一種水下聲納發射機的製作方法
2023-07-10 06:42:21
專利名稱：一種水下聲納發射機的製作方法
技術領域：
本發明涉及水聲工程領域，特別涉及一種水下聲納發射機。
背景技術：
在海洋聲學探測及水聲通信領域中，發射機系統是不可或缺的。傳統的水下發 射機大多存在功能較簡單和可靠性差這兩個缺點水下發射機受體積限制，功能較 單一，需外部信號源，且缺乏充足的保護措施，使用有著諸多不便。傳統的功率放 大器的控制中心大多採用簡單的邏輯電路或者由微控制器(MCU)或數位訊號處理 器(DSP)等通用處理器組成。前者的缺點是功能簡單，無法實現完善的系統監控而 導致整機可靠性差；後者的缺點是通用處理器以運行程序的方式工作，在發射機內 的惡劣電磁環境下很難避免死機或程序跑飛的現象。大功率、高電壓的工作方式和 惡劣的電磁環境使得發射機的功率器件容易損壞，監控系統失靈，這使得發射機往 往成為整個聲納系統中最薄弱的環節。
發明內容
為了克服上述現有技術的不足，本發明提供了一種水下聲納發射機，本發明具 有任意波形產生，同步信號產生，上位機通信，設置存儲等功能，通過強大的控制 中心實現了發射機的豐富功能。利用完善的溫度、電流、電壓監控裝置、可編程的 監控策略管理以及自動功率控制功能實現了發射機工作狀態的全面監控和智能管 理，從而克服了傳統發射機功能單一的缺點。同時，本發明的控制中心以高可靠性 的快閃記憶體結構的現場可編程門陣列(FPGA)為核心，大大增強了控制中心的可靠性， 使得對功率器件的監控變得可靠。這樣在過流，超溫等狀態下，控制中心能夠及時 做出響應，因而使得發射機的可靠性大大增加，解決了傳統發射機可靠性差的缺點。
為了達到上述目的，本發明提供的一種水下聲納發射機，包括
一控制中心，用於產生待發射的信號，並將該信號送入隔離器；
一隔離器，用於將待發射的信號隔離後送入H橋驅動器；
一H橋驅動器，用於產生功率管的柵極驅動信號，並將該驅動信號送入功率場 效應管；
一功率場效應管，用於產生變壓器初級所需的大電流信號，並將其送入變壓器；一變壓器，用於將初級的低壓大電流信號轉換為高壓信號，並將該高壓信號送 入匹配網絡；
一匹配網絡，用於將高壓信號輸出給外部換能器轉換為聲能量； 所述控制中心以邏輯電路的形式集成於現場可編程門陣列中，控制中心所實現 功能是產生待發射的信號，將信號進行脈寬調製後送入功率管驅動器，以及完善的 溫度、電流監控以及上位機通信、監控策略管理等。所述控制中心包括 一信號產生器，用於產生待發射的信號。
一系統監測器，用於對系統的電流、溫度進行監控，並將監控電流及溫度的信 息送入主控核心。
一主控核心，用於根據電流及溫度的信息對系統進行監視與控制，並完成上位 機對系統制定的監控策略。
FPGA的本質為綜合後的邏輯電路，而非運行程序，因此可靠性遠高於通用處理 器。為避免電源穩定性差導致的FPGA內容丟失，本方案採用了 FLASH結構的 FPGA。
本發明提供的另一種水下發射機，其中，所述信號產生器包括 一同步器，用於產生或接受同步信號。同步器的功能是產生或接受同步信號， 這取決於其工作模式。當發射機工作於主模式時，同步器產生同步信號，用於控制 信號的產生與發射，同時將該信號輸出；當發射機工作於從模式時，同步器可接受 外部的同步信號。這樣就實現了發射機的級聯，即多個發射機可級聯在一起推動獨 立的換能器產生頻率、相位一致的聲信號。
一掃頻發生器，用於受同步器的同步觸發作用，產生可變的頻率控制字。 一波形產生器，用於根據頻率控制字，產生單頻或掃頻的數字任意波形。 一脈寬調製器，用於將數字任意波形調製為脈寬調製信號輸出。 本發明提供的另一種水下發射機，其中，所述波形產生器包括 一波形儲存器，用於存入用戶下載的任意波形，受頻率控制字的控制。 一相位累加器，用於將波形存儲器的內容按所需頻率尋址讀出。 本發明提供的另一種水下發射機，其中，所述脈寬調製器採用全數字的方法產 生移相脈寬調製信號，即接受內部產生的數字波形信號，使脈寬調製器的輸出為中 心頻率均為150KHz但互為反相且移相90度的兩個信號分別驅動左右兩個橋臂，在
