一种低功耗声纳高度计的制作方法

本发明涉及声纳技术，具体涉及一种低功耗声纳高度计。

背景技术：

声纳高度计用于uuv、水下滑翔机与潜艇等各类水下航行器，以测量航行器到海底的高度，为避撞与航路决策提供依据。目前已有的产品，如美国benthos公司的psa-916声纳高度计，存在待机功耗较高的问题，在电池供电的水下无人航行器上使用时，缩短了其工作时间，使得长航时水下工作的要求难以达到。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种低功耗声纳高度计，能够根据其使用需求，实现待机状态、断电状态或工作状态，进而减小功耗。

本发明的技术方案为：一种低功耗声纳高度计，包括控制电源模块、232通信模块、msp430型单片机、开关电路、发射模块、接收模块和收发合置换能器。

控制电源模块接收外部输入的电源信号和电源控制信号；控制电源模块在电源控制信号的控制下，输出3.3v电源为232通信模块和msp430型单片机供电。

232通信模块与外部进行通信，同时与单片机进行串口通信，232通信模块接收到外部的控制指令，将该控制指令发至单片机，以控制单片机进行开关控制、信号发射、接收以及处理；232通信模块接收单片机发来的开关控制信号，在该开关控制信号的控制下实现打开和关断。

msp430型单片机产生发射脉冲信号发至发射模块，同时单片机能够接收接收机发来的回波信号，单片机对回波信号进行采样，形成数字信号，对数字信号进行处理计算获得高度结果，并将高度结果通过232通信模块输出；单片机向232通信模块和开关电路发送开关控制信号，以控制二者开关。

开关电路接收外部电源的输入，开关电路的电源输出端分别连接至发射模块和接收模块，用于控制发射模块和接收模块的电源的通断。

收发合置换能器一方面将发射模块发出的发射信号进行电能-声能的转换，并将声信号辐射至水中，另一方面接收水中的回波声信号转换为回波电信号发送至接收模块。

进一步地，当声纳高度计需要待机状态时，为控制电源电路上电，并通过232通信模块给msp430型单片机发送断电指令，由msp430型单片机控制开关电路和232通信模块断电。

进一步地，控制电源模块，与msp430型单片机的第10管脚和第64管脚连接，控制电源模块由max16903saue33/v+和外围电阻、电容和电感构成。

其中，max16903saue33/v+的bst端口通过电容c8与电感l1的一端连接，电感l1的该端进一步与max16903saue33/v+的2个lx端口连接；电感l1的另一端作为3.3v电压输出端，用于给232通信模块和msp430型单片机供电；的电感l1的另一端一方面通过电容c9与max16903saue33/v+的2个电源地pgdn端口连接、另一方面直接与max16903saue33/v+的outs端口连接，max16903saue33/v+的2个电源地pgdn端口直接连接电源地pgnd；max16903saue33/v+的两个sup端口并联后，一方面接收来自外部控制中心的电源信号power+，另一方面还通过电容c7与电源地pgnd连接；max16903saue33/v+的en端口通过电阻r12与控制中心连接，用于接收来自外部控制中心的电源控制信号power_ctrl；在控制中心和电阻r12之间，通过电阻r13与数字地gnd连接；max16903saue33/v+的pgood端口通过电阻r14以及电容c6接入数字地gnd，max16903saue33/v+的bias端口直接通过电容c6接入数字地gnd；max16903saue33/v+的sync端口和gnd端口都接入数字地gnd，max16903saue33/v+的3个nc端口均悬空。

进一步地，232通信模块，分别与msp430型单片机的第34管脚和第35管脚和控制电源的电压输出端连接。

进一步地，发射模块包括用于实现供电的第一dc/dc模块、以及强弱信号隔离电路、第一功率驱动电路、第二功率驱动电路和变压器及宽带网络匹配模块；第一功率驱动电路和第二功率驱动电路与强弱信号隔离电路的输出端连接，第一功率驱动电路和第二功率驱动电路与变压器及宽带网络匹配模块的输入端连接。

