Радиогидроакустический буй на микроконтроллере с блоком звукоподводной связи



Радиогидроакустический буй на микроконтроллере с блоком звукоподводной связи
Радиогидроакустический буй на микроконтроллере с блоком звукоподводной связи
Радиогидроакустический буй на микроконтроллере с блоком звукоподводной связи
Радиогидроакустический буй на микроконтроллере с блоком звукоподводной связи

Владельцы патента RU 2703406:

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ КАЗЕННОЕ ВОЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ "ТИХООКЕАНСКОЕ ВЫСШЕЕ ВОЕННО-МОРСКОЕ УЧИЛИЩЕ ИМЕНИ С.О. МАКАРОВА" МИНИСТЕРСТВА ОБОРОНЫ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ (Г. ВЛАДИВОСТОК) (RU)

Изобретение относится к гидроакустике, а именно к устройствам регистрации акустических сигналов и может быть использовано для обнаружения, определения местонахождения и классификации движущихся подводных объектов. Буй содержит последовательно соединенные гидроакустическую антенну (гидрофон), предварительный усилитель, измерительный блок на микроконтроллере, связанный по входу с выходом предварительного усилителя. В его состав дополнительно введен блок звукоподводной связи, связанный с измерительным блоком через последовательный интерфейс и включающий микросхему памяти FlashROM, содержащую отсчеты сигнала от цели, микросхему Ethernet- адаптера, предназначенную для приведения передаваемых по сети данных к формату кадра Ethernet, и модем, осуществляющий подключение буя к звукоподводной локальной вычислительной сети. Упрощается конструкция буя. Обеспечивается связь между отдельными РГБ в барьере путем их объединения в звукоподводную локальную вычислительную сеть. 3 ил.

 

Изобретение относится к гидроакустике, а именно к устройствам регистрации акустических сигналов и может быть использовано для обнаружения, определения местонахождения и классификации движущихся подводных объектов.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является радиогидроакустический буй на микроконтроллерах (Патент №2659347 RU, МПК В63В 22/00 от 29.06.2018 г.), который выбран в качестве прототипа. Прототип содержит последовательно соединенные гидроакустическую антенну (гидрофон), предварительный усилитель, измерительный блок на микроконтроллере, связанный по входу с выходом предварительного усилителя и реализующий функции управления и цифровой фильтрации, и блок радиопередающих трактов (РПТ), включающий n РПТ всплывающего типа, каждый из которых связан с измерительным блоком через последовательный интерфейс; при этом в состав каждого РПТ включены последовательно соединенные микросхема памяти, микроконтроллер, реализующий функции управления и цифроаналогового преобразования, и радиопередатчик, осуществляющий передачу шумовых сигналов от цели на носитель, а также устройство самоликвидации.

Однако основными недостатками буя на микроконтроллерах являются:

сложность конструкции буя, имеющего в составе n РПТ всплывающего типа;

отсутствие блока звукоподводной связи (ЗПС), что делает не возможным связь между отдельными РГБ в барьере РГБ и исключает возможность подавления шума путем реализации алгоритмов адаптивной фильтрации.

На устранение указанных недостатков направлено новое техническое решение «Радиогидроакустический буй на микроконтроллере с блоком звукоподводной связи», технической задачей которого является:

- упрощение конструкции буя за счет обеспечения возможности передачи отсчетов сигнала от цели на надводный ретранслятор через звукоподводный канал;

- обеспечение связи между отдельными РГБ в барьере путем их объединения в звукоподводную локальную вычислительную сеть (ЛВС).

Указанный технический результат достигается тем, что создано новое устройство- радиогидроакустический буй на микроконтроллере с блоком звукоподводной связи, содержащий последовательно соединенные гидроакустическую антенну (гидрофон), предварительный усилитель, измерительный блок на микроконтроллере, связанный по входу с выходом предварительного усилителя. Принципиальным отличием от прототипа является то, что дополнительно введен блок звукоподводной связи (ЗПС), связанный с измерительным блоком через последовательный интерфейс и включающий микросхему памяти FlashROM, содержащую отсчеты сигнала от цели, микросхему Ethernet- адаптера, предназначенную для приведения передаваемых по сети данных к формату кадра Ethernet, и модем, осуществляющий подключение буя к звукоподводной локальной вычислительной сети.

