投弃式声速仪(XSV)测量电路的设计与开发

论文摘要

海水声速是其他海洋仪器测量的基础,因此获得精准的海水声速是海洋探测的核心。海水声速测量有多类产品,但投弃式声速产品具有成本低廉、测试方便、实时获取的优势,因此该产品被广泛应用于科学研究、海洋勘察、海洋军事等领域。目前国外投弃式声速仪发展比较成熟,但国内该产品还处于空白状态,因此研制国产投弃式声速仪是非常必要的。投弃式声速仪(XSV)主要包括:水下由单片机STM32L4和CPLD联合控制的声速测量系统、漆包线、水上由单片机STM32F4控制的数据接收系统。水下声速测量系统采用脉冲环鸣法测量海水声速,在硬件电路方面,采用模块化设计,设计了信号发射驱动电路、信号选频放大电路、信号放大电路、包络检波电路、阈值比较电路,压力测量电路、水下驱动电路、数据存储电路;在系统控制方面,由CPLD完成声速激励信号发射、时序控制、待测频率个数计数、数据传输、等精度测频算法编写;单片机STM32L4完成声速测量开关控制,SPI方式读取声速数据,采集压力(深度)数据,存储拟合系数,编写了2DPSK调制算法,将数据转成2DPSK信号经水下驱动电路传输到漆包线。漆包线作为信号传输介质,在信号传输过程中,漆包线等效为多个低通滤波器串联,对2DPSK信号进行滤波处理。在水上数据接收系统中,设计了水上接收电路,并采用单片机STM32F4完成信号采集,编写了2DPSK解调算法,实现了2DPSK信号的解调;设计了串口通信电路,实时输出采集到的声速和深度数据,绘制出海洋声速分布剖面图。最后,对投弃式声速仪进行了硬件调试和产品测试,进行了大量的实验和测试工作。对测量的海水声速数据做多项式拟合处理,并进行了数据误差分析,得到了投弃式声速仪的声速测量精度。本设计满足项目指标要求,验证了方案的正确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 课题背景及研究的目的和意义
•   1.2 国内外研究现状及发展动态分析
•   1.3 本文主要研究内容和结构安排
•     1.3.1 论文主要研究内容
•     1.3.2 论文结构安排
• 第2章 XSV基本原理和总体方案设计
•   2.1 XSV声速测量基本原理
•   2.2 声速信号传播时间测量方法
•     2.2.1 阈值法
•     2.2.2 互相关法
•     2.2.3 脉冲环鸣法
•     2.2.4 三种测量方法比较
•   2.3 XSV总体设计方案
•     2.3.1 XSV性能指标
•     2.3.2 XSV系统结构框图
•   2.4 本章小结
• 第3章 XSV系统硬件电路设计
•   3.1 XSV系统电路结构框图
•   3.2 核心控制和MCU采集电路
•     3.2.1 单片机（MCU）和CPLD电路
•     3.2.2 压力测量电路
•     3.2.3 水下驱动电路
•   3.3 声速采集电路
•     3.3.1 与门控制模块
•     3.3.2 信号发射驱动模块
•     3.3.3 选频放大模块
•     3.3.4 信号放大模块
•     3.3.5 包络检波模块
•     3.3.6 阈值比较模块
•   3.4 水下电源电路
•   3.5 水上单片机（MCU）电路
•   3.6 水上信号接收电路
•   3.7 水上电源电路
•   3.8 PCB板布局设计
•   3.9 本章小结
• 第4章 XSV系统数字电路设计与软件开发
•   4.1 XSV系统控制整体流程
•     4.1.1 水下声速采集系统运行流程
•     4.1.2 水上数据接收系统运行流程
•   4.2 CPLD控制系统设计
•     4.2.1 “环鸣”时序控制单元
•     4.2.2 频率计数传输单元
•   4.3 单片机系统软件设计
•     4.3.1 SPI数据传输
•     4.3.2 IIC数据存储
•     4.3.3 2DPSK信号解调算法
•   4.4 本章小结
• 第5章 XSV系统测试和数据处理分析
•   5.1 硬件调试
•   5.2 声速实际测量和数据分析
•   5.3 本章总结
• 第6章 总结与展望
•   6.1 总结
•   6.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间参加的科研工作
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 孙光祖

导师: 范寒柏,赵建锐

关键词: 声速测量,等精度测频算法,漆包线,解调

来源: 华北电力大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 海洋学

单位: 华北电力大学

分类号: P716

总页数: 68

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