CN105072303B - 一种海洋数据与电能混合传输通讯用调制解调器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种海洋数据与电能混合传输通讯用调制解调器，包括电源单元、传输单元、控制单元；所述电源单元连接传输单元和控制单元，用于为传输单元和控制单元提供电能；所述传输单元用于完成指令和数据的调制解调和数据与电能信号的隔离与混合；所述控制单元控制传输单元的发送接收状态和调制解调器与外部系统通信的功能。本发明可在深海中混合传输高压电能500V、10A与数据指令信号；提高传输电能效率至85％以上；降低传输数据误码率至万分之一以下；实现封装、独立、可移植的传输；方便安装更换。

Description

一种海洋数据与电能混合传输通讯用调制解调器

技术领域

本发明属于海洋环境监测技术领域，涉及一种能够与各种海洋环境监测设备通信的仪器，特别是一种可在深海环境中使用的数据与电能混合传输通讯用调制解调器。

背景技术

随着海洋事业的不断发展，以及国家对海底观测网建设的需求日益增加，在海洋深处或者是海底铺设观测网络，布设各类型监测用传感器等，这些传感器或测量设备均需要电能来驱动，单靠电池是不能维持设备长期工作的，因此就要应用一定的传输方式将电能传输到水下，尤其是在深海中进行电能传输，与此同时，还需各个监测点所监测到的数据信息回传到陆地上。而在海洋中的通讯，由于环境和通信信道的特殊性，不能使用陆地上传统的无线电通讯模式。基于此，就要开发一种适用于海洋，特别是深海海洋中数据和电能信号混合传输的通讯仪器。

现阶段海洋中使用的通讯手段主要有水声通讯技术、激光通讯技术、电磁耦合技术、感应耦合传输技术，其主要应用在对水下目标进行定位导航和通信，有着低功耗、抗干扰能力强、低功耗等优点。但这几种通讯模式最大的制约是不能进行电能和信号的混合传输，尤其是无法传输高压电能，不能长期工作，不适用于带有大功率设备的场合使用。目前海洋中为了实现数据和电能混合传输功能，都是应用铠装同轴电缆来完成，其除了能够承担上下传输数据、指令、电能外，还承担着整个设备的承重。这种单芯铠装同轴电缆传输操作简单，易于维护，广泛应用于深海调查和取样设备中。

当前已有的电缆传输技术是将传输信号与电能混合，通过单芯铠装电缆将电能供给水下用电设备，同时将水上控制信号发送给水下，同时将水下数据和相应工作状态信息回传到水上。使用目前的方法进行电能和数据混合传输时，最大传输电压只有300V、电流4A，再加上传输过程中的损耗，实际到达水下只剩不到800W的功率，只能驱动一些类似于照明设备、采水器、温盐深传感器等小功率仪器，而一些大型设备如声学多普勒学流速剖面仪、海流计等，均需要几千瓦的能量，这样已有的传输技术就成为深海探测技术发展的瓶颈，扼制了我们对海洋深处的探索。目前在传输电能同时传输数据，其电能传输效率仅能达到75％，数据信号准确度千分之一，这样的效果对于大用电设备、大数据量快速通信已经不再适用，因此必须在提高其电能传输效率的同时减小传输误码率。同时，已有技术的传输环节与电源、采集等环节不能独立，在发生故障时无法快速判定故障节点，更换设备时须将整体完全拆除，维修成本过高。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种可在深海中传输；可混合传输高压电能500V、10A与数据指令信号；提高传输电能效率至85％以上；降低传输数据误码率至万分之一以下；实现封装、独立、可移植的传输；方便安装更换的海洋用数据与电能混合传输通讯用调制解调仪器，解决了目前海洋中数据与电能混合传输发展中存在的传输电压不高、传输电流过小、传输电能效率低、传输数据可靠性不高、传输环节独立性差、移植能力和集成度低等问题。

为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：

一种海洋数据与电能混合传输通讯用调制解调器，包括电源单元、传输单元、控制单元；

所述电源单元包括电源电路，所述电源单元连接传输单元和控制单元，用于为传输单元和控制单元提供电能；

所述传输单元包括调制解调电路，用于完成指令和数据的调制解调；还包括小型变压器，用于数据与电能信号的隔离与混合；

所述控制单元包括主控电路，控制传输单元的发送接收状态，同时将调制解调的数据通过串口与外部系统相连，完成调制解调器与外部系统通信的功能。

进一步的，所述电源电路包括3.3V、5V、-5V三种，所述三种电源电路都应用LDO电源芯片。

进一步的，所述调制解调电路包括调制电路与解调电路；所述调制电路的触发器、异或门完成调制，功率放大电路完成调制信号的放大，滤波电路滤除调制信号过程中引入的干扰；所述解调电路的带通滤波、交直流滤波电路滤除调制后的信号在传输过程中引入的噪声，移位寄存器完成信号的解调，最后对解调后的数据信号进行放大和滤波，得出完整数据信号。