Дополнительное введение блока звукоподводной связи, имеющего в своем составе модем, позволяет объединить буи в локальную вычислительную сеть, в результате появляется возможность подавления шума путем реализации алгоритмов адаптивной фильтрации.

Сущность изобретения поясняется чертежами:

Фигура 1. Радиогидроакустический буй на микроконтроллере с блоком звукоподводной связи. Функциональная схема.

Фигура 2. Радиогидроакустический буй на микроконтроллере с блоком звукоподводной связи. Принципиальная электрическая схема.

Фигура 3. Радиогидроакустический буй на микроконтроллере с блоком звукоподводной связи. Алгоритм работы буя.

На Фигуре 1 представлена функциональная схема радиогидроакустического буя на микроконтроллере с блоком звукоподводной связи:

1. Гидроакустическая антенна (гидрофон).

2. Предварительный усилитель.

3. Измерительный блок:

3.1. Триггер Шмитта

3.2. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП)

3.3 Микроконтроллер (МК):

3.3.1. Фильтр нижних частот (ФНЧ).

4. Блок звукоподводной связи (ЗПС):

4.1. Микросхема памяти FlashROM.

4.2. Ethernet-адаптер.

4.3. Модем.

Все конструктивные элементы буя связаны между собой электрическими связями.

Выход гидрофона 1 связан с входом предварительного усилителя 2. Выход предварительного усилителя 2 связан с установочным входом триггера Шмитта 3.1 и аналоговым входом VIN+ АЦП 3.2 измерительного блока 3. Выход триггера Шмитта 3.1 связан с входом RB0/CN4 микроконтроллера 3.3 измерительного блока 3, по которому организовано прерывание по перепаду напряжения. АЦП 3.2 связан с МК 3.3 измерительного блока 3 через последовательный интерфейс (модуль) SPI1 с использованием трех выводов МК 3.3: последовательный цифровой выход данных SDO связан с последовательным входом данных SDI1 модуля SPI1, вход тактирования SCK АЦП 3.2 связан с выходом тактирования SCK1, вход разрешения (запрещения) преобразования CONV связан с выходом RA1 МК 3.3, на котором программно формируется Лог. 0 для разрешения преобразования или Лог. 1 для разрешения передачи результата преобразования.

Результаты преобразования из выходного регистра АЦП 3.2 измерительного блока 3 последовательным кодом с использованием интерфейса SPI1 передаются в блок ЗПС 4 и записываются в микросхему памяти FlashROM 4.1, которая связана с МК 3.3 измерительного блока 3 следующим образом: вход тактирования С, соединен с выходом тактирования SCK1 модуля SPI1 МК 3.3, вход D соединен с последовательным выходом данных SDO1 модуля SPI1 МК 3.3, вход выбора микросхемы S соединен с выходом RA0 параллельного порта portА МК 3.3, на котором программно формируется Лог. 0 для разрешения записи.

Микросхема памяти FlashROM 4.1 блока ЗПС 4 связана с Ethernet-адаптером 4.2 посредством интерфейса SPI2 МК 3.3 измерительного блока 3 следующим образом: вход тактирования С, соединен с выходом тактирования SCK2 модуля SPI2 МК 3.3, выход Q соединен с последовательным входом данных SDI2 модуля SPI2 МК 3.3, последовательный выход данных SDO2 соединен с входом SI Ethernet-адаптера.

Вход выбора микросхемы FlashROM 4.1 блока ЗПС 4 S соединен с выходом RA2 параллельного порта portА МК 3.3 измерительного блока 3, на котором программно формируется Лог. 0 для разрешения чтения.

Микроконтроллер 3.3 измерительного блока 3 осуществляет чтение записанных данных из микросхемы FlashROM 4.1 блока ЗПС 4 и передачу их через интерфейс SPI2 на вход SI Ethernet-адаптера 4.2 блока ЗПС 4.

Микросхема Ethernet- адаптера 4.2 связана с микросхемой модема 4.3 блока ЗПС 4 следующим образом: выходы адаптера TPOUT+ и TPOUT- соединены с входами модема TPIN+ и TPIN- соответственно, входы адаптера TPIN+ и TPIN- соединены с выходами модема TPOUT+ и TPOUT- соответственно.

