專利名稱：水聲通信低功耗喚醒設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于實(shí)時(shí)水聲通信的低功耗喚醒設(shè)備。
背景技術(shù)：
水聲通信最初主要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，最近十年，隨著人類對(duì)海洋資源的不斷開發(fā)和利用，如近年來環(huán)境系統(tǒng)的污染監(jiān)測、海上石油工業(yè)的遙控以及不回收儀器設(shè)備而直接獲取海底工作站記錄的科學(xué)數(shù)據(jù)等等，使得水下信息通信技術(shù)的商用前景越來越廣闊，相應(yīng)地，也促進(jìn)了水下通信技術(shù)的發(fā)展。在水聲通信中，由于海洋環(huán)境的惡劣條件，水下通信設(shè)備的水下生存能力一直是一個(gè)非常關(guān)鍵的問題，它直接影響著整個(gè)水下通信設(shè)備網(wǎng)絡(luò)的性能和使用壽命。由于水下通信設(shè)備通過更換電池的方式來補(bǔ)充能量的代價(jià)高昂，所以，在電源總量很難增加的情況下，通過提高電源利用率可以有效地延長整個(gè)水下通信設(shè)備網(wǎng)絡(luò)的壽命。喚醒機(jī)制是解決電源利用率的主要途徑。目前，比較普遍的采用方法有定時(shí)喚醒機(jī)制、無源喚醒技術(shù)、無線觸發(fā)喚醒技術(shù)等等，但是這些技術(shù)都是基于陸地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研發(fā)的，而不適合應(yīng)用在水聲通信中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種用于實(shí)時(shí)水聲通信的低功耗喚醒設(shè)備，通過提高電源利用率從而有效地延長整個(gè)水下通信設(shè)備網(wǎng)絡(luò)的壽命。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的它包括由放大器和濾波器組成的低功耗信號(hào)調(diào)整電路部分，和由低功耗51單片機(jī)及其外圍電路組成的低功耗喚醒電路部分。低功耗信號(hào)調(diào)整電路的濾波器與低功耗51 單片機(jī)的部分通用I/O 口相連，余下的低功耗51單片機(jī)的通用I/O 口與水下通信設(shè)備的主體電路相連，控制水下通信設(shè)備的工作模式。上述技術(shù)方案中，所述低功耗信號(hào)調(diào)整電路部分由模擬電路實(shí)現(xiàn)，可以直接焊接在低功耗51單片機(jī)上，其中放大器主要用于信號(hào)功率放大，濾波器主要對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波去噪聲。上述技術(shù)方案中，所述喚醒信號(hào)為單頻正弦信號(hào)或單頻余弦信號(hào)。上述技術(shù)方案中，所述低功耗51單片機(jī)對(duì)放大濾波后的喚醒信號(hào)進(jìn)行采樣，并對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行單頻點(diǎn)定點(diǎn)DFT處理，通過判決其頻率值與已知喚醒信號(hào)頻率參考值是否對(duì)應(yīng)，從而判定該信息是否為喚醒信息。若該信息并非正確的喚醒信息，則不進(jìn)行任何處理； 若該信息為正確的喚醒信息，則喚醒電路向水下通信機(jī)主體電路發(fā)出電源控制信號(hào)，喚醒通信機(jī)主體電路進(jìn)行工作，同時(shí)對(duì)低功耗信號(hào)調(diào)整電路發(fā)出電源終止信號(hào)，終止其接收檢測信息。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于1.本發(fā)明是針對(duì)水聲通信特別設(shè)計(jì)的一種低功耗喚醒設(shè)備。