更进一步的，所述调制解调电路还包括：开关电路完成调制与解调的切换；晶振为主控电路提供时钟信号；主控电路作为控制核心，完成数据收发转换、传输速率切换，同时为分频芯片提供时钟；两种分频电路分别为调制电路和解调电路提供时钟信号。

更进一步的，所述主控电路控制传输单元应用分频段的方式分别处理高压直流电和数据信号，根据传输速度将0-20KHz低频段分配给数据和信号的调制解调信号，将35KHz以上高频段分配给直流电信号，并在高频分频段采用低通滤波电路滤除电源纹波，以防止纹波乱码干扰正常数据传输，在低频段采用滤波、放大电路处理正确数据信号。

进一步的，所述小型变压器分为信号回路绕组和主回路绕组，所述信号回路绕组连接所述调制解调电路的开关电路，所述主回路绕组连接高压直流电和单芯铠装同轴电缆。

进一步的，所述控制单元还包括校验、判断程序，对杂波和乱码进行软件滤波。

优选的，整体结构由壳体、传输电路板、控制电路板组成；所述传输单元和电源单元位于传输电路板上，所述控制单元位于控制电路板上，所述壳体设有三个航空插头，分别与传输单元、电源单元、控制单元相连接，作为传输高压电能、低压电源信号、数据指令的接口。

优选的，所述传输电路板和控制电路板放置于壳体内可抽插的槽中；所述传输电路板和控制电路板用接插件对插连接。

优选的，所述壳体分为方便拆装的上下两半部分。

相对于现有技术，本发明所述的海洋数据与电能混合传输通讯用调制解调器具有以下优势：

(1)使用易于拆装的壳体结构和对插的电路板连接方式，将传输环节独立于其他部分而存在，更方便故障判断和维修；

(2)应用效率高达96％的LDO电源芯片完成三种电源电路，每个电源电路的通断均可由主控单元控制，实现低功耗、高效传输电源，三种电源均由外部输入，各电源独立，互不干扰；

(3)通过变压器完成数据与电能信号的混合传输，这种特殊的小型变压器和工作模式可实现500V，10A耐压，85％以上的电能传输效率；

(4)传输单元在高频分频段采用低通滤波电路滤除电源纹波，以防止纹波乱码干扰正常数据传输，在低频段采用滤波、放大等方式处理正确数据信号，这种分频段传输的方式大大提高传输准确度，使得传输误码率达到万分之一；

(5)控制单元加入软件滤波环节后，传输误码率降低至万分之一以下。

综上所述，通过本发明数据与电能混合传输通讯用调制解调器的设计，实现了500V高压电能和数据的混合传输；提高了电能传输的效率；保证了数据传输的可靠性；传输环节可独立、可封装、可移植；简化了维修过程，更方便在深海环境中实现数据与电能混合传输。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明的外部整体结构示意图；

图2为本发明的航插的结构示意图；

图3为本发明的电路结构示意图；

图4为本发明的三种电源电路示意图；

图5为本发明的小型变压器的示意图；

图6为本发明的小型变压器与信号回路、主回路接线方式示意图；、

图7为本发明的控制单元控制传输单元接收数据并发送的流程示意图。

1-壳体上半部分；2-壳体下半部分；3-传输电路板；4-控制电路板；

5-接插件；6-定位孔；7-两芯航插；8-三芯航插；9-三芯航插；

11-水上部分变压器的信号回路绕组；

12-水上部分变压器的主回路绕组；

13-水下部分变压器的信号回路绕组；

14-水下部分变压器的主回路绕组；

15-单芯铠装同轴电缆的芯线；16-单芯铠装同轴电缆的线皮；

T1-水上部分变压器；T2-水下部分变压器。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明的整体结构由壳体、传输电路板、控制电路板以及接插件组成，如图1、2所示，其中，壳体由可分开的上下两半部分组成，不仅可以达到很好的屏蔽效果还能方便拆装；传输电路板3和控制电路板4放置于壳体内可抽插的槽中，便于固定和拆装；两电路板用长针接插件5对插连接，可自由对接和分开，大大提高电路集成度并方便调试与安装；壳体侧面挡板安装后，在定位孔6处用螺丝固定，更好的起到了隔离和抗干扰的作用；壳体挡板处安装有三个航空插头，分别与传输单元、电源单元、控制单元相连接，作为传输高压电能、低压电源信号、数据指令的接口。这种易于拆装的壳体结构和对插的电路板连接方式，将传输环节独立于其他部分而存在，更方便故障判断和维修。

