本发明涉及一种便携式水下航行器多功能无线通信装置，属于水下机器人控制领域。
背景技术：
多功能无线通信装置能确定水下航行器的位置以及实现航行器与遥控装置(位于岸上或母船)的通信，在被用于海洋探测与海底观测的水下航行器上显得尤为重要。
参照附图1所示，水下航行器多功能无线通信装置包括：STM32微处理器、GPS定位模块、铱星通信模块、无线数传电台、闪频灯模块。其中，微处理器实现控制各个模块的工作，数据采集与发送，以及与航行器自动驾驶仪(控制管理中心)通过CAN总线进行信息交换；GPS定位模块用于水下航行器的定位，它与微处理器之间采用RS232进行通信；铱星通信模块用于水下航行器与遥控装置间远距离的数据和指令传输，它与微处理器间采用RS232进行通信；无线数传电台用于水下航行器与遥控装置间近距离的数据和指令传输，它与微处理器间采用RS232进行通信；闪频灯模块与GPS定位天线位于航行器壳体外部天线柱中，用于夜间航行器的位置指示，它通过微处理器的I/O口控制。
一般水下航行器的定位与通信模块直接连接在以PC/104为处理器的控制系统自动驾驶仪上，这样的设计可供定位与通信模块连接的资源非常有限，难以胜任携带较多外围模块，以及存储和处理较多信息的任务。其次，也是更加重要的一点，水下航行器自主导航定位系统的定位误差通常随航程的增大而增大，当水下航行器经过长时间的水下作业，浮出水面时，需要利用GPS等卫星定位模块确定自身的精确位置，并通过依星等无线通信模块将此时航行器的位置告诉给遥控装置，以便操作人员下达下一步航行器控制指令。故航行器对卫星定位与无线通信这部分的可靠性要求很高，而且由于航行器的能源有限，希望这部分的功耗尽可能低。
技术实现要素：
为实现上述目的，针对新一代便携式水下观测系统的功能需求，本发明将卫星定位与无线通信功能单独作为一个装置，提出了一种水下航行器多功能无线通信装置，微处理器选用ARM STM32，不仅可以搭载更多外围设备，而且可以减小多功能无线通信装置的体积，降低整个装置的功耗，提高系统的工作稳定性，增加水下航行器的续航能力。
本发明的技术方案为：
所述一种水下航行器多功能无线通信装置，其特征在于：包括CPU单元、卫星定位模块、铱星通信模块、无线数传电台、闪频灯模块、CAN总线接口；
卫星定位模块用于水下航行器的定位；铱星通信模块用于水下航行器与遥控装置间远距离的数据和指令传输；无线数传电台用于水下航行器与遥控装置间近距离的数据和指令传输；CAN总线接口用于将CPU单元解算得到的指令发送给水下航行器后段控制器；所述CPU单元包括ARM11核的STM32F407ZET6微处理器和与STM32F407ZET微处理器连接的外围电路，所述外围电路包括flash存储器电路、晶振电路、复位电路、供电电路、电压转换电路、串口电路、CAN总线接口电路。
进一步的优选方案，所述一种水下航行器多功能无线通信装置，其特征在于：所述flash存储电路采用W25Q128型NOR flash，引脚CS、SO、CLK、SI分别接STM32F407ZET6微处理器的F_CS、SPI1MISO、SPI1SCK、SPI1MOSI引脚，引脚WP#、HOLD均接入直流电源3.3V，引脚GND接入直流电源地，引脚VCC通过串联一个104电容接直流电源地。
进一步的优选方案，所述一种水下航行器多功能无线通信装置，其特征在于：所述晶振电路由32.768KHz和8MHz两种频率的晶振电路组成；其中32.768KHz型晶振电路用于STM32F407ZET6微处理器的实时时钟模块中，8MHz型晶振电路作为STM32F407ZET6微处理器的主晶振；其中32.768KHz型晶振的XYIrtc和XT0rtc引脚分别接入STM32F407ZET6微处理器的PC14OSC32_IN和PC15OSC32_OUT；8MHz型晶振的XTIP11和XT0P11引脚分别接入STM32F407ZET6微处理器的PH1-OSC_OUT和PH0-OSC_IN。
进一步的优选方案，所述一种水下航行器多功能无线通信装置，其特征在于：所述复位电路采用复位芯片MAX811实现CPU的低电平复位；复位芯片的电源引脚4接3.3V直流电源，并通过电容接3.3V直流电源地，复位芯片的引脚3通过按钮开关接3.3V直流电源地，复位芯片的引脚1接3.3V直流电源地，复位芯片的引脚2通过电阻接STM32F407ZET6微处理器的NRST引脚。