第一dc/dc模块与开关电路连接；强弱信号隔离电路的输入端与msp430型单片机的输出端口连接；变压器及宽带网络匹配模块的输出端与收发合置换能器的输入端连接。

进一步地，第一功率驱动电路和第二功率驱动电路均采用驱动芯片ir21844；对于第一功率驱动电路中的的驱动芯片ir21844：第12引脚即ho端口通过27欧姆的电阻r2与功率管d2的栅极连接；在电阻r2两端，并联二极管v2；功率管d2的漏极接24v电源，功率管d2的源极引出输出正极out+，在功率管d2的漏极和源极之间，并联电阻r4和电容c5；引脚6即lo端口通过27欧姆的电阻r3与功率管d3的栅极连接；在电阻r3两端，并联二极管v3；功率管d3的漏极接out+，功率管d3的源极接地，在功率管d3的漏极和源极之间，并联电阻r5和电容c6；引脚11即vs端口接out+，且与引脚13即vb端口之间，通过电容c3连通；引脚5即com端口与地连接；引脚7即vcc端口连接12v的工作电压，引脚7即vcc端口和12v工作电压之间，分别通过电容c4与引脚5即com端口连接，通过二极管v1与引脚13即vb端口连接；引脚7即vcc端口和12v工作电压之间，还并联有电容c1和电容c2；电容c1和电容c2的公共端，与引脚3即vss端口连接；电容c1和电容c2的公共端与地连接；电容c1和电容c2的公共端还通过电阻r1和引脚4即dt端口连接；引脚1即in1端口和引脚2sd端口分别与强弱电信号隔离电路的fs1输出端口和sd输出端口连接。

对于第二功率驱动电路中的的驱动芯片ir21844：第12引脚即ho端口通过27欧姆的电阻r7与功率管d4的栅极连接；在电阻r7两端，并联二极管v5；功率管d4的漏极接24v电源，功率管d4的源极引出输出负极out-，在功率管d4的漏极和源极之间，并联电阻r9和电容c17；引脚6即lo端口通过27欧姆的电阻r8与功率管d5的栅极连接；在电阻r8两端，并联二极管v6；功率管d5的漏极接out-，功率管d5的源极接地，在功率管d5的漏极和源极之间，并联电阻r10和电容c18；引脚11即vs端口接out-，且与引脚13即vb端口之间，通过电容c15连通；引脚5即com端口)与地连接；引脚7即vcc端口连接12v的工作电压，引脚7即vcc端口和12v工作电压之间，分别通过电容c16与引脚5即com端口连接，通过二极管v4与引脚13即vb端口连接；引脚7即vcc端口和12v工作电压之间，还并联有电容c13和电容c14；电容c13和电容c14公共端，与引脚3即vss端口连接；电容c13和电容c14的公共端与地连接；电容c13和电容c14的公共端还通过电阻r6和引脚4即dt端口连接；引脚1即in2端口和引脚2即sd端口分别与强弱电信号隔离电路的fs2输出端口和sd输出端口连接。

进一步地，接收模块包括用于为发射模块供电的第二dc/dc模块，以及依次连接的前级输入保护及放大模块和滤波放大及程控增益控制电路。

第二dc/dc模块与开关电路连接。

前级输入保护及放大模块的输入端与收发合置换能器的输出端连接。

滤波放大及程控增益控制电路的输出端与msp430型单片机的p6.0端口连接。

进一步地，前级输入保护及放大模块主要由运算放大器u1、外围电阻和电容构成；

其中，运算放大器u1的同相输入端通过电阻r18与收发合置换能器的输出端口相连，的同相端还通过电阻r19与地连接；运算放大器u1的同相输入端通过一对并联反接的tvs二极管接地；

运算放大器u1的反相输入端通过串联的电阻r20及r21连地，r20和r21的公共端通过电阻r22与运算放大器输出端连接；运算放大器输出端通过隔直电容c19把信号输出至滤波放大及程控增益控制电路的输入端；运算放大器u1的电源输入端分别接入+5v和-5v电源。