本发明涉及的海洋数据与电能混合传输通讯用调制解调器的电路部分分列于传输电路板、控制电路板两块电路板上，其电路结构如图3所示，传输单元和电源单元，位于传输电路板上，控制单元，位于控制电路板上。

电路的主要技术方案如下：

①电源单元，用于为传输单元和控制单元提供电能，所述电源单元包括3.3V、5V、-5V三种电源电路。

应用效率高达96％的LDO电源芯片完成三种电源电路，每个电源电路的通断均可由主控单元控制，实现低功耗、高效传输电源。三种电源电路如图4所示，Vin为输入；R2、R3、R4、R8完成分压，用以输出不同电压信号；C1、C2、C3、C7、C9、C10、C18、C17、C19、L1、L2完成滤波。三种电源均由外部输入，各电源独立，互不干扰。

②传输单元，用于完成指令和数据的调制解调，以及数据与电能信号的隔离与混合。

所述调制解调包括如下内容，开关电路完成调制与解调的切换；晶振为主控电路提供时钟信号；主控电路作为控制核心，完成数据收发转换、传输速率切换，同时为分频芯片提供时钟；两种分频电路分别为调制和解调电路提供时钟信号；调制电路的触发器、异或门完成调制，功率放大电路完成调制信号的放大；滤波电路滤除调制信号过程中引入的干扰；解调电路的带通滤波、交直流滤波电路滤除调制后的信号在传输过程中引入的噪声，移位寄存器完成信号的解调，最后对解调后的数据信号进行放大和滤波，得出完整数据信号。

所述数据与电能信号隔离与混合是应用小型变压器来实现的。小型变压器如图5所示。a1-a3为信号回路绕组，a5-a8为主回路绕组，其中a1、a8为同名端，信号回路是指调制解调器，主回路是指高压直流电信号。信号回路绕组接入传输电路，绕制0.25mm漆包线，可传输10V，200mA数据信号；主回路绕组接入高压直流电，绕制0.85mm的漆包线，可耐500V，10A直流电压。小型变压器与信号回路与主回路接线方式如图6所示，分为水上和水下两部分，工作方式如下：水上部分变压器T1的信号回路绕组11，接入调制解调器，将调制信号通过T1感应到主回路绕组12上，主回路绕组12接高压直流电500V，另一端a5接入单芯铠装同轴电缆的芯线15；高压直流电的地线接入单芯铠装同轴电缆的线皮16；水下部分通过T2将调制信号感应到信号回路绕组13上，接入调制解调器进行解调，主回路绕组14的另一端a5将高压直流电送入后续用电设备。基于以上流程通过变压器完成数据与电能信号的混合传输。这种特殊的小型变压器和工作模式可实现500V，10A耐压，85％以上的电能传输效率。

在传输单元由于高压直流电高频纹波的存在，应用分频段的方式分别处理高压直流电和数据信号。根据传输速度将0-20KHz低频段分配给数据和信号的调制解调；将35KHz以上高频段分配给直流电信号。在高频分频段采用低通滤波电路滤除电源纹波，以防止纹波乱码干扰正常数据传输，在低频段采用滤波、放大等方式处理正确数据信号。这种分频段传输的方式大大提高了传输准确度，使得传输误码率达到万分之一。

③控制单元，用于将调制解调后的指令和数据与外部对接。主控部分作为控制核心，控制传输单元的发送接收状态，同时将调制解调的数据通过串口与外部系统相连，完成调制解调器与外部系统通信的功能。

控制单元完成调制解调后的指令和数据与上下位机的对接；晶振为主控电路提供时钟信号；主控电路作为控制核心，控制传输单元开关，实现发送接收状态的切换；主控电路加入相应的校验、判断程序，对传输单元在切换、长距离传输环节引入的噪声乱码进行软件滤波；串口电平转换对传输指令进行RS232转换，以便于上位机识别接收；串口电平转换对传输数据进行UART转换，以便于下位机识别接收。