2.本發(fā)明采用集成的低功耗51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)低功耗喚醒功能。與傳統(tǒng)采用的DSP 和FPGA等設(shè)備相比，技術(shù)成熟的51單片機(jī)價(jià)格低、對(duì)環(huán)境條件適應(yīng)性強(qiáng)、功能強(qiáng)、體積小、 功耗低、可靠性強(qiáng)。并且采用單片機(jī)可以方便、可靠地完成水聲通信中數(shù)字信號(hào)處理的各項(xiàng)功能，并且很容易實(shí)現(xiàn)功能的擴(kuò)展。3.本發(fā)明采用低功耗51單片機(jī)對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行頻率判別的方法，即單頻點(diǎn)定點(diǎn) DFT處理。與以往直接判別能量的喚醒電路相比，本發(fā)明可以大大減小因環(huán)境干擾而引起的誤判，提高系統(tǒng)可靠性。由于采用了集成的低功耗51單片機(jī)芯片對(duì)信號(hào)進(jìn)行單頻點(diǎn)DFT處理，既可大大減少外圍模擬電路的設(shè)計(jì)，又可以有效地提高信號(hào)分辨率，而且設(shè)計(jì)的電路參數(shù)容易修改。4.基于低功耗設(shè)計(jì)思想，單片機(jī)信號(hào)處理時(shí)間越短越好，所以在本發(fā)明中，低功耗 51單片機(jī)采用C語言與匯編語言共同完成單頻點(diǎn)定點(diǎn)DFT算法。5.本發(fā)明提供的實(shí)時(shí)水聲通信的低功耗喚醒設(shè)備可有效地延長整個(gè)水下通信設(shè)備網(wǎng)絡(luò)的壽命，在遠(yuǎn)程無線水下通信中有很大的應(yīng)用前景和價(jià)值。


圖1是本發(fā)明一種用于實(shí)時(shí)水聲通信的低功耗喚醒設(shè)備的模塊示意圖；圖2是本發(fā)明的低功耗喚醒電路部分的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是實(shí)施例中單片機(jī)工作電流和時(shí)鐘頻率間的關(guān)系圖；圖4是實(shí)施例中整個(gè)水下通信系統(tǒng)的時(shí)間-電流關(guān)系圖。
具體實(shí)施例方式本實(shí)施例是針對(duì)固定在距岸邊10公里左右的水下通信機(jī)主體電路設(shè)計(jì)的喚醒設(shè)備。下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明做更詳細(xì)地描述結(jié)合圖1，本發(fā)明包括由放大器和濾波器組成的低功耗信號(hào)調(diào)整電路部分，和由低功耗51單片機(jī)及其外圍電路組成的低功耗喚醒電路部分。低功耗信號(hào)調(diào)整電路的濾波器與低功耗51單片機(jī)的部分通用I/O 口相連，余下的低功耗51單片機(jī)的通用I/O 口與水下通信設(shè)備的主體電路相連，控制水下通信設(shè)備的工作模式。低功耗喚醒設(shè)備的具體工作流程是當(dāng)遠(yuǎn)程發(fā)出喚醒信號(hào)后，低功耗信號(hào)調(diào)整電路模塊監(jiān)測到水中信號(hào)變化，對(duì)信號(hào)進(jìn)行收集，并進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，即放大和濾波，隨后將調(diào)整好的信號(hào)傳送給低功耗喚醒電路。低功耗喚醒電路對(duì)接收到的信息進(jìn)行信號(hào)采集和單頻點(diǎn)定點(diǎn)DFT處理，通過判決其頻率值與已知喚醒信號(hào)頻率參考值是否對(duì)應(yīng)，從而判定該信息是否為喚醒信息。若該信息并非正確的喚醒信息，則不進(jìn)行任何處理；若該信息為正確的喚醒信息，則喚醒電路向水下通信機(jī)主體電路發(fā)出電源控制信號(hào)，喚醒通信機(jī)主體電路進(jìn)行工作，同時(shí)對(duì)低功耗信號(hào)調(diào)整電路發(fā)出電源終止信號(hào)，終止其接收檢測信息。當(dāng)通信機(jī)主體電路工作完畢后會(huì)向低功率喚醒電路發(fā)出終止工作信號(hào)，告知喚醒電路通信機(jī)主體已完成了相應(yīng)工作。隨之，喚醒電路會(huì)向通信機(jī)主體電路發(fā)出終止電源信號(hào)，將其處于極低功耗的Sleep模式，等待下一次喚醒；并同時(shí)向低功耗信號(hào)調(diào)理電路發(fā)出喚醒信號(hào)，喚醒其工作，使其恢復(fù)監(jiān)測接收外部變化信號(hào)的狀態(tài)。整個(gè)水下通信系統(tǒng)以上述方法循環(huán)工作。
