一種新型便攜式垂直魚探儀設計*

譚本軍, 宋 宇, 蘇 娟

(湖南大學 電氣與信息工程學院,湖南 長沙 410006)

0 引 言

魚探儀是一種把聲吶技術運用在漁業上的現代化設備,通過回波時間等參數定位魚的方位。垂直魚探儀即換能器垂直安裝,發射垂直向下的波束,從而探測設備下方的魚群分布情況。隨著經濟的飛速發展,魚探儀不僅僅在海洋漁業資源開發中收到重視,一種便攜式探魚儀也越來被廣泛應用到人們休閑娛樂垂釣之中。因此在追求高效精準的同時,也需要考慮探魚儀的便攜和經濟。

本文依據超聲波的工作原理,規劃了垂直魚探儀的基本發射模塊、接收模塊、由AA32416對數放大器等組成的信號處理模塊、主控模塊、由TP4056芯片設計的自動充電模塊、系統供電模塊以及液晶顯示模塊,設計出了便攜式的魚探儀設備,具有探魚、顯示、充電等功能。該魚探儀具有精確度高,經濟,便攜等優點,能夠充分滿足小型捕魚船以及垂釣愛好者的使用需求,并在實際生產生活中產生經濟效益。

1 魚探儀總體設計

本文通過主控模塊發射周期時長可調的脈寬調制(pulse width modulation,PWM)波,然后經由發射模塊后進行功率放大,從而驅動超聲波換能器進行魚群探測。聲波遇到物體之后,會產生回波,超聲波換能器接收到之后,由聲能信號轉換成電能信號,傳輸到接收模塊之后,將信號進行濾波之后進行下一步的處理,利用對數放大器,控制信號強度始終在適合測量的范圍內,從而使用主控中的模/數(A/D)轉換模塊進行最終的數據處理與顯示。另外,為了魚探儀的便攜化,本文采用一塊可充電鋰電池、充電芯片TP4056以及多個DC-DC電壓轉換芯片組成供電模塊,其中設計了自動充電模塊可以給鋰電池進行充電,鋰電池負責為整個電路提供電源,然后通過電源轉換電路為電路的各個部分提供合適的直流電壓。該系統的整體結構框圖如圖1所示。

圖1 系統整體結構框圖

2 硬件電路設計

本文設計的魚探儀由主控模塊、供電模塊、發射模塊、接收模塊、信號處理模塊、存儲模塊、顯示以及報警提示模塊等組成。下面將詳細分析一些重要模塊。

2.1 主控模塊的設計

微處理器是整個系統的核心部件,系統中采用ST公司的 STM32F103RBT6 作為主控制器,它的運行頻率高達72 MHz,內部具有128 kB的Flash和20 kB的SRAM。同時還集成了 USB 接口及3個USART接口[1]。主控模塊中除去STM32本身外,可以分為復位電路,晶振電路,溫度采集電路,由W25Q80組成的存儲電路,按鍵控制電路。其中按鍵模塊可以控制整個系統的開斷電,溫度采集模塊可以收集水底溫度狀況,存儲模塊用來保存魚群位置信息。

2.2 供電模塊

系統的供電模塊由充電電路和電壓轉換電路組成,充電電路采用一塊1 000 mAh的3.7 V可充電鋰電池、TP4056充電芯片組成,而電壓轉換電路由HT7233穩壓芯片組成,其中充電芯片負責給鋰電池充電,鋰電池負責為整個電路提供電源,電壓轉換芯片負責為電路的各個部分提供合適的直流電壓。

2.2.1 充電電路

TP4056可以使用USB電源和適配器電源工作,如圖2(a)的充電電路,該電路具有電池溫度檢測,欠壓閉鎖,自動再充電以及用LED狀態指示充電和結束。TEMP引腳連接R19的熱敏電阻器能夠進行電池溫度檢測,當TEMP管腳的電壓大于輸入電壓的80 %或者小于輸入電壓的45 %,意味著電池溫度過高或者過低,將自動停止充電,其中R1和R2的值要根據電池的溫度檢測范圍和熱敏電阻的阻值來確定。

當電池充電完成后,引腳6被內部開關拉至低電平,則D13綠燈亮,除此之外,引腳6將處于高阻狀態,同理,當開始充電時,則D12紅燈亮。如果電池電壓低于2.9 V,充電器用小電流對電池進行預充電,當超過2.9 V時,則采用恒流模式進行充電,充電電流由電阻器Rporg確定。