进一步的优选方案，所述一种水下航行器多功能无线通信装置，其特征在于：所述串口电路采用MAX232芯片实现；MAX232芯片的T1IN、R1OUT引脚分别接STM32F407ZET6微处理器的串口输出引脚USART RX、USART TX，MAX232芯片的引脚T1OUT、R1IN分别接入外部接口实现串口通信。
进一步的优选方案，所述一种水下航行器多功能无线通信装置，其特征在于：所述CAN总线接口电路由TJA1050芯片实现CAN协议控制，完成CAN通信；TJA1050芯片引脚D、R分别接STM32F407ZET6微处理器的CAN通信接口CAN TX、CANRX，TJA1050芯片引脚CANH、CANL通过并联一个外部电阻接入外部的CAN通信设备。
有益效果
本发明采用高度集成的STM32F407ZET6型微处理器CPU控制单元，通过定制相应的外围器件构成水下航行器多功能无线通信装置，该装置与一般的PC/104型CPU为核心的嵌入式控制模块相比，减小了装置体积和重量，极大地降低了功耗，提高了水下航行器的工作可靠性和续航能力。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
附图1是水下航行器多功能无线通信装置的组成框图。
附图2是本发明的CPU单元组成框图。
附图3是STM32F407ZET6型CPU引脚图第一部分。
附图4是STM32F407ZET6型CPU引脚图第二部分。
附图5是STM32F407ZET6型CPU引脚图第三部分。
附图6是flash电路图。
附图7是复位电路图。
附图8是晶振电路图。
附图9是供电电路电路图。
附图10是串口电路图。
附图11是CAN总线电路图。
附图12是BOOT电路图。
附图13是JTAG电路图。
附图14是GPS模块电路图。
附图15是无线数传电台模块电路图。
附图16是铱星通信模块电路图。
附图17是闪频灯模块电路图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
参照附图1，附图1给出了本实例水下航行器多功能无线通信装置的组成框图，包括：STM32微处理器、GPS定位模块、铱星通信模块、无线数传电台、闪频灯模块、电源控制电路。其中，微处理器实现控制各个模块的工作，数据采集与发送，以及与航行器自动驾驶仪(控制管理中心)通过CAN总线进行信息交换；GPS定位模块用于水下航行器的定位，它与微处理器之间采用RS232进行通信；铱星通信模块用于水下航行器与遥控装置间远距离的数据和指令传输，它与微处理器间采用RS232进行通信；无线数传电台用于水下航行器与遥控装置间近距离的数据和指令传输，它与微处理器间采用RS232进行通信；闪频灯模块与GPS定位天线位于航行器壳体外部天线柱中，用于夜间航行器的位置指示，它通过微处理器的I/O口控制。
控制单元包括CPU单元，串口和CAN总线接口；串口用于CUP单元与各个外围模块的通信以及与外部计算机之间的通信；CAN总线接口用于控制器将解算得到的各种指令发送给后段的其它控制器。
附图2是本实例中CPU单元的组成框图，CPU单元包括以ARM11核的STM32F407ZET6微处理器和与STM32F407ZET6微处理器连接的外围电路，外围电路包括128MB flash存储器电路、晶振电路、复位电路、供电电路、电压转换电路、4路串口电路、CAN总线接口电路。
STM32F407ZET6微型处理器的主频最高可达280MHz，共144引脚，其引脚资源如附图3～5所示。为保证CUP正常工作，其Vcap_1、Vcap_2引脚分别接一个225的电容后接直流电源3.3V，其VDDA引脚通过上拉电阻接入直流电源地、VSSA通过与VDDA引脚并联两个104电阻接入直流电源地、PDR_ON接入直流电源3.3V。如图5所示。此外，CUP底部9路VDD引脚依次与底部VSS引脚通过一个104电阻串联在一起，如图5所示。
附图6是flash存储电路。flash存储电路采用W25Q128型NOR flash，该片大小为128MB。其引脚CS、SO、CLK、SI分别接STM32F407ZET6微处理器F_CS、SPI1MISO、SPI1SCK、SPI1MOSI引脚，其引脚WP#、HOLD均直接接入直流电源3.3V，其引脚GND接入直流电源地，其引脚VCC通过串联一个104电阻接入直流电源地。
