下发射机的功率放大器、换能器匹配电路，还具有任意波形产生，同步信号产生，上位机通信，设置存储等功能，实现了发射机的丰富功能。利用完善的温度、电流、电压监控装置、可编程的监控策略管理以及自动功率控制功能，本发明实现了发射机工作状态的全面监控和智能管理。以上功能通过高集成度、高可靠性的闪存结构现场可编程门阵列内实现，结合智能管理的实施，因此本发明具有体积小、可靠性高的优点。
文档编号G01S7/524GK101644767SQ200910084508
公开日2010年2月10日 申请日期2009年5月15日 优先权日2009年5月15日
发明者戈 戴 申请人:中国科学院声学研究所