一种用于水声信号收发电路的电磁隔离方法与流程

1.本发明涉及水下探测信号收发技术领域，具体为一种用于水声信号收发电路的电磁隔离方法。


背景技术：

2.随着海洋观测和探测技术的发展，各类水下设备广泛用于海洋领域，包括潜浮标、拖体、水下航行器等，用于声学探测、可燃冰探测和海底地形三维成像等。声学探测设备内部安装有接收水听器阵列、接收机电路、信号采集电路、发射换能器阵列、发射机电路、发射控制电路和系统控制电路等，这些电路在设计之初若不进行电磁隔离设计，电路之间强电弱电、模拟信号相互干扰，对设备采集数据的质量产生较大的影响。
3.专利号cn 106788580 a公开了“一种用于电子产品的电磁隔离系统及方法”，该系统采用i2c隔离芯片和spi隔离芯片分别对主设备和终端设备之间的通信信号做电磁隔离的设计,实现了保证通信信号的完整性、防止信号丢失的功能。但该系统仅对通信信号进行了信号隔离，应用场景为设备间信号传输，隔离模式单一，应用场景简单。
4.专利号cn 208091600 u公开了“一种隔绝电干扰装置”，该装置包括两个连接件：连接罩及绝缘垫圈，通过绝缘垫圈隔绝电信号的传播,并且连接件能够保证装置两端高强度连接,不会因为高压而使两端发生松动。但该装置主要用于电源隔离，应用在压力传感器测试金属装置的压力值时，使用此隔离电干扰装置后可避免金属装置导电引起多余干扰信号，提高测量精度，但隔离模式单一，应用场景简单。
5.为此，我们研发出了新的一种用于水声信号收发电路的电磁隔离方法。