Ethernet-адаптер 4.2 блока ЗПС 4 осуществляет приведение данных к формату кадра Ethernet и передачу их на вход модема 4.3 блока ЗПС 4, который осуществляет передачу данных далее по звукоподводному каналу на надводный ретранслятор.

На Фигуре 2 приведена принципиальная электрическая схема измерительного блока 3 с микросхемами памяти и Ethernet-адаптера блока ЗПС 4. Данная схема используется для моделирования работы буя в программе Proteus. В состав схемы входят:

U1 - микроконтроллер dsPIC33FJ32GP204;

U2 - АЦП LTC1864;

U3 - микросхема FlashROM М45РЕ80;

U4.A - триггер Шмитта 74LS14;

U5 - логический элемент НЕ;

U6 - микросхема Ethernet- адаптера ENC28J60;

R1, R2, R3 - резисторы 1К;

R4 - резистор 232К;

X1 - кварцевый резонатор;

С1, С2 - конденсаторы 18pF;

С3 - конденсатор 10u.

Все элементы схемы соединены электрическими связями.

Напряжение на выходе предварительного усилителя буя, пропорциональное уровню зашумленного сигнала от цели, имитируется при помощи двух генераторов. Первый генератор- «Шум моря», второй - «Шум ПЛ». Генераторы подключаются к установочному входу 1 триггера Шмитта U4:A переключателями. Начальное состояние триггера - нулевое. Когда подключен только генератор «Шум моря», состояние триггера не изменяется. При подключении дополнительно генератора «Шум ПЛ», напряжение на входе 1 триггера U4:A превысит пороговое значение и произойдет переключение триггера в единичное состояние. На выходе триггера 2 будет сформирован отрицательный перепад напряжения, так как выход триггера инверсный. На выходе логического элемента НЕ U5 и на входе CN4 микроконтроллера U1 сформируется положительный перепад напряжения, являющийся запросом на прерывание. Запустится программа- обработчик прерывания, который инициализирует запись отсчетов АЦП U2 в микросхему FlashROM U3 через интерфейс SPI1 («Программа управления радиогидроакустическим буем на микроконтроллере». Свидетельство о регистрации №2017613161, дата государственной регистрации в реестре программ для ЭВМ 13.03.2017 г.). На Фигуре 3 приведен алгоритм работы радиогидроакустического буя на микроконтроллере с блоком ЗПС. Алгоритм включает следующие блоки:

Блок 1 - Начало алгоритма;

Блок 2 - Проверка условия «Уровень напряжения на выходе предварительного усилителя превышает пороговый уровень ?»;

Блок 3 - Запуск таймера счетчика для измерения интервала времени Т, в течении которого выполняется условие «UВЫХ>Uпор»;

Блок 4 - Запись отсчетов АЦП в память FlashROM блока ЗПС;

Блок 5 - Проверка условия Т < 10 с;

Блок 6 - Проверка условия UВЫХ>Uпор;

Блок 7 - Перевод РГБ в режим пониженного потребления (SLEEP);

Блок 8 - Передача данных на надводный ретранслятор;

Блок 9 - Конец алгоритма.

Радиогидроакустический буй на микроконтроллере с блоком звукоподводной связи работает следующим образом:

Алгоритм работы радиогидроакустического буя на микроконтроллере с блоком ЗПС представлен на Фигуре 3. Буй находится в подводном положении в режиме пониженного энергопотребления (режим SLEEP). При обнаружении цели происходит передача шумовых сигналов через звукоподводный канал на надводный ретранслятор. Для снижения влияния шумов квантования и соответственно повышения чувствительности буя используется внешний АЦП 3.2 измерительного блока 3 (Фигура 1) с разрядностью 16 (встроенный в микроконтроллер АЦП имеет разрядность 12). Работа микроконтроллера (МК) 3.3 измерительного блока 3 организована с использованием внешних прерываний, вызываемых изменением уровня напряжения на выводе CN4 микроконтроллера 3.3 («Программа управления радиогидроакустическим буем на микроконтроллере». Свидетельство о регистрации № 2017613161, дата государственной регистрации в реестре программ для ЭВМ 13.03.2017 г. ).