附图7和附图8是复位、晶振电路。复位电路采用专业的复位芯片MAX811实现CPUC所需要的低电平复位。该芯片的电源引脚4接直流电源3.3V，并通过一个1uf的电容接3.3V直流电源地，以提高电源滤波性能，其引脚3通过一个按钮开关接3.3V直流电源地，其引脚1接3.3V直流电源地，其引脚2通过一个470Ω的电阻连接STM32F407ZET6微处理器的NRST引脚。晶振电路由两种频率的晶振电路组成。32.768KHz型晶振电路用在STM32F407ZET6微处理器的实时时钟(rtc)模块中，8MHz型晶振电路为STM32F407ZET6微处理器的主晶振。其中32.768KHz型晶振的XYIrtc和XT0rtc引脚分别接入STM32F407ZET6微处理器的PC14OSC32_IN和PC15OSC32_OUT；8MHz型晶振的XTIP11和XT0P11引脚分别接入STM32F407ZET6微处理器的PH1-OSC_OUT和PH0-OSC_IN。
附图9是供电电路。供电电路由12V转5V以及5V转3.3两部分电路组成，其中12V转5V采用MP2359芯片将外接的12V直流电源转换为5V直流电源(参见图9b)；5V转3.3V电路采用AMS1117芯片将5V直流电压转化为3.3V直流电压(参见图9a)。
附图10是串口电路。串口电路采用MAX232芯片实现核心板上TTL电平的转换，4路串口的输出采用同样的电路，其芯片的T1IN、R1OUT引脚分别接STM32F407ZET6微处理器的串口输出引脚USART RX、USART TX，其引脚T1OUT、R1IN分别接入外部DB9的接口实现串口通信，其C1+与C1-通过一个104电容串联在一起，C2+和C2-与C1+与C1-相同(参见图10)，其VCC引脚接3.3V直流电源，并通过一个104电容接到GND引脚，其GND引脚接直流电源地(参加图10)其VDD引脚与VEE引脚通过两个104电容串联，并接入直流电源地(参加图10)。
附图11是CAN总线电路。CAN总线电路采用TJA1050芯片实现CAN协议的控制与物理总线直接的接口。其D、R引脚分别接入STM32F407ZET6微处理器的CANTX和CANRX引脚，其VCC引脚接入直流电源5V，并通过一个104电容与其GND引脚串联，其GND、RS引脚接入直流电源地(参照图11)，其CANH、CANL引脚接入外部设备(参见图11)。
附图12附图13是STM32F407ZET6微处理器的程序烧录电路BOOT电路和JTAG电路。BOOT电路芯片1、2引脚接直流电源3.3V，5、6引脚接直流电源地，3、4引脚分别连接一个1K的电阻接入STM32F407ZET6微处理器的BOOT0和BOOT1引脚(参见图12)。JTAG电路所用芯片TRST、TDI、TMS/SWDIO、TCK/SWCLK、TDO/SWO、RESET引脚分别接入STM32F407ZET6微处理器的JTRST、JTDI、JTMS、JTCK、JTDO、NRST引脚并再通过一个上拉10K的电阻接入直流电源3.3V(参加图13)，其TCK/SWCLK通过下拉10K的电阻接入直流电源地，其VDD引脚接入直流电源3.3V，其剩余GND引脚接入直流电源地。
附图14是GPS模块。其外部接线VCC和GND分别接入直流电源3.3V和直流电源地。其TXD和RXD引脚接入串口3的输出U3T1OUT和U3RIN(参见图14)。
附图15是无线电台模块。其VCC引脚和GND、AFIN引脚分别接入直流电源12V和直流电源地，其TTL RXD、TTLTXD、SQ引脚分别接入STM32F407ZET6微处理器的PC10、PC9、PC8引脚，其RS-232TXD、RS232RXD引脚分别接入串口1电路的输出U1T1OUT、U1RIN引脚(参见图15)。
附图16是铱星模块。其两个EXT_PWR引脚接直流电源5V，其两个EXT_GND、SIG_GND接直流电源地，其DF_DCD、DF_DSR、DF_CTS、DF_RI、DF_RTS、DF_DTR、NETWORK AVAILABLE、SUPPLY_OUT引脚分别接入STM32F407ZET6微处理器的PC0～PC7，其DF_S_TX、DF_S_RX分别接入串口2输出电路的U2T1OUT、U2R1IN引脚(参照图16)。
附图17是闪频灯模块。其引脚VCC与GND分别接直流电源12V和直流电源地，其I/O口接STM32F407ZET6微处理器的PC11进行闪频灯的通断控制(参见图17)。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。