一种基于声波的数据透地传输方法
【技术领域】
[0001] 本发明应用背景为在煤矿等地下作业环境中，地面到地下的信息通信，
【发明内容】
涉及信息的调制解调以及数据的收发，其目的在于提高信息传输距离，提高接收系统接收 灵敏度，降低信息误码率，属于透地通信技术领域。
【背景技术】
[0002] 在很多地下作业环境，如煤矿、石油等领域，需要保证地面与地下通信系统的畅 通，以便地下工作人员了解地面情况或地上工作人员向地下发送预报信息，因此透地通信 要保证数据的有效性、准确性和实时性等要求。目前，典型的透地通信方法主要有利用电磁 波或弹性波作为信息载体，完成数据的收发。利用电磁波作为信息传输介质是比较通用且 成熟的技术，国内外也有相关的产品，如澳大利亚矿山技术公司开发的PED系统，该系统采 用天线磁感应近场低频电磁波技术，能实现信号穿透岩层进行无线通信。基于弹性波进行 透地通信的技术是利用机械振动将电能转换为机械能进而传递信息，在这方面虽然有一定 的研究，但还没涉及成熟的产品。
[0003] 利用天线磁感应低频电磁波方式进行数据透地传输，需要设计很大尺寸的天线， 如PED系统一般采用十几公里的巨型环形天线，以完成信号的有效覆盖。但是，由于天线巨 大，给设备的安装、运营以及维护等带来极大的不便，同时也使得成本增加。国内对利用弹 性波进行数据透地传输也做了一定研究，如山东科技大学相关研究人员对利用声波进行透 地通信做出了很多努力，也有相关的专利和研究论文等成果。但在信息的调制解调方式上 采用比较复杂的通信调制方式，如0FDM技术等，使得系统的软硬件都比较复杂。
[0004] 除了上述两种方式外，还有一种透地传输方式为地电极电流场方式。该通信方式 利用低频电场电流信号承载信息数据，通信系统发送端和接收端利用插入大地的两组电极 实现信号的收发。但该传输方式严重受制于大地的环境参数，电极与大地的接触阻抗严重 影响通信距离以及接收灵敏度。
【发明内容】
[0005] 为实现地上与地下的有效通信，本发明针对上述不足之处，提供了一种基于声波 的数据透地传输方法。该方法采用低频声波作为信息载体，从而增加数据透地传输距离，同 时采用脉宽调制解调技术完成对数据的低误码率发送和接收。为实现上述目的，本发明采 用以下技术方案： 一种基于声波的数据透地传输方法，包括数据发送端和数据接收端。数据发送端包含 六个部分：电源电路、正弦信号生成电路、脉宽调制电路、功率放大电路、微处理器电路和 声波发生器；数据接收端包含七个部分：电源电路、微弱信号差分放大电路、带通滤波器电 路、包络检波电路、信号比较器电路、微处理器电路和IXD显示电路。
[0006] 数据发送端，微处理器电路以MCU微控制器(如STM32F405)为控制核心，完成正弦 信号的生成、脉宽调制控制等功能。正弦信号发生器在微处理器的控制下产生连续的低频 正弦波（如100Hz)信号，待发送信息经过微处理器后，转换成二进制序列，微处理器的二进 制输出序列控制正弦波的连续性，实现信息的脉宽调制。经数字输出调制后的正弦信号经 过功率放大电路，声波发生器根据功率放大后的模拟信号发出对应频率的声波，耦合至大 地。
[0007] 数据接收端，声波传感器输出电压信号通过由仪表放大器构成的差分放大器，该 放大器可有效的抑制共模信号，将声波传感器输出的差模信号放大输出至带通滤波器。根 据放大器输出信号特点，包络检波器提取输出信号的包络，恢复原始信号模拟信号。恢复后 的模拟正弦信号通过电压比较电路输出微处理器可识别的PWM波，微处理器根据输入PWM 波的不同脉宽，结合软件滤波算法，获取不同的二进制信息，恢复发送端发送的数字信息， 完成脉宽调制信号解调。最后，微处理器将恢复后的信息准确显示在LCD液晶屏幕上，实现 人机交互。本发明操作简单，在发送方，发送设备上电后，操作人员在相应的上位机软件上 输入待发送的信息，该信息通过发送系统处理后便可完成信息的有效发送。在接收方，操作 人员只需打开接收设备就可通过LCD实时观察发送方发送的信息。