进一步地，开关电路，与msp430型单片机的第49管脚连接；开关电路由第一三极管bd652、第二三极管bc847t和外围电阻构成；msp430型单片机通过电阻r8与三极管bc847t的基极连接，用于接收由msp430型单片机发送的控制电压poweron指令；第二三极管bc847t的发射极与gnd连接，第二三极管bc847t的发射极还通过电阻r11与第一三极管bd652的集电极连接；第一三极管bd652的集电极和电阻r11的公共端分别与发射模块和接收模块的dc/dc模块连接；用于为发射模块和接收模块供电；第二三极管bc847t的集电极通过电阻r9与控制中心相连，用于获得由控制中心提供的工作电压power+；三极管bc847t的集电极还通过电阻r10与第一三极管bd652的基极连接；第一三极管bd652的发射极与控制中心相连，用于获得由控制中心提供的工作电压power+。

有益效果：

首先，当声纳高度计需要待机状态时，为控制电源电路上电，并通过232通信模块给msp430型单片机发送断电指令，由msp430型单片机控制开关电路和232通信模块断电，实现了主动控制声纳高度计待机时的断电，此时功耗较低，声纳高度计能够长时间待机，满足了长航时水下工作的需要。

其次，发射模块配置的前级输入保护及放大模块具有过载保护功能；在输入脉冲宽度超过安全阈值时自动关闭，以保护发射模块不被烧坏。接收模块输入端并联连接tvs二极管，结合发射模块收发转换电路，以防止发射模块工作时接收模块输入端器件在高电压下损坏。

最后，单片机的采样率远小于信号频率，且采样频率不整除信号频率，降低了信号处理的运算量，使得在单片机上就可以完成信号的实时检测，不需要功耗较大的dsp芯片。且海底回波检测采用幅度门限加宽度门限的判断条件，有效排除尖脉冲干扰。

附图说明

图1为高度计系统组成；

图2为控制电源电路；

图3为开关电路；

图4为发射模块中的功率驱动电路；

图5为接收射模块中的前级输入保护及放大电路；

图6为海底回波波形；

图7为海底回波的过门限检测。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种低功耗声纳高度计，如图1所示，包括控制电源模块、232通信模块、msp430型单片机、开关电路、发射模块、接收模块和收发合置换能器。

控制电源模块接收外部输入的电源信号和电源控制信号；控制电源模块在电源控制信号的控制下，输出3.3v电源为232通信模块和msp430型单片机供电。

232通信模块与外部进行通信，同时与单片机进行串口通信，232通信模块接收到外部的控制指令，将该控制指令发至单片机，以控制单片机进行开关控制、信号发射、接收以及处理；232通信模块接收单片机发来的开关控制信号，在该开关控制信号的控制下实现打开和关断。

msp430型单片机产生发射脉冲信号发至发射模块，同时单片机能够接收接收机发来的回波信号，单片机对回波信号进行采样，形成数字信号，对数字信号进行处理计算获得高度结果，并将高度结果通过232通信模块输出；单片机向232通信模块和开关电路发送开关控制信号，以控制二者开关。

开关电路接收外部电源的输入，开关电路的电源输出端分别连接至发射模块和接收模块，用于控制发射模块和接收模块的电源的通断。

换能器一方面将发射模块发出的发射信号进行电能-声能的转换，并将声信号辐射至水中，另一方面接收水中的回波声信号转换为回波电信号发送至接收模块。

当声纳高度计需要待机状态时，为控制电源电路上电，并通过232通信模块给msp430型单片机发送断电指令，由msp430型单片机控制开关电路和232通信模块断电。

如图4所示，发射模块包括用于为发射模块供电的第一dc/dc模块，以及强弱信号隔离电路、第一功率驱动电路、第二功率驱动电路和变压器及宽带网络匹配模块；第一功率驱动电路和第二功率驱动电路与强弱信号隔离电路的输出端连接，第一功率驱动电路和第二功率驱动电路与变压器及宽带网络匹配模块的输入端连接；

其中，第一dc/dc模块，与开关电路的电阻r17和达林顿管bd652的集电极的公共端连接，用于实现对发射模块的供电。

强弱信号隔离电路的输入端分别与单片机的输出端口p1.2、输出端口p1.3和输出端口p1.1连接，用于接收来自单片机发送的发射信号fs1、发射信号fs2及包络信号sd。