Для того, чтобы активизировать прерывание по изменению сигнала, в программе предусмотрены следующие действия:

- настройка канала CN4 на вход с помощью регистра TRISB;

- включение контроля изменения сигнала на входе CN4 с помощью регистров CNEN1 и CNEN2;

- включение подтягивающих резисторов с помощью регистров CNPU1 и CNPU2;

- разрешение прерывания по изменению сигнала на CN4 (_СNIE=1);

- в подпрограммах обработки прерываний сбрасываются флаги прерываний.

Теперь как только изменится сигнал на контролируемом выводе CN4, установится флаг прерывания CNIF, и управление будет передано в функцию обработки прерывания.

При отсутствии цели (UВЫХ>Uпор) РГБ находится в режиме пониженного электропотребления (SLEEP). Когда напряжение на выходе гидрофона UВЫХ превысит пороговое значение Uпор, триггер Шмитта 3.1 измерительного блока 3 переключится в единичное состояние и на выводе CN4 МК 3.3 измерительного блока 3 (Фигура 1) сформируется положительный перепад напряжения, что является сигналом внешнего прерывания. Произойдет переход к обработчику прерывания. Начнется запись последовательных отсчетов в микросхему памяти FlashROM 4.1 блока ЗПС 4. Если в процессе записи напряжение на выходе гидрофона станет меньше порогового, триггер Шмитта переключится в нулевое состояние, при этом будет выработан сигнал прерывания, который запустит обработчик, останавливающий процесс записи и переводящий РГБ в режим SLEEP. Если сигнал от цели появится повторно, то снова будет включен режим «Запись» и запись отсчетов АЦП начнется с «нулевых» ячеек в микросхему памяти FlashROM 4.1 блока ЗПС 4. По истечению 10 секунд после начала записи будет выработан сигнал прерывания, который запустит обработчик, обеспечивающий чтение записанных данных из микросхемы памяти FlashROM 4.1 блока ЗПС 4 и передачу их на вход Ethernet-адаптера 4.2 блока ЗПС 4.

Технический результат изобретения заключается в создании нового радиогидроакустического буя на микроконтроллере с блоком ЗПС, имеющего в своем составе звукоподводный модем для связи с надводным ретранслятором. Реализация поставленной задачи позволяет достичь следующий суммарный технический результат:

- упрощение конструкции буя за счет обеспечения возможности передачи отсчетов сигнала от цели на надводный ретранслятор через звукоподводный канал;

- обеспечение связи каждого РГБ в барьере с надводным ретранслятором и объединение их в звукоподводную локальную вычислительную сеть (ЛВС);

Заявленное устройство промышленно применимо, так как при его изготовлении могут быть использованы распространенные устройства и компоненты, такие как:

- МК на интегральной микросхеме (ИМС) dsPIC33FJ32GP204;

- аналого-цифровой преобразователь (АЦП) на ИМС LTC1864;

- триггер Шмитта на ИМС 74LS14;

- FlashROM на ИМС М45РЕ80;

- Ehernet-адаптер на ИМС ENC28J60;

- модем S2CR18/34

Радиогидроакустический буй на микроконтроллере с блоком звукоподводной связи, содержащий последовательно соединенные гидроакустическую антенну (гидрофон), предварительный усилитель, измерительный блок на микроконтроллере, связанный по входу с выходом предварительного усилителя, отличающийся тем, что дополнительно введен блок звукоподводной связи (ЗПС), связанный с измерительным блоком через последовательный интерфейс и включающий микросхему памяти FlashROM, содержащую отсчеты сигнала от цели, микросхему Ethernet- адаптера, предназначенную для приведения передаваемых по сети данных к формату кадра Ethernet, и модем, осуществляющий подключение буя к звукоподводной локальной вычислительной сети.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к многоканальным гидроакустическим системам и может быть использовано для мониторинга подводной обстановки по ходу движения подводного носителя, обнаружения в заданном секторе потенциально опасных для навигации препятствий и определения параметров движения подводных объектов.