【附图说明】
[0008] 图1为本发明总体结构框图； 图2为本发明发送端结构框图； 图3为本发明脉宽调制电路示意图； 图4为本发明功率放大电路示意图； 图5为本发明接收端结构框图； 图6为本发明微弱信号差分放大电路示意图； 图7为本发明带通滤波器电路示意图； 图8为本发明脉宽解调电路示意图； 图9为本发明LCD显不电路不意图； 图10为本发明发送端工作流程示意图； 图11为本发明接收端工作流程示意图。
【具体实施方式】
[0009] 附图中，相同部分在不同的视图中采用相同的标号表示，并且所描述的各种元件 不必按照比例绘制，下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0010] 图1描述一种基于声波的数据透地传输方法系统结构，包含信息发送端和信息接 收端。在地面上，操作人员通过相应的上位机软件将待发送的信息发送至信息发送设备，该 设备对信息进行调制放大后，通过电缆输入到发声设备。为了使声波能更好地和大地耦合， 发声设备掩埋在大地之中。在地下，微音器嵌入在大地之中，接收来自地面的声波信号，当 发送方发送信息时，发声设备产生对应频率的声波信号，此时微音器感应此声波信号，并将 声波信号转换为电信号，通过电缆传送到矿井中的信息处理设备。信息处理设备根据声波 特性恢复原始信息并显示。
[0011] 图2是发送端总体结构框图，包括电源部分、正弦信号产生电路、脉宽调制电路、 功率放大电路以及微处理系统。设备输入电源为220V、50Hz交流电，经过整流滤波后转换 为直流电压，通过稳压1C稳压后，直接供给设备各个功能模块电路。其中，采用高电压、大 电流输出直流电压1C为功率放大器提供电源，5V稳压器(如TPS75901)将直流电压稳压至 5. 0V，供给正弦信号产生电路和脉宽调制电路，3. 3V稳压器(如TPS75933)将5. 0V电压降压 至3. 3V，供给微处理器电路。整个系统以微处理系统为核心，完成数据的调制和发送。
[0012] 微处理器系统主要由MCU(如STM32F405)构成的微处理器以及相应的外围电路构 成，外围电路包括复位电路、时钟电路以及操作按键电路等。首先，用户信息进入微处理器 系统，由微处理器控制正弦信号产生电路和脉宽调制电路，完成信息调制。最后，将已调制 信号进行功率放大，通过发声设备将电信号转换为声波信号。
[0013] 图3是脉宽调制电路，该调制电路包含正弦信号生成电路、时钟电路和模拟开关 电路。正弦信号发生器采用可编程频率合成器(如ADI公司的AD9850)，实现全数字编程控 制的频率合成。为了保证频率合成器产生预期的频率信号，在其外围加入时钟电路为频率 合成器提供时钟源，同时，微处理器通过数据总线与控制总线与频率合成器相连，实现相互 之间的通信。为了有效抑制高频信号成分对输出信号的影响，在频率合成器后接入2阶椭 圆低通滤波器。频率合成器输出的信号通过模拟开关，微处理器控制模拟开关的通断，从而 将连续的正弦信号变为断续的正弦信号，根据正弦信号出现时间的长短，实现二进制数字 的调制。
[0014] 图4是功率放大电路，根据具体传输距离要求，可选择不同功率放大1C，设计功放 电路达到最小的发射功率。经脉宽调制后的模拟信号通过音频接头连接至功率放大1C的 输入端，由功率放大1C及相应的外围电路进行放大。为了抑制因信号功率放大时引入的高 频谐波成分，在输出端加入与发声设备阻抗相匹配的LC低通滤波器，并通过BNC接头将输 出信号传送到发声设备。发声设备根据输出信号频