变压器及宽带网络匹配模块的输出端与收发合置换能器的输入端连接，用于驱动收发合置换能器。

上述的第一dc/dc模块、强弱信号隔离电路和变压器及宽带网络匹配模块的电路为现有技术，不做过多介绍。

第一功率驱动电路和第二功率驱动电路均采用国际整流公司的驱动芯片ir21844。该芯片的工作电压范围为+5v～+25v；两个驱动端ho和lo的最大输出电流可以达到2a。

对于第一功率驱动电路中的的驱动芯片ir21844，其各引脚的连接关系如下：第12引脚(ho端口)通过27欧姆的电阻r2与功率管d2的栅极连接；在电阻r2两端，并联二极管v2；功率管d2的漏极接24v电源，功率管d2的源极接out+，在功率管d2的漏极和源极之间，并联电阻r4和电容c5；引脚6(lo端口)通过27欧姆的电阻r3与功率管d3的栅极连接；在电阻r3两端，并联二极管v3。功率管d3的漏极引出输出正极out+，功率管d3的源极接地，在功率管d3的漏极和源极之间，并联电阻r5和电容c6；引脚11(vs端口)接out+，且与引脚13(vb端口)之间，通过电容c3连通；引脚5(com端口)与地连接；引脚7(vcc端口)连接12v的工作电压，引脚7(vcc端口)和12v工作电压之间，分别通过电容c4与引脚5(com端口)连接，通过二极管v1与引脚13(vb端口)连接；引脚7(vcc端口)和12v工作电压之间，还并联有电容c1和电容c2；电容c1和电容c2的公共端，与引脚3(vss端口)连接；电容c1和电容c2的公共端与地连接；电容c1和电容c2的公共端还通过电阻r1和引脚4(dt端口)连接；引脚1(in1端口)和引脚2(sd端口)分别与强弱电信号隔离电路的fs1输出端口和sd输出端口连接。

对于第二功率驱动电路中的的驱动芯片ir21844，其各引脚的连接关系如下：第12引脚(ho端口)通过27欧姆的电阻r7与功率管d4的栅极连接；在电阻r7两端，并联二极管v5；功率管d4的漏极接24v电源，功率管d4的源极引出输出负极out-，在功率管d4的漏极和源极之间，并联电阻r9和电容c17；引脚6(lo端口)通过27欧姆的电阻r8与功率管d5的栅极连接；在电阻r8两端，并联二极管v6。功率管d5的漏极接out-，功率管d5的源极接地，在功率管d5的漏极和源极之间，并联电阻r10和电容c18；引脚11(vs端口)接out-，且与引脚13(vb端口)之间，通过电容c15连通；引脚5(com端口)与地连接；引脚7(vcc端口)连接12v的工作电压，引脚7(vcc端口)和12v工作电压之间，分别通过电容c16与引脚5(com端口)连接，通过二极管v4与引脚13(vb端口)连接；引脚7(vcc端口)和12v工作电压之间，还并联有电容c13和电容c14；电容c13和电容c14公共端，与引脚3(vss端口)连接；电容c13和电容c14的公共端与地连接；电容c13和电容c14的公共端还通过电阻r6和引脚4(dt端口)连接；引脚1(in2端口)和引脚2(sd端口)分别与强弱电信号隔离电路的fs2输出端口和sd输出端口连接。

第一功率驱动电路的out+与变压器及宽带网络匹配模块的正向输入端连接；第二功率驱动电路的out-与变压器及宽带网络匹配模块的反向输入端连接；

如图5所示，接收模块包括用于为发射模块供电的第二dc/dc模块，以及依次连接的前级输入保护及放大模块和滤波放大及程控增益控制电路；

其中，第二dc/dc模块，与开关电路的电阻r17和第一三极管bd652的集电极的公共端连接，用于实现对接收模块的供电。

滤波放大及程控增益控制电路的输出端，与单片机的p6.0端口连接，用于实现单片机对回波信号的低频率采样。

上述的第二dc/dc模块和滤波放大及程控增益控制电路为现有技术，不做过多介绍；

前级输入保护及放大模块主要完成对来自收发合置换能器的模拟小信号的一级放大及输入保护功能。如图5所示，运算放大器u1的同相输入端通过电阻r18与收发合置换能器的输出端口相连，的同相端还通过电阻r19与地连接。由于收发合置换能器发送至前级输入保护及放大模块的信号的电压是高能信号，为了避免毁伤发射模块，运算放大器u1的同相输入端通过一对并联反接的tvs二极管接地。

