Радиогидроакустический буй на микроконтроллере

Полезная модель относится к гидроакустике, а именно к устройствам регистрации акустических сигналов и может быть использована для обнаружения, определения местонахождения и классификации движущихся подводных объектов.
Известно устройство-радиогидроакустический буй реактивный (Патент №2400392 RU, МПК В63В 22/00 от 27.09.2010 г.), содержащий корпус, батарею, парашютную систему, передатчик, приемник с гидрофонами, запоминающее устройство, кабель-трос, антенну, механизм автоотцепа, блок управления, часовой механизм, ракетный двигатель, стабилизатор, механизм отделения, устройство ввода данных, датчик приводнения, поплавок, газогенератор. Для осуществления пуска радиогидроакустического буя используются счетно-решающий прибор, приборы управления стрельбой и пусковая установка, предназначенные для стрельбы реактивными глубинными бомбами. Достигается сокращение времени, необходимого для доставки устройства в заданную точку и приведения его в рабочее состояние.
Основными недостатками предлагаемого буя являются:
• полоса пропускания буя включает не все спектральные составляющие шума винтов современных ПЛ;
• дрейф характеристик аналоговых фильтров в следствие старения их компонентов.
• отсутствие связи с береговым центром.
Известно устройство - энергонезависимый гидроакустический буй (Патент №2584954 RU, МПК В63В 22/00 от 20.05.2016 г.), содержащий корпус в виде сжатой сферы, оборудованный водометным движителем, корпус сверху обтянут тонкой пленкой на тканевой основе, представляющей собой кремниевую солнечную батарею, в корпусе расположен электрогенератор, через систему управления соединенный с электродвигателем и аккумуляторной батареей, на вал электрогенератора в верхней части за пределами корпуса насажена крыльчатка, к нижней части которой шарнирно прикреплены щетки, прижимаемые к поверхности корпуса пружинами. Данное изобретение направлено на совершенствование системы электропитания радиогидроакустического буя.
Основными недостатками предлагаемого буя являются:
• полоса пропускания буя включает не все спектральные составляющие шума винтов современных ПЛ;
• дрейф характеристик аналоговых фильтров в следствии старения их компонентов.
• отсутствие связи с береговым центром.
Наиболее близким по технической сущности к заявленной полезной модели является авиационный радиогидроакустический буй РГБ-16, который выбран в качестве прототипа. Прототип содержит опускаемое устройство, включающее в себя гидроакустическую антенну и предварительный усилитель; основной усилитель, автоматическое пороговое устройство, радиопередающее устройство; приемо-передающую радиоантенну, источник тока, устройство самоликвидации, парашютную систему, пусковое устройство. (С.В. Попов, В.В. Емельяненко, И.Н. Сургаев. Радиогидроакустические буи противолодочной авиации. Владивосток: ТОВМИ им. С.О. Макарова, 2002.)
Однако основными недостатками буя РГБ-16 являются:
• полоса пропускания буя включает не все спектральные составляющие шума винтов современных ПЛ;
• дрейф характеристик аналоговых фильтров в следствии старения их компонентов.
• отсутствие связи с береговым центром.
На устранение указанных недостатков направлено новое техническое решение «Радиогидроакустический буй на микроконтроллере», технической задачей которого является:
- повышение вероятности обнаружения цели путем расширения полосы пропускания буя с целью включения всех спектральных составляющих шума винтов современных ПЛ;
- обеспечение связи с береговым центром путем оцифровки сигнала с выхода предварительного усилителя при помощи аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера, преобразования отсчетов в формат кадра Ethernet и передачи их на береговой центр через спутниковый канал связи.
Указанный технический результат достигается тем, что создано новое устройство - радиогидроакустический буй на микроконтроллере, который содержит опускаемую часть, включающую в себя гидроакустическую антенну (гидрофон) и предварительный усилитель; поплавковую часть, включающую триггер Шмитта, цифровое радиопередающее устройство, приемо-передающую радиоантенну, пусковой блок, блок питания, блок самоликвидации. Принципиальным отличием радиогидроакустического буя на микроконтроллере является то, что в поплавковую часть дополнительно введены микроконтроллер и Ethernet-адаптер, подключающий РГБ к спутниковому каналу связи для передачи шумовых сигналов от цели на береговой центр.
Дополнительным отличием является то, что автоматическое пороговое устройство выполнено на основе триггера Шмитта. В результате устройство значительно упрощается, снижаются его стоимость, вес и габариты, повышается надежность функционирования.
