基于PIC16C74的深海声纳式高度计设计

　　1引言

　　深海探测设备、取样设备在深海领域水下作业的过程中, 需要实时探知设备距海底的高度, 以确保设备安全着地或保持在某一固定距底高度。深海声纳式高度计是传感设备距底高度的最有效工具。

　　国外的深海声纳式高度计已产品化并趋成熟, 生产高度计的主要厂商有tritech、subsea、kongsberg等公司, 上述厂商的相关产品在我国大洋航次的深海探测设备中有较好应用。国内仅有国家海洋技术中心以及中科院声学所等机构正在进行相关的基础研究工作, 但未见详尽技术文献或报道。

　　深海声纳式高度计的基本原理是利用单波束声纳回波信号的发射与接收时间间隔进行实时测距。声纳换能器部分利用传统的压电水声换能器, 对能量进行声电、电声转换; 而信号处理部分需要负责电信号的产生、接收、判断、计算处理、通讯等功能。随着数字集成电路与单片机技术的发展, 以数字化、模块化方式设计声纳信号处理电路成为可能。PIC16C74单片机强大的数字信号处理功能完全符合作为该系统主芯片的设计要求, 以PIC单片机技术、DDS技术等为核心设计声纳电路系统, 是本文提出的主要创新思路。

　　2声纳测距原理

　　若目标海底与换能器的距离为R, 声脉冲从换能器处发射的时间为t1, 经目标反射返回到换能器的时间为t2, 在已知水下声速c的情况下, 换能器距目标的距离R可由下式求得:

　　水下声速c是水深的函数, 其经验公式为

　　式中, c=声速(m/s)、T=温度(℃)、S=盐度(千分比:ppt)、Z=深度(m)。

　　由式2可知, 深度Z的变化对声速的影响反映到距离上的误差并不大, 故可取c=1500m/s 作为设计深海领域声纳高度计的固定参数。

　　3声纳式高度计系统结构

　　声纳式高度计系统主要由水声换能器、信号处理电路两部分组成。主要系统结构如图1所示。本文主要讨论高度计的电子系统即信号处理电路。

　　在信号发射周期, 由微处理器产生的频率控制信号经频率可控振荡器件产生数字波形, 再经D/A转换形成正弦波驱动压电换能膜片起振, 形成声信号进入媒质(海水); 在接收周期, 回波信号经滤波、放大、峰值检测后由微处理器完成采样保持、AD转换和数字处理存储。而后经通讯电路与上位机系统进行数据通信。

　　4硬件电路设计

　　声纳式高度计的声纳信号处理电路主要由信号发射驱动电路、信号接收处理电路、微处理器模块以及串口通信模块构成。换能器采用中船重工715所提供的压电陶瓷元件, 外形呈薄圆片、两面镀银, 实测中心频率为45.142～46.174KHz。