运算放大器u1的反相输入端通过串联的电阻r20、r21与地连接，r20、r21的公共端通过电阻r22与运算放大器输出端连接。运算放大器输出端通过隔直电容c19把信号输出至滤波放大及程控增益控制电路的输入端。运算放大器u1的电源输入端分别接入+5v和-5v电源。

如图2所示，控制电源电路，与单片机的10、64脚管脚连接。主要由max16903saue33/v+和一些外围电阻、电容、电感构成。引脚1(bst端口)通过电容c8与电感l1的一端连接，电感l1的一端还与引脚4(lx端口)、引脚5(lx端口)连接；电感l1的另一端作为3.3v电压输出端，用于给232通信模块和单片机供电。的电感l1的另一端还通过电容c9与引脚6(pgdn端口)、引脚7(pgdn端口)连接，的电感l1的另一端还与引脚8(outs端口)连接。引脚2(sup端口)、引脚3(sup端口)并联，与控制中心连接，用于接收来自控制中心提供的工作电压power+，同时通过电容c10与电源地pgnd连接。引脚15(en端口)通过电阻r12与控制中心连接，用于接收来自控制中心的power_ctrl指令；在控制中心和电阻r12之间，通过电阻r13与数字地gnd连接。引脚11(pgood端口)通过电阻r11与引脚13(bias端口)连接，引脚13(bias端口)还通过电容c6与数字地gnd连接。引脚12(sync端口)和引脚14(gnd端口)都与数字地gnd连接，引脚16(nc端口)、引脚10(nc端口)和引脚9(nc端口)悬空。

232通信模块，分别与单片机的34、35管脚和控制电源的电压输出端连接；

如图3所示，开关电路，与单片机的49管脚连接。由第一三极管bd652(v5)、第二三极管bc847t(v4)和外围电阻构成。单片机通过电阻r8与第二三极管bc847t的基极连接，用于接收由单片机发送的控制电压poweron指令；第二三极管bc847t的发射极与gnd连接，第二三极管bc847t的发射极还通过电阻r11与达林顿管bd652的集电极连接；第一三极管bd652的集电极和电阻r11的公共端分别与发射模块和接收模块的第一dc/dc模块和第二dc/dc模块连接；用于为发射模块和接收模块供电。三极管bc847t的集电极通过电阻r9与控制中心相连，用于获得由控制中心提供的工作电压power+；第二三极管bc847t的集电极还通过电阻r10与第一三极管bd652的基极连接。第一三极管bd652的发射极与控制中心相连，用于获得由控制中心提供的工作电压power+。

工作原理：

如图6所示，当在声纳高度计不需要工作时，控制开关电路和控制电源电路断电；此时，声纳高度计处于休眠状态，功耗为零。

当声纳高度计需要待机状态时，为控制电源电路上电，此时，控制电源电路将接收到的工作电压power+转换为适合232通信模块和单片机工作的3.3v工作电压，并为232通信模块和单片机供电。控制中心通过232通信模块给msp430型单片机发送断电指令，实现对开关电路的断电控制；此时，声纳高度计处于待机状态，功耗为工作时的十分之一。

当声纳高度计需要工作时，控制控制电源电路上电，此时，控制电源电路将接收到的工作电压power+转换为适合232通信模块和单片机工作的3.3v工作电压，并为232通信模块和单片机供电。控制中心通过232通信模块给msp430型单片机发送上电指令，进而激活处于休眠状态的单片机，实现对开关电路的上电控制；同时还通过232通信模块给单片机发送开始工作指令，使高度计进入工作模式；

此时，单片机的p5.5端口(第49脚，poweron)为高电平；由于单片机的p5.5端口与开关电路输入端电阻r8相连，所以，单片机发送poweron指令至开关电路，控制开关电路工作。此时开关电路的三极管v4的集电极为低电平，三极管v5的基极和发射极之间有大于1v的压差，三极管v5的集电极和发射极之间饱和导通，导通压降极低，此时开关电路的u1端口输出电压+24v，且该电压与控制中心的工作电压power+电压接近，开关电路输出电压u1，并分别供给接收模块和发射模块的dc/dc模块，实现对接收模块和发射模块的供电。