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для построения систем автоматического обнаружения эхосигналов, принятых гидролокатором на фоне шумовой и реверберационной помехи и измерения параметров объекта при использовании псевдошумовых сигналов в условиях применения преднамеренных помех.

Ультразвуковой датчик прикрепляется к объекту крепления и проходит через объект крепления. Ультразвуковой датчик включает в себя генератор, который имеет приемо-передающую поверхность, которая передает или принимает ультразвуковую волну, цилиндрический упругий элемент, который окружает внешнюю поверхность генератора, простирающуюся от приемо-передающей поверхности в направлении по толщине приемо-передающей поверхности, и имеет внутреннюю поверхность, контактирующую с внешней поверхностью генератора, тело, которое имеет корпус с дном и в котором расположены генератор и упругий элемент, за исключением выступающего участка со стороны упомянутой приемо-передающей поверхности, и кольцевое тело, которое окружает выступающий участок упругого элемента и расположено в теле в контакте с передней частью объекта крепления.

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано при проектировании и разработке систем активной гидролокации различного назначения. Способ обработки гидролокационной информации, содержит излучение сигнала, прием отраженного эхосигнала сформированным веером статических характеристик направленности, с образованием пространственных каналов, цифровую многоканальную обработку, отображение массива последовательных временных реализаций в яркостном виде за все время распространения по всем пространственным каналам, по каждому обнаруженному эхосигналу, определяют пространственный канал с максимальной амплитудой эхосигнала, определяют дистанцию Д по временному положению максимальной амплитуды, определяют угловое положение Q1 пространственной характеристики, в которой обнаружен эхосигнал относительно направления движения гидролокатора, определяют дистанцию R1 до точки пересечения с направлением движения гидролокатора R1=Д1/cosQ1, излучают второй зондирующий сигнал, измеряют дистанцию Д2 и угловое положение Q2 по пространственной характеристике, на которую принят второй зондирующий сигнал, определяют дистанцию R2 до точки пересечения R2=Д2/cosQ2, измеряют собственную скорость Vсоб и расстояние д, проходимое за время между первой и второй посылками д=V(Т2-T1), где Т2 и T1 времена излучения второго и первого зондирующих сигналов, и принимают решение, что обнаружено отражение от провода или кабеля, если R2=R1-V(T2-Т1), а время встречи Твстр=Т2+R2\Vcoб.

Использование: для определения поправок к глубинам. Сущность изобретения заключается в том, что устройство для определения поправок к глубинам, измеренным эхолотом при съемке рельефа дна акватории, содержащее передатчик и измерительный приемный блок, подключенные соответственно к излучающей и приемной антеннам, регистратор и блок управления, соединенный с измерительным приемным блоком, базу с датчиками гидростатического давления и температуры, выходы которых через блок управления соединены с входом блока определения поправок к глубинам, измеренным эхолотом, вход которого через блок управления соединен с выходом приемоизмерительного блока, а выход соединен с входом регистратора, датчики горизонтальных и вертикальных перемещений, датчик измерения скорости распространения звука в воде, измеритель относительной скорости, магнитный компас и гироазимутгоризонткомпас, приемоиндикатор спутниковой навигационной системы, прт этом база установлена на выносной штанге параллельно днищу судна и жестко сочленена с корпусом судна, приемопередающий блок, установленный на базе, выполнен в виде лазерного излучателя и оптического приемника, отличающееся тем, что база выполнена в виде самоходного глубоководного аппарата, оснащенного планировщиком, модемом гидроакустической связи, отражателем, профилографом для определения ровной поверхности грунта, классификатором грунта, датчиком определения прозрачности воды, блоком пересчета измеренных глубин с учетом прозрачности воды, измеренной по крайней мере на трех горизонтах по глубине.

Изобретение относится к области кораблестроения, а именно к кораблям, назначением которых является обнаружение подводных объектов. Корабль освещения подводной обстановки оснащен гидроакустическим излучателем с гидроакустической антенной, опускаемой под воду на заданную глубину, комплектом пассивных автономных гидроакустических станций (АГС), способных обнаруживать зондирующие сигналы гидроакустического излучателя и эхосигналы, отраженные от подводных объектов, средствами измерения характеристик гидроакустических условий в районе плавания, радиоприемной аппаратурой и аппаратурой гидроакустической связи для приема сообщений от АГС, ЭВМ со специальной программой, позволяющей до начала работы рассчитывать необходимое количество, координаты скрытно устанавливаемых АГС, траекторию маневрирования корабля в процессе расстановки АГС, проходящую через все рассчитанные позиции АГС, оптимальные для текущих гидроакустических условий глубины установки антенны излучателя и АГС, а в процессе работы вычислять траектории обнаруженных подводных объектов и определять их координаты и параметры движения.