Реализация цифрового фильтра нижних частот (ФНЧ) на микроконтроллере с полосой пропускания, включающей все спектральные составляющие шума винтов современных ПЛ, позволяет увеличить вероятность обнаружения цели и устраняет дрейф характеристик по причине старения радиокомпонентов, присущий аналоговым фильтрам.
Сущность полезной модели поясняется чертежами:
Фигура 1. Радиогидроакустический буй на микроконтроллере.
Функциональная схема.
Фигура 2. Радиогидроакустический буй на микроконтроллере. Подключение микроконтроллера к Ethernet-адаптеру. Принципиальная электрическая схема.
Фигура 3. Радиогидроакустический буй на микроконтроллере. Алгоритм работы буя. Блок-схема алгоритма.
На Фигуре 1 представлена функциональная схема радиогидроакустического буя на микроконтроллере:
1. Опускаемая часть:
1.1. Гидроакустическая антенна (гидрофон);
1.2. Предварительный усилитель.
2. Поплавковая часть:
2.1. Триггер Шмитта;
2.2. Микроконтроллер (МК):
2.2.1. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
2.2.2. Цифровой фильтр нижних частот (ФНЧ);
2.2.3. Память данных EEPROM.
2.3. Ethernet-адаптер;
2.4. Цифровое радиопередающее устройство (РПДУ);
2.5. Пусковой блок;
2.6. Блок питания;
2.7. Блок самоликвидации.
Все конструктивные элементы буя связаны между собой электрическими связями.
После установки буя его пусковой блок 2.5 поплавковой части 2 приводит в действие блок питания 2.6, с которого электропитание подается на блоки опускаемой и поплавковой частей.
Выход гидрофона 1.1 связан с входом предварительного усилителя 1.2 опускаемой части 1. Выход предварительного усилителя 1.2 связан с установочным входом триггера Шмитта 2.1 и аналоговым входом AN1 АЦП 2.2.1 микроконтроллера (МК) 2.2 поплавковой части 2. Выход триггера Шмитта 2.1 связан с входом RB0/CN4 микроконтроллера 2.2 поплавковой части 2, по которому организовано прерывание по перепаду напряжения. Отсчеты АЦП 2.2.1 после фильтрации при помощи цифрового ФНЧ 2.2.2 записываются в память данных EEPROM 2.23.
Результаты преобразования из памяти данных EEPROM МК 2.2 последовательным кодом с использованием интерфейса SPI передаются на вход SDI Ethernet-адаптера 2.3 поплавковой части 2, который упаковывает данные (результаты преобразований АЦП) в кадры Ethernet и передает их на вход цифрового радиопередающего устройства 2.4 поплавковой части 2. Цифровое РПДУ 2.4 передает сообщение через спутниковый канал связи на береговой центр. Ethernet-адаптер 2.3 связан с МК 2.2 поплавковой части 2 следующим образом: вход тактирования SCK соединен с выходом тактирования RC5(SCK) модуля SPI МК 2.2, вход SDI соединен с последовательным выходом данных RC4(SDO) модуля SPI МК 2.2, вход выбора микросхемы CS соединен с выходом RA0 параллельного порта portА МК 2.2, на котором программно формируется Лог. 0 для разрешения передачи (приема) сообщения. Последовательный выход данных SDO Ethernet-адаптера 2.3 поплавковой части 2 связан с последовательным входом данных SDI МК 2.2. По истечении времени работы буя микроконтроллер 2.2 поплавковой части 2 на выходе RA1 формирует сигнал на самоликвидацию буя, передаваемый в блок самоликвидации 2.7
На Фигуре 2 приведена принципиальная электрическая схема подключения микроконтроллера 2.2 поплавковой части 2 к Ethernet-адаптеру 2.3. Данная схема используется для моделирования работы интерфейса сопряжения микроконтроллера и Ethernet-адатера в программе Proteus.В состав схемы входят:
U1 - микроконтроллер dsPIC33FJ32GP204;
U2 - Ethernet-адатер ENC28J60;
U3 - АЦП LTC1864;
U4:А - триггер Шмитта 74LS14;
U4 - логический элемент НЕ;
R1, R2 - резисторы 1К;
D1, D2 - светодиоды.
Все элементы схемы соединены электрическими связями.