由于传输单元在切换等环节存在有数据乱码，因此在控制部分加入相应的校验、判断程序，对杂波和乱码进行软件滤波。

如图7所示，控制单元控制传输单元接收单芯电缆数据并发送的流程如下：

1)上电,初始化；

2)等待单芯电缆上数据；

3)接收到数据帧头，进行步骤4)；

4)清空缓存，重新为该帧数据建立缓存；

5)是否再次收到数据帧头(且无强制接受标志)，是则返回上一步，否则进行步骤6)；

6)是否收到数据帧尾，否则接收该帧数据并写入缓存，返回上一步骤，是则进行步骤7)；

7)对接收完的该帧数据进行CRC校验是否通过，否则返回步骤2)，是则进行步骤8)；

8)将接收到的整帧数据在延时后发送给上位机。

如图7所示，控制单元控制传输单元接收上位机数据并发送的流程如下：

1)上电,初始化；

2)等待上位机数据；

3)接收完上位机数据，进行步骤4)；

4)将该数据添加CRC校验并打包；

5)设为发送状态并延时一段时间；

6)发送该包数据；

7)延时一段时间后设为接收状态，并返回步骤2)。

加入上述软件滤波环节后，极大提高了传输准确度，传输误码率降低至万分之一以下。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种海洋数据与电能混合传输通讯用调制解调器，其特征在于：包括电源单元、传输单元、控制单元；

所述电源单元包括电源电路，所述电源单元连接传输单元和控制单元，用于为传输单元和控制单元提供电能；

所述传输单元包括调制解调电路，用于完成指令和数据的调制解调；还包括小型变压器，用于数据与电能信号的隔离与混合；

所述控制单元包括主控电路，控制传输单元的发送接收状态，同时将调制解调的数据通过串口与外部系统相连，完成调制解调器与外部系统通信的功能；

所述主控电路控制传输单元应用分频段的方式分别处理高压直流电和数据信号，根据传输速度将0-20KHz低频段分配给数据和信号的调制解调信号，将35KHz以上高频段分配给直流电信号，并在高频分频段采用低通滤波电路滤除电源纹波，以防止纹波乱码干扰正常数据传输，在低频段采用滤波、放大电路处理正确数据信号。

2.根据权利要求1所述的一种海洋数据与电能混合传输通讯用调制解调器，其特征在于：所述电源电路包括3.3V、5V、-5V三种，所述三种电源电路都应用LDO电源芯片。

3.根据权利要求1所述的一种海洋数据与电能混合传输通讯用调制解调器，其特征在于：所述调制解调电路包括调制电路与解调电路；所述调制电路的触发器、异或门完成调制，功率放大电路完成调制信号的放大，滤波电路滤除调制信号过程中引入的干扰；所述解调电路的带通滤波、交直流滤波电路滤除调制后的信号在传输过程中引入的噪声，移位寄存器完成信号的解调，最后对解调后的数据信号进行放大和滤波，得出完整数据信号。

4.根据权利要求3所述的一种海洋数据与电能混合传输通讯用调制解调器，其特征在于：所述调制解调电路还包括：开关电路完成调制与解调的切换；晶振为主控电路提供时钟信号；主控电路作为控制核心，完成数据收发转换、传输速率切换，同时为分频芯片提供时钟；两种分频电路分别为调制电路和解调电路提供时钟信号。

5.根据权利要求1所述的一种海洋数据与电能混合传输通讯用调制解调器，其特征在于：所述小型变压器分为信号回路绕组和主回路绕组，所述信号回路绕组连接所述调制解调电路的开关电路，所述主回路绕组连接高压直流电和单芯铠装同轴电缆。

6.根据权利要求1所述的一种海洋数据与电能混合传输通讯用调制解调器，其特征在于：所述控制单元还包括校验、判断程序，对杂波和乱码进行软件滤波。

7.根据权利要求1至6任一项所述的一种海洋数据与电能混合传输通讯用调制解调器，其特征在于：整体结构由壳体、传输电路板、控制电路板组成；所述传输单元和电源单元位于传输电路板上，所述控制单元位于控制电路板上，所述壳体设有三个航空插头，分别与传输单元、电源单元、控制单元相连接，作为传输高压电能、低压电源信号、数据指令的接口。

8.根据权利要求7所述的一种海洋数据与电能混合传输通讯用调制解调器，其特征在于：所述传输电路板和控制电路板放置于壳体内可抽插的槽中；所述传输电路板和控制电路板用接插件对插连接。

9.根据权利要求8所述的一种海洋数据与电能混合传输通讯用调制解调器，其特征在于：所述壳体分为方便拆装的上下两半部分。