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для построения систем обнаружения эхо-сигнала от объекта, измерения параметров обнаруженного объекта и его классификации при использовании взрывных сигналов.

Изобретение относится к области гидроакустики и предназначено для определения совокупности координат и параметров движения шумящего объекта, под которыми понимается расстояние до шумящего объекта, скорость движения объекта и курс движения объекта.

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано в бортовых радиолокационных станциях (БРЛС) для обнаружения движущихся целей на фоне подстилающей поверхности.

Изобретение относится к гидрофизике, геофизике и радиофизике. Оно основано на объединении фундаментальных разработок глобальной системы навигации «ГЛОНАСС», системы связи «Гонец», а также разработок широкомасштабной радиогидроакустической системы мониторинга полей атмосферы, океана и земной коры в морской среде как Единого информационного пространства Земли.
Система для выхода подводной лодки на связь с пунктом управления содержит подводную лодку, оборудованную устройством для хранения и выпуска радиобуя и буксируемой лодочной катушки с проводной или оптоволоконной линией связи, и радиобуй подводной лодки, имеющий плавучесть и противовес, источник тока и средства радиосвязи, управляющее устройство, которое управляет работой радиобуя в соответствии с командами, поступающими с борта подводной лодки, устройство изменения плавучести, катушку с проводной или оптоволоконной линией связи, приемник и преобразователь оптической информации в радиосигналы, приемник системы географического позиционирования, видеокамеру и устройство самоликвидации.

Изобретение относится к самовсплывающим подповерхностным океанографическим буйковым станциям, которые могут быть использованы в покрытых льдом акваториях, преимущественно в условиях Арктики.

Изобретение относится к плавучим средствам навигационного оборудования, а именно к буям. Навигационный буй содержит герметичный корпус, который разделен водонепроницаемыми переборками на отсеки, светооптическую аппаратуру на светодиодах и стабилизирующий балласт.

Изобретение относится к технике освоения океана, а именно к подводным аппаратам с изменяемой плавучестью. Устройство изменения плавучести подводного аппарата расположено в герметичном корпусе и содержит гидравлический приводной насос, перемещаемую рабочую жидкость, трубопроводы, управляемые клапаны и внутренний ресивер переменного объема, а также гидравлический цилиндр.

Изобретение относится к технике освоения океана, а именно к подводным аппаратам с изменяемой плавучестью. Предложено устройство для изменения плавучести подводного аппарата, содержащее герметичный корпус, гидравлический приводной насос, перемещаемую рабочую жидкость, трубопроводы, управляемые клапаны, гидравлический цилиндр с размещенными в нем поршнем со штоком и пружиной, заполненный рабочей жидкостью и инертным газом и соединенный посредством трубопроводов и управляемых клапанов с гидравлическим приводным насосом.

Изобретение относится к области гидрологических, гидрофизических и океанографических исследований, может быть использовано в разработке океанологических и океанографических подводных аппаратов, а также техники поиска и спасения под водой.

Изобретение относится к области судостроения, в частности к подводным аппаратам, используемым при решении исследовательских и поисковых задач в незамерзающих акваториях морей и внутренних водоемов.

Изобретение относится к гидроакустике, а именно к устройствам регистрации акустических сигналов, и может быть использовано для обнаружения, определения местонахождения и классификации движущихся подводных объектов.

Изобретение относится к области функционирования морских радиогидроакустических буев (РГБ), предназначенных для приема/передачи информации о подводной обстановке по гидроакустическому каналу и радиоканалу.

Изобретение относится к области подводной робототехники, в частности к технике изучения и освоения морей, океанов и внутренних водоемов, к автономным и автоматизированным подводным профилирующим зондам.
Наверх