變壓器端兩信號即可合成為300KHz的開關信號。採用移相式脈寬調製器的原因是 可降低功率場效應管的工作頻率。
本發明提供的另一種水下發射機，其中，所述系統監測器包括一電流取樣器，與功率場效應管相連，由取樣電阻和比較器組成，其輸出為過 流的開關信號，該信號為開關量，在發生過流事件時有效，並通過光電耦合器進入 現場可編程門陣列的主控中心。
一溫度傳感器，用於監測測溫點溫度的變化。
一斜率式模數轉換器(ADC)，由比較器和斜率計數器組成，用於將溫度傳感器 輸出的模擬量轉換為數字量，並輸入到現場可編程門陣列的主控中心。沒有使用專 用ADC的原因是溫度信息為緩變量且沒有很高的精度要求，且斜率式ADC具有較 強的抗幹擾性。該部分將環境信息送入了FPGA內的主控核心，以實現系統控制。
本發明提供的另一種水下發射機，其中，所述主控核心通過上位機設置寄存器 表的方法對發射機進行監視與控制。
本發明提供的另一種水下發射機，其中，所述寄存器包括掃頻起始頻率寄存 器、掃頻寬度寄存器、同步方式控制寄存器、輸出功率控制寄存器、系統監控策略 寄存器。
本發明提供的另一種水下發射機，其中，所述主控核心通過査表以及數字濾波 的方法，將系統監測器傳來的傳感器數據變換為具體的溫度值和電流值。
本發明提供的另一種水下發射機，其中，所述主控核心完成上位機在寄存器表 中制定的監控策略，包括每個傳感器的多個門限值以及到達門限值後的動作，主控 核心將在滿足某種條件後執行動作，如溫度超過某個門限後降低發射功率等。
本發明的優點在於
1、 本發明提供的水下聲納發射機具有任意波形產生，同步信號產生，上位機通 信，設置存儲等功能，通過強大的控制中心實現了發射機的豐富功能。
2、 本發明提供的水下聲納發射機利用完善的溫度、電流、電壓監控裝置、可編 程的監控策略管理以及自動功率控制功能實現了發射機工作狀態的全面監控和智能 管理，從而克服了傳統發射機功能單一的缺點。
3、 本發明提供的水下聲納發射機的控制中心以高可靠性的Flash結構的FPGA 為核心，大大增強了控制中心的可靠性，使得對功率器件的監控變得可靠。這樣在 過流，超溫等狀態下，控制中心能夠及時做出響應，因而使得發射機的可靠性大大 增加，解決了傳統發射機可靠性差的缺點，同時具有體積小的優點。
圖1是現有技術水下聲納發射機的結構圖；圖2是本發明實施例水下聲納發射機的控制中心結構圖； 圖3是本發明實施例水下聲納發射機的工程樣機結構圖。 附圖標識
l發射機主板 2變壓器和阻抗匹配電路板 3電源系統 4鋁製機架
具體實施例方式
下面結合一個具體的實施例及附圖對本發明進行詳細說明。 本實施例的水下聲納發射機由控制中心、功率管及驅動器、變壓器、阻抗匹配 網絡等組成。如圖1所示。其中，控制中心產生待發射的信號送入隔離器，再送入H 橋驅動器產生功率管的驅動信號驅動功率場效應管。後者將能量送入變壓器，轉換 為高壓，經匹配網絡輸出給外部的換能器轉換為聲能量。整個過程由控制中心以及 電流取樣器、溫度傳感器進行監控並負責和上位機的通信。
本發明的獨創性在於其強大可靠的控制中心。圖2為控制中心的邏輯結構框圖。 控制中心由同步器、掃描發生器、波形產生器、PWM調製器、主控核心、異步串口 通信器、數據ROM、斜率計數器以及比較器組成。控制中心所實現功能是產生待發 射的信號，將信號進行PWM調製後送入功率管驅動器，以及完善的溫度、電流監 控以及上位機通信、監控策略管理等。
1、 控制中心的組成
傳統的功率放大器的控制中心大多採用簡單的邏輯電路或者由微控制器(MCU) 或數位訊號處理器(DSP)等通用處理器組成。前者的缺點是功能簡單，無法實現完 善的系統監控而導致整機可靠性差；後者的缺點是通用處理器以運行程序的方式工 作，在發射機內的惡劣電磁環境下很難避免死機或程序跑飛的現象。在本發明中， 除比較器以外整個控制中心均以邏輯電路的形式集成於現場可編程門陣列(FPGA) 中。FPGA的本質為綜合後的邏輯電路，而非運行程序，因此可靠性遠高於GPP。 為避免電源穩定性差導致的FPGA內容丟失，本方案採用了 FLASH結構的FPGA。