由于本實(shí)施例是針對(duì)固定在距岸邊10公里左右的水下通信機(jī)主體電路設(shè)計(jì)的喚醒電路，所以對(duì)傳輸?shù)膯拘研盘?hào)有相應(yīng)要求，即傳輸距離為10公里左右，對(duì)應(yīng)單頻喚醒信號(hào)頻率在8KHZ左右。結(jié)合圖2，本實(shí)施例中低功耗51單片機(jī)采用美國德州Cygnal公司推出的一種混合信號(hào)SOC型8位單片機(jī)C8051F020，它擁有靈活的時(shí)鐘硬件，使系統(tǒng)能夠方便地在高效運(yùn)作模式與低功耗模式間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，智能的電源管理模式能夠在正常工作及待機(jī)狀態(tài)自由切換，從而降低整個(gè)系統(tǒng)的能量損耗，當(dāng)工作頻率低于IOkHz時(shí)，時(shí)鐘丟失檢測器(MCD)能夠引發(fā)系統(tǒng)產(chǎn)生復(fù)位，確保系統(tǒng)工作的安全可靠。本實(shí)施例中低功耗51單片機(jī)的供電方式采用直接用鋰電池供電2. 7V。該設(shè)計(jì)可以達(dá)到節(jié)能、簡化電路的效果，從而進(jìn)一步降低額外功耗開銷，達(dá)到最低功耗。本實(shí)施例中C8051F020單片機(jī)采用低電平復(fù)位。本實(shí)施例中低功耗51單片機(jī)采用單頻點(diǎn)定點(diǎn)DFT算法，并且針對(duì)應(yīng)用要求作了相應(yīng)設(shè)計(jì)。1.單頻點(diǎn)定點(diǎn)DFT算法的優(yōu)勢(shì)由于在海洋環(huán)境噪聲干擾下，喚醒信號(hào)的時(shí)域特性遭到嚴(yán)重影響，而且，由于信號(hào)在傳播中的衰減，不可避免的會(huì)被噪聲淹沒，從而無法進(jìn)行時(shí)域判別。所以，在采集信號(hào)后要對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻域處理，即傅立葉變換。在對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析中，較為普遍的有兩種方法離散傅立葉變換(DFT)和快速傅立葉變換(FFT)。雖然FFT所需的運(yùn)算量比DFT要小很多，而且硬件實(shí)現(xiàn)時(shí)占用比較少的邏輯資源，但是由于本發(fā)明中單片機(jī)僅對(duì)單點(diǎn)進(jìn)行頻域處理，所以FFT算法并無明顯優(yōu)勢(shì)。 而且，DFT運(yùn)算可以用采樣一次后立即進(jìn)行相乘、累加運(yùn)算的方法，即可以采一點(diǎn)算一點(diǎn)，所以DFT的實(shí)時(shí)性優(yōu)于FFT，故本發(fā)明采用DFT算法。在DFT算法中，分為定點(diǎn)DFT算法和浮點(diǎn)DFT算法。浮點(diǎn)運(yùn)算的特點(diǎn)是精度較高， 動(dòng)態(tài)范圍寬，但是由于計(jì)算量較大，需要較長的計(jì)算時(shí)間；若采用硬件實(shí)現(xiàn)浮點(diǎn)計(jì)算時(shí)，硬件電路較復(fù)雜，成本相對(duì)較高。本發(fā)明中，由于單片機(jī)僅需實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)DFT運(yùn)算判別功能，對(duì)計(jì)算的精度要求較低，所以采用更為快速簡單的定點(diǎn)DFT算法。2.單頻點(diǎn)定點(diǎn)DFT算法實(shí)現(xiàn)1)采樣率，DFT點(diǎn)數(shù)，信號(hào)頻率間應(yīng)滿足的關(guān)系采樣率的確定決定于喚醒信號(hào)的最大頻率和單片機(jī)計(jì)算單點(diǎn)DFT的時(shí)間。設(shè)單片機(jī)N點(diǎn)數(shù)據(jù)計(jì)算單頻點(diǎn)DFT所需時(shí)間為tx，信號(hào)f(t)的最高頻率為fm，抽