同时，在单片机激活后，产生具有一定频率、脉宽和周期的发射信号fs1、发射信号fs2及包络信号sd，单片机输出端口p1.2、输出端口p1.3和输出端口p1.1将分别产生的发射信号fs1、发射信号fs2及包络信号sd发送给发射模块的强弱信号隔离电路，强弱信号隔离电路输出信号in1、信号in2及控制信号sd，强弱信号隔离电路输出信号in1和控制信号sd连接第一功率驱动电路的管脚1和管脚2；信号in1及控制信号sd通过第一功率驱动电路，对应的产生两个输出驱动信号ho1和驱动信号lo1，驱动信号ho1与信号in1相位相同，驱动信号lo1与控制信号sd相位相反。驱动信号ho1作为功率管d2的输入信号，驱动信号lo1作为功率管d3的输入信号，输出out+。

强弱信号隔离电路输出信号in2和控制信号sd连接第二功率驱动电路的管脚1和管脚2；信号in2及控制信号sd通过功率驱动电路，对应的产生两个输出驱动信号ho2和驱动信号lo2，驱动信号ho2与信号in2相位相同，驱动信号lo2与控制信号sd相位相反。驱动信号ho2作为功率管d2的输入信号，驱动信号lo2作为功率管d3的输入信号，输出out-。

同时，由于控制信号sd是高电平有效，给入的sd信号应该是与包络同步或者比包络窄的电平信号。这样的好处是在输入信号没有关闭的情况下，可以通过控制sd信号强制关闭输出信号，避免功率管长时间导通，烧毁功率管。

发射模块的第一功率驱动电路和第二功率驱动电路输出out+信号和out-信号后，输出至变压器及宽带网络匹配模块，信号通过变压器及宽带网络匹配模块输出端接至收发合置换能器的输入端，驱动收发合置换能器向水中发射声波。收发合置换能器并接收海底回波，把电信号通过接收模块的in端口输入至前级输入保护及放大模块，由于收发合置换能器输出的电信号为高压信号，故将该高压信号通过r18和r19进行初分压，分压后的电压由一对反向并联tvs管进行嵌位，嵌位后的电压不高于0.6v，有效防止了高压对前级运算放大器的损坏。前级输入保护及放大模块的输出端接入滤波放大及程控增益控制电路的输入端，进行进一步滤波放大，之后输出至单片机。单片机进行低频率采样。单片机中的检控软件对海底回波进行幅度与宽度门限比较，判决是否检测到海底以及到海底的高度，并把结果提供232通信模块输出给水下航行器指控中心。完成整个高度测量过程。

其中，单片机对海底回波的检测设计为现有技术，现进行简单介绍：

如图7所示，是试验中实测的海底回波，设定信号频率与采样频率的比值是15.3846。

a)对图7所示的采样序列x(n)取绝对值，得到序列y(n)；

b)对y(n)进行α滤波，获得包络z(n)。z(n)根据下式计算：

z(n)＝z(n-1)+α[y(n-1)-z(n-1)]

其中，n＝1,…,n-1，n为信号长度，α取0-1之间的值，α越小，输出包络越平滑。

c)把z(n)与幅度门限比较，连续过门限点数再与宽度门限比较，判断是否有海底回波输出，当在宽度门限之内时，判断有海底回波输出，则以第1个过门限点对应时刻为回波到达时刻；执行步骤d；幅度门限一般取背景的2倍以上，宽度门限一般取发射脉冲宽度的0.5倍到3倍之间。如果没有海底回波输出，则说明超过本声纳高度计的量程范围，此时，则通过232通信模块向控制中心发送无法获得高度的信息；

d)回波达到时刻与信号发射时刻之差除以2，再乘以声速，得到海底距离，并发送至控制中心。

采用检控软件输出的检波包络与门限比较，回波前沿118ms，按声速1500m/s计，输出高度为88.5m，与实际情况一致。

以上运算计算量很小，使单片机能以较低功耗完成计算任务。

综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。