Напряжение на выходе предварительного усилителя буя, пропорциональное уровню шума, имитируется при помощи двух генераторов. Первый генератор - «Море», второй - «Цель». Генераторы подключаются к установочному входу 1 триггера Шмитта U3:A переключателями. Начальное состояние триггера - нулевое. Когда подключен только генератор «Море», состояние триггера не изменяется. При подключении дополнительно генератора «Цель», напряжение на входе 1 триггера U3: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 U4 и на входе CN4 микроконтроллера U1 сформируется положительный перепад напряжения, являющийся запросом на прерывание. Запустится программа-обработчик прерывания, которая инициализирует запись отсчетов АЦП МК U1 в память данных EEPROM («Программа управления радиогидроакустическим буем на микроконтроллере». Свидетельство о регистрации №2017613161, дата государственной регистрации в реестре программ для ЭВМ 13.03.2017 г.). Из EEPROM МК U1 отсчеты АЦП через интерфейс SPI передаются на вход SI Ethernet-адатера.
На Фигуре 3 приведен алгоритм работы радиогидроакустического буя на микроконтроллере. Алгоритм включает следующие блоки:
Блок 1 - Начало алгоритма;
Блок 2 - Проверка условия «Уровень напряжения на выходе предварительного усилителя превышает пороговый уровень?»;
ВЫХ
nop
Блок 3 - Запуск таймера счетчика для измерения интервала времени Т, в течении которого выполняется условие «U>U»;
Блок 4 - Запись отсчетов АЦП в память EEPROM микроконтроллера;
Блок 5 - Проверка условия Т<10 с;
ВЫХ
nop
Блок 6 - Проверка условия U>U;
Блок 7 - Перевод РГБ в режим пониженного энергопотребления (SLEEP);
Блок 8 - Первичная классификация цели;
Блок 9 - Проверка условия «Цель - подводная лодка (ПЛ)?»;
Блок 10 - Передача отсчетов АЦП на вход Ethernet-адаптера;
Блок 11 - Проверка условия «Время работы РГБ истекло?»;
Блок 12 - Самоликвидация РГБ;
Блок 13 - Конец алгоритма.
Радиогидроакустический буй на микроконтроллере работает следующим образом:
Алгоритм работы радиогидроакустического буя на микроконтроллере представлен на Фигуре 3. До обнаружения цели буй находится в режиме пониженного энергопотребления (режим SLEEP). При обнаружении цели происходит передача записанных в память EEPROM МК 2.2 отсчетов АЦП 2.2.1 на вход Ethernet-адаптера 2.3 поплавковой части 2 Фигуры 1 (Фигура 3, Блок 10).
Работа микроконтроллера (МК) 2.2 поплавковой части 2 организована с использованием внешних прерываний, вызываемых изменением уровня напряжения на выводе CN4 микроконтроллера 2.2 («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 (_CNIE=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.
ВЫХ
nop
ВЫХ
nop
При отсутствии цели (U<U) РГБ находится в режиме пониженного энергопотребления (SLEEP). Когда напряжение на выходе гидрофона U превысит пороговое значение U, триггер Шмитта 2.1 поплавковой части 2 переключится в единичное состояние и на выводе CN4 МК 2.2 (Фигура 1) сформируется положительный перепад напряжения, что является сигналом внешнего прерывания. Произойдет переход к обработчику прерывания. Начнется запись последовательных отсчетов в память EEPROM МК (Фигура 3, Блок 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 (Фигура 3, Блок 7). Если сигнал от цели появится повторно, то снова будет включен режим «Запись» и запись отсчетов АЦП начнется с «нулевых» ячеек в память EEPROM МК. По истечению 10 секунд после начала записи будет выработан сигнал прерывания, который запустит обработчик, обеспечивающий первичную классификацию цели и проверку условия «Цель - ПЛ?». Если условие выполняется, то есть обнаруженная цель является подводной лодкой, происходит передача отсчетов АЦП на вход Ethernet-адаптера. По истечении времени работы буя микроконтроллер выдает команду в блок самоликвидации на самоликвидацию буя (Фигура 3, Блок 12).
Технический результат полезной модели заключается в создании нового радиогидроакустического буя на микроконтроллере. Реализация поставленной задачи позволяет достичь следующий суммарный технический результат:
- повышение вероятности обнаружения цели путем расширения полосы пропускания буя с целью включения всех спектральных составляющих шума винтов современных ПЛ и устранение дрейфа характеристик ФНЧ;
- обеспечение связи с береговым центром путем оцифровки сигнала с выхода предварительного усилителя при помощи аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера, преобразования отсчетов в формат кадра Ethernet и передачи их на береговой центр через спутниковый канал связи.
Заявленное устройство промышленно применимо, так как при его изготовлении могут быть использованы распространенные устройства и компоненты, такие как:
- МК на интегральной микросхеме (ИМС) dsPIC33FJ32GP204;
- триггер Шмитта на ИМС 74LS14;
- Ethernet-адаптер на ИМС ENC28J60;
- цифровое РПДУ.