樣頻率為fs，由Nyquist抽樣定理可知，fs彡2fm，從時(shí)間考慮，
權(quán)利要求
1.一種用于水聲通信的低功耗喚醒設(shè)備，包括由放大器和濾波器組成的低功耗信號(hào)調(diào)整電路部分，和由低功耗51單片機(jī)及其外圍電路組成的低功耗喚醒電路部分。其特征在于，所述的低功耗信號(hào)調(diào)整電路的濾波器與低功耗51單片機(jī)的部分通用I/O 口相連，余下的低功耗51單片機(jī)的通用I/O 口與水下通信設(shè)備的主體電路相連，控制水下通信設(shè)備的工作模式。
2.按權(quán)利要求1所述的低功耗喚醒設(shè)備，其特征在于，所述的低功耗喚醒設(shè)備是針對(duì)水聲通信特別設(shè)計(jì)的。
3.按權(quán)利要求1所述的低功耗喚醒設(shè)備，其特征在于，所述的低功耗信號(hào)調(diào)整電路部分由模擬電路實(shí)現(xiàn)，可以直接焊接在低功耗51單片機(jī)上，其中放大器主要用于信號(hào)功率放大，濾波器主要對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波去噪聲。
4.按權(quán)利要求1所述的低功耗喚醒設(shè)備，其特征在于，所述低功耗喚醒設(shè)備接收的喚醒信號(hào)為單頻正弦信號(hào)或單頻余弦信號(hào)。
5.按權(quán)利要求1所述的低功耗喚醒設(shè)備，其特征在于，所述的低功耗51單片機(jī)對(duì)放大濾波后的喚醒信號(hào)進(jìn)行采樣，并對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行單頻點(diǎn)定點(diǎn)DFT處理，通過判決其頻率值與已知喚醒信號(hào)頻率參考值是否對(duì)應(yīng)，從而判定該信息是否為喚醒信息。若該信息并非正確的喚醒信息，則不進(jìn)行任何處理；若該信息為正確的喚醒信息，則喚醒電路向水下通信機(jī)主體電路發(fā)出電源控制信號(hào)，喚醒通信機(jī)主體電路進(jìn)行工作，同時(shí)對(duì)低功耗信號(hào)調(diào)整電路發(fā)出電源終止信號(hào)，終止其接收檢測信息。
6.按權(quán)利要求5所述的低功耗喚醒設(shè)備，其特征在于，采用集成的低功耗51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)低功耗喚醒功能。
7.按權(quán)利要求5所述的低功耗喚醒設(shè)備，其特征在于，低功耗51單片機(jī)對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行頻率判別的方法。
8.按權(quán)利要求5所述的低功耗喚醒設(shè)備，其特征在于，低功耗51單片機(jī)采用C語言與匯編語言共同完成單頻點(diǎn)定點(diǎn)DFT算法。
全文摘要
本發(fā)明提供一種水聲通信低功耗喚醒設(shè)備。它包括由放大器和濾波器組成的低功耗信號(hào)調(diào)整電路部分，和由低功耗51單片機(jī)及其外圍電路組成的低功耗喚醒電路部分。低功耗信號(hào)調(diào)整電路的濾波器與低功耗51單片機(jī)的部分通用I/O口相連，余下的低功耗51單片機(jī)的通用I/O口與水下通信設(shè)備的主體電路相連，控制水下通信設(shè)備的工作模式。本發(fā)明針對(duì)水聲通信的特點(diǎn)，通過喚醒機(jī)制提高水下通信設(shè)備的電源利用率，可以有效地延長整個(gè)水下通信設(shè)備網(wǎng)絡(luò)的壽命。與傳統(tǒng)直接判別能量的喚醒電路相比，本發(fā)明可以大大減小因環(huán)境干擾而引起的誤判，具有更高可靠性，同時(shí)電路參數(shù)容易修改，并具有很好的節(jié)能效果。
文檔編號(hào)H04B13/02GK102201872SQ201010129029
公開日2011年9月28日 申請(qǐng)日期2010年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月22日
發(fā)明者吳佳欣 申請(qǐng)人:吳佳欣