2、 信號產生器部分
信號產生部分由同步器、掃頻發生器、波形產生器以及PWM調製器組成。同 步器的功能是產生或接受同步信號，這取決於其工作模式。當發射機工作於主模式 時，同步器產生同步信號，用於控制信號的產生與發射，同時將該信號輸出；當發 射機工作於從模式時，同步器可接受外部的同步信號。這樣就實現了發射機的級聯， 即多個發射機可級聯在一起推動獨立的換能器產生頻率、相位一致的聲信號。
掃頻發生器和波形產生器的作用是產生可編程的掃頻 意波形。掃頻發生器受同步器的同步觸發作用，產生可變的頻率控制字。波形產生器由波形存儲器和相位 累加器組成，其中波形存儲器可以存入用戶下載的任意波形，受頻率控制字的控制， 波形產生器可產生單頻或掃頻的數字任意波形。
PWM調製器負責將波形產生器產生的數字任意波形調製為PWM信號輸出。本 方案採用全數字的方法產生移相PWM信號，即接受內部產生的數字波形信號，使 PWM調製器的輸出為中心頻率均為150KHz但互為反相且移相90度的兩個信號分 別驅動左右兩個橋臂，在變壓器端兩信號即可合成為300KHz的開關信號。
3、 系統監測部分
系統監測部分由電流取樣器、溫度傳感器、斜率計數器以及比較器組成。電流 取樣器由取樣電阻和比較器組成，其輸出為過流的開關信號，該信號將在發生過流 事件時有效，為開關量，通過光電耦合器進入FPGA，溫度傳感器為負溫度係數熱敏 電阻(NTC)，測溫點溫度的變化將導致其阻值的變化，其輸出為模擬量，不能直接 送入FPGA，因此進入由比較器和斜率計數器組成的斜率式ADC，從而轉換為數字 量。沒有使用專用ADC的原因是溫度信息為緩變量且沒有很高的精度要求，且斜率 式ADC具有較強的抗幹擾性。該部分將環境信息送入了FPGA內的主控核心，以實 現系統控制。
4、 主控核心部分
主控核心部分由主控核心、異步串口通信器以及數據ROM實現。其中，主控核
心實現了以下功能
(1) 寄存器表上位機可以通過設置寄存器表的方法對發射機進行監視和控制， 這些寄存器包括掃頻起始頻率寄存器、掃頻寬度寄存器、同步方式控制寄存器、輸 出功率控制寄存器、系統監控策略寄存器等。
(2) 傳感器數據的獲取系統檢測部分傳來的傳感器數據具有一定的非線性以 及幹擾，在這裡通過查表以及數字濾波的方法變換為具體的溫度值和電流值。
(3) 策略監控由上位機在寄存器表中制定監控策略，包括每個傳感器的多個 門限值以及達到門限後的動作，主控核心將在滿足某種條件後執行動作，如溫度超 過某個門限後降低發射功率等。
異步串口通信器為控制中心和上位機的接口，上位機可以通過該接口訪問寄存 器表以對發射機進行設置並獲得發射機的工作狀態。上位機還可通過該接口設置任 意波形發生器的波形表，以產生所需波形。上位機也可通知發射機將所有設置保存， 這是通過FPGA內的數據ROM實現的。發射機將在上電時將數據ROM的內容讀出 對整機進行配置。由以上說明可知，本發明具有任意波形產生，同步信號產生，上位機通信，設 置存儲等功能，通過強大的控制中心實現了發射機的豐富功能。利用完善的溫度、 電流、電壓監控裝置、可編程的監控策略管理以及自動功率控制功能實現了發射機 工作狀態的全面監控和智能管理，從而克服了傳統發射機功能單一的缺點。同時， 本發明的控制中心以高可靠性的Flash結構的FPGA為核心，大大增強了控制中心的 可靠性，使得對功率器件的監控變得可靠。這樣在過流，超溫等狀態下，控制中心 能夠及時做出響應，因而使得發射機的可靠性大大增加，解決了傳統發射機可靠性 差的缺點。
按照本發明所實施的工程樣機採用了緊湊的布局，如圖3所示。其中l為發射 機主板，2為變壓器和阻抗匹配電路板，3為電源系統，4為鋁製機架。整個樣機放 置在直徑為200mm的不鏽鋼罐體中。利用將所有功率器件貼裝在鋁製機架上，再將 鋁製機架緊貼在外殼上實現了散熱。經測試表明，採用72V供電，工作在15 25KHz 的寬頻帶時，發射機具有1.52KVpp的峰值輸出電壓以及1.03KW的輸出有功功率。 配合寬帶發射換能器，本發明達到了 211.2dB的輸出聲源級。