技术实现要素：

6.(一)解决的技术问题
7.针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种用于水声信号收发电路的电磁隔离方法，有效解决了电磁干扰条件下水声信号收发电路采集信号质量差、通讯不稳定的问题。
8.(二)技术方案
9.为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种用于水声信号收发电路，包括32路接收机、2块信号采集板、1块发射控制板、2路发射机、2路发射换能器、1块同步及系统管理模块、1块传感器通讯模块、光电交换机和光电485转换模块；
10.所述32路接收机由两个16通道接收机组成，前端连接每个16阵元的水听器阵列，每组16通道接收机连接一个信号采集板；
11.所述2路发射机分别连接2个发射换能器，发射控制板控制2路发射机，将发射信号传输至发射机电路；
12.所述光电交换机连接信号采集板和发射控制板，进行双向网络通讯；
13.所述传感器通讯模块通过rs485连接同步及系统管理模块，同步及系统管理模块通过串口连接信号采集板、发射控制板和光电485转换模块；
14.所述传感器通讯模块包括姿态传感器、温度传感器和深度计。
15.优选的，所述水声信号收发电路分为两个电子舱，分别为发射舱和接收舱，发射舱和外部电源及光电交换机连接；
16.优选的，所述发射舱内部电路结构设计又分为以下三层：
17.第一层为msp430同步及系统管理板，包括同步模块、光电485通信模块和485隔离通信模块；
18.第二层为电源板，电源模块为整个系统供电包括电压转换和电源控制，包括为接收舱的电路提供电源；
19.第三层为发射信号处理板，包括发射控制板和发射机电路。
20.优选的，所述接收舱每个水听器阵列对应的电路结构又分为以下三层：
21.第一层为电源板，为本电路的3层板供电，包括电压转换、电源控制；
22.第二层为ad/da采集通信板+信号采集板，ad/da采集通信板包括16路ad信号转换、16路da增益控制以及以太通信模块；信号采集板为核心arm+fpga板，负责数字信号处理和逻辑功能控制；
23.第三层为接收机底板+16路接收机模块，16路接收机模块完成接收水听器输出的小信号，接收机底板为固定16路接收机模块，进一步处理接收机模块输出信号。
24.一种用于水声信号收发电路的电磁隔离方法，包括电源隔离和信号隔离；
25.所述电源隔离包括发射机、接收机、发射控制板、信号采集板、控制电路、水听器阵列等主要电路电源隔离，多路发射机之间电源隔离；
26.所述发射控制板和发射机之间采用光隔离电路进行信号隔离；
27.所述接收机和信号采集板采用数字隔离器进行信号隔离；
28.所述整体电路485通信采用485通信隔离器件进行通信信号隔离，
29.进一步的，所有pcb设计都采用分区域隔离设计，包括覆铜地分区域隔离、不同的信号分区域设计。
30.优选的，所述发射机、发射控制电路和msp430同步及系统管理板均单独供电，实现电源隔离。
31.(三)有益效果
32.本发明提供了一种用于水声信号收发电路的电磁隔离方法。具备以下有益效果：
33.1、该用于水声信号收发电路的电磁隔离方法，通过从结构、电路设计、隔离模块选用等多个维度进行电磁隔离设计，解决了复杂电子设备内部电路存在强电弱电、数字信号模拟信号等情况。
34.2、该用于水声信号收发电路的电磁隔离方法，有效解决了电磁干扰条件下水声信号收发电路采集信号质量差、通讯不稳定的问题，而且该电磁隔离模式更为多样，应用更为广泛，对水下探测装备的发展具有重要意义。
附图说明
35.图1为本发明水声信号收发电路连接图；
36.图2为本发明发射舱电路多层结构设计图；
37.图3为本发明发射信号处理板结构框图；
38.图4为本发明接收舱电路多层结构设计图；
39.图5为本发明ad/da采集通信板结构框图；
40.图6为本发明ad/da采集通信板pcb图。
具体实施方式
41.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
42.实施例：
43.如图1所示，本发明实施例提供一种用于水声信号收发电路，包括32路接收机、2块信号采集板、1块发射控制板、2路发射机、2路发射换能器、1块同步及系统管理模块、1块传感器通讯模块、光电交换机和光电485转换模块；
44.32路接收机由两个16通道接收机组成，前端连接每个16阵元的水听器阵列，每组16通道接收机连接一个信号采集板，信号采集板与光电交换机之间通过光纤连接，进行网络通讯；
45.为了保证数据质量，考虑电噪声引起的阵列数据同向干扰，采用前级放大器将水听器接收到的微弱信号放大，前级放大噪声低，增益带宽高，温度特性好；
46.2路发射机分别连接2个发射换能器，发射控制板控制2路发射机，将发射信号传输至发射机电路；
47.光电交换机连接信号采集板和发射控制板，进行双向网络通讯；
48.姿态传感器、温度传感器和深度计通过串口连接传感器通讯模块，传感器通讯模块通过rs485连接同步及系统管理模块，同步及系统管理模块通过串口连接信号采集板、发射控制板和光电485转换模块；
49.首先进行强电弱电分离设计，由于发射电路电压、功率较高，属于强电，而接收电路电压、功率较低，为了实现强电弱电分裂，设计两个电子舱，分别为发射舱和接收舱，发射舱和外部电源及光电交换机连接。
50.如图2所示，图为发射舱内部电路结构设计，第一层为msp430同步及系统管理板，包括同步模块、光电485通信模块、485隔离通信模块等；主要完成功能为485通讯、测量深度，温度等；姿态仪模块选用tcm xb姿态仪，通过485隔离模块进行通信；
51.第二层为电源板，电源模块为整个系统供电包括电压转换、电源控制等，包括为接收舱的电路提供电源；
52.第三层为发射信号处理板，包括发射控制板和发射机电路。发射控制板为arm+fpga板，负责数字信号处理和逻辑功能控制。发射机模拟板完成发射信号隔离、驱动和功率放大，经过变压器匹配后送给发射换能器进行能量转换；
53.发射机、发射控制电路和msp430同步及系统管理板均单独供电，实现电源隔离，两路发射机的发射电路电源完全独立隔离，能有效解决两路发射电路互相之间的高压干扰问题；发射控制板电源与发射机电路完全独立隔离，能有效解决发射电路高压电源对发射控制板的影响，姿态仪与其余电路电源隔离，以保证姿态数据的准确性、抗干扰性。
54.如图3所示，图为发射信号处理板结构图，隔离电路保证信号发射时的电磁干扰对发射控制板无影响。
55.接收舱中对每个水听器阵列的信号进行单独设计。
56.如图4所示，为接收舱每个水听器阵列对应的电路；第一层为电源板，为本电路的3层板供电，包括电压转换、电源控制等；
57.第二层为ad/da采集通信板+信号采集板，ad/da采集通信板包括16路ad信号转换、16路da增益控制以及以太通信模块；信号采集板为核心arm+fpga板，负责数字信号处理和逻辑功能控制；
58.第三层为接收机底板+16路接收机模块，16路接收机模块完成接收水听器输出的小信号；接收机底板为固定16路接收机模块，进一步处理接收机模块输出信号。
59.接收机、信号采集板、水听器阵列等主要电路电源隔离。
60.如图5所示，接收机和信号采集板采用数字隔离器进行信号隔离，能有效解决信号采集板的数字信号与接收机的模拟信号的互相干扰；信号采集板通过隔离rs485接口连接同步及系统管理模块，实现信号同步及监控功能，能有效解决总线干扰、通信异常等问题。
61.如图6所示，所有pcb设计都采用分区域隔离设计，包括覆铜地分区域隔离、不同的信号分区域设计。
62.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。