設置電阻阻值和充電電流采用下列公式來計算

Rporg=1 000/IBAT(誤差±10 %)

2.2.2 電壓轉換電路

電壓轉換電路以HT7233穩壓芯片為核心組成。由于鋰電池提供的電壓為3.7 V,而STM32的理想工作電壓為3.3 V左右[2]。 因此，將3.7V的電壓經HT7233穩壓芯片調節后輸出3.3 V,并通過穩壓電路為STM32引腳VREF+和VDDA提供模擬參考電壓。如圖2(b)電壓轉換電路所示,該電路還設計了按鍵電源控制和主控軟件電源控制,由此來控制整個系統的開關機。在系統未開機和電源按鍵未長按下時,Q18和Q19都為截止狀態,當長按電源按鍵,則BUTTON_PWR_CTRL端口被拉至低電平,則D14導通從而Q19的基級為低電平,而Q19的射級又連接鋰電池提供的VCC_BAT高電平,由PNP三極管特性可知,此時Q19導通,因此HT7233穩壓芯片開始工作。同理,通過程序設計可以設置MUC_PWR_CTRL端口的電平,從而控制該部分電路的運作狀態。

圖2 系統供電電路

2.3 發射模塊

發射模塊作用是將STM32信號源發出的信號進行功率放大,產生高頻脈沖電壓,從而驅動超聲波換能器,使電能轉換為聲能輻射到水介質中[3]。頻率影響換能器的傳播損失、噪聲級、方向性指數和目標強度等,綜合以上因素,采用200 kHz的工作頻率較佳[4]。由于換能器需輸入電壓為100 V以上,從而使得發射強度能夠達到210～240 dB,此時能夠使回波信噪比較大,提高探測準確性[5]。如圖3發射模塊電路所示,主控芯片STM32的PWM輸出引腳與圖中MCU_PWM_OUT端口連接,由74HC04芯片中兩個反相器設計的電路可以增加輸出驅動能力,因此芯片輸出的3.3 V信號可以控制高頻MOS管NTP18N06的截止和導通。由MOS管截止和導通狀態可以通過VCC_BAT對C7進行充放電,C7放電時即提供了發射時所需能量,經過變壓器放大之后可以達到130 V,然后通過TRANS端口輸出進行驅動超聲波換能器。其中D10和D11二極管有續流功能,起到保護變壓器的作用[6]。

圖3 發射模塊電路

2.4 接收處理模塊

接收處理模塊在魚探儀中有接收和處理微弱超聲波回波信號的功能。該部分包括初級放大電路、帶通濾波電路、后級處理電路。

2.4.1 初級放大電路

團督察組每批次均督導檢查，定時發布督導檢查情況通報，有效推動“民族團結一家親”結親周群眾工作和“兩個全覆蓋”活動的正常開展，達到100%全覆蓋。無臨時安排，應付檢查情況，沒有晚上入住，凌晨離開，未出現工作開展不徹底、打亂仗的問題，更沒有出現結親干部將農戶變成住團場、住賓館、假住戶，未出現今天來明天走、代替住戶、代替記錄、弄虛作假、欺上瞞下等問題。

初級放大電路由隔離電路和單調諧放大電路組成。由于換能器處于收發一體的工作模式,即發射和接收信號都將通過TRANS端口進入換能器,因此聲波發射后會在換能器兩段產生高電壓,所以需要進行電壓隔離。如圖4所示,采用具有鉗位作用的BAV99芯片組成隔離電路,其內部為兩個反向并聯的二極管構成,處于發射模式時則通過BAV99對地放電,處于接受模式時,由于回波信號微弱,則該芯片處于斷路狀態,回波小信號進入后續電路進行放大接收。初級放大采用由一個三極管和自耦變壓器組成的單調諧放大電路。C47為限流電容器,保護調諧放大回路,R58,R59和R77組成分壓式射級偏置電路,利用直流負反饋穩定電路的靜態工作點Q,T3的初級線圈與C56組成LC并聯諧振回路,作為共射放大電路的負載,并起到選頻的作用[7,8]。

圖4 初級放大電路

2.4.2 帶通濾波電路

帶通濾波器電路由運放構