本發明在使用時，只需使用計算機進行一次配置並保存即可在水下長期使用， 無須外部信號源以及監控設備，簡化了聲納系統的組成結構，實現了很好的獨立性 和易用性。該樣機從製成今2年多時間，歷經多次湖試和海試， 一直工作正常，說 明了本發明具有較高的可靠性。
權利要求
1、一種水下聲納發射機，包括一控制中心，用於產生待發射的信號，並將該信號送入隔離器；一隔離器，用於將待發射的信號隔離後送入H橋驅動器；一H橋驅動器，用於產生功率管的柵極驅動信號，並將該驅動信號送入功率場效應管；一功率場效應管，用於產生變壓器初級所需的大電流信號，並將其送入變壓器；一變壓器，用於將初級的低壓大電流信號轉換為高壓信號，並將該高壓信號送入匹配網絡；一匹配網絡，用於將高壓信號輸出給外部換能器轉換為聲能量；其特徵在於，所述控制中心以邏輯電路的形式集成於現場可編程門陣列中，包括一信號產生器，用於產生待發射的信號；一系統監測器，用於對系統的電流、溫度進行監控，並將監控電流及溫度的信息送入主控核心；和一主控核心，用於根據電流及溫度的信息對系統進行監視與控制，並完成上位機對系統制定的監控策略。
2、 根據權利要求1所述的水下聲納發射機，其特徵在於，所述信號產生器包括 一同步器，用於產生或接受同步信號；一掃頻發生器，用於受同步器的同步觸發作用，產生可變的頻率控制字； 一波形產生器，用於根據頻率控制字，產生單頻或掃頻的數字任意波形；和 一脈寬調製器，用於將數字任意波形調製為脈寬調製信號輸出。
3、 根據權利要求2所述的水下聲納發射機，其特徵在於，所述波形產生器包括 一波形儲存器，用於存入用戶下載的任意波形，受頻率控制字的控制；和 一相位累加器，用於將波形存儲器的內容按所需頻率尋址讀出。
4、 根據權利要求2所述的水下聲納發射機，其特徵在於，所述脈寬調製器採用 全數字的方法產生移相脈寬調製信號。
5、 根據權利要求1所述的水下聲納發射機，其特徵在於，所述系統監測器包括 一電流取樣器，與功率場效應管相連，由取樣電阻和比較器組成，其輸出為過流的開關信號，該信號為開關量，在發生過流事件時有效，並通過光電耦合器進入 現場可編程門陣列的主控中心；一溫度傳感器，用於監測測溫點溫度的變化；和一模數轉換器，用於將溫度傳感器輸出的模擬量轉換為數字量，並輸入到現場 可編程門陣列的主控中心。
6、 根據權利要求1所述的水下聲納發射機，其特徵在於，所述主控核心通過上 位機設置寄存器表的方法對發射機進行監視與控制。
7、 根據權利要求6所述的水下聲納發射機，其特徵在於，所述寄存器包括掃 頻起始頻率寄存器、掃頻寬度寄存器、同步方式控制寄存器、輸出功率控制寄存器、 系統監控策略寄存器。
8、 根據權利要求1所述的水下聲納發射機，其特徵在於，所述主控核心通過査 表以及數字濾波的方法，將系統監測器傳來的傳感器數據變換為具體的溫度值和電 流值。
9、 根據權利要求1所述的水下聲納發射機，其特徵在於，所述主控核心完成上 位機在寄存器表中制定的監控策略，包括每個傳感器的多個門限值以及到達門限值 後的動作。
全文摘要
本發明公開了一種水下聲納發射機，包括控制中心、隔離器、H橋驅動器、功率場效應管、變壓器、匹配網絡。所述控制中心以邏輯電路的形式集成於現場可編程門陣列中，包括信號產生器、系統監測器、主控核心。本發明不僅具有傳統水下發射機的功率放大器、換能器匹配電路，還具有任意波形產生，同步信號產生，上位機通信，設置存儲等功能，實現了發射機的豐富功能。利用完善的溫度、電流、電壓監控裝置、可編程的監控策略管理以及自動功率控制功能，本發明實現了發射機工作狀態的全面監控和智能管理。以上功能通過高集成度、高可靠性的快閃記憶體結構現場可編程門陣列內實現，結合智能管理的實施，因此本發明具有體積小、可靠性高的優點。
文檔編號G01S7/524GK101644767SQ200910084508
公開日2010年2月10日 申請日期2009年5月15日 優先權日2009年5月15日
發明者戈 戴 申請人:中國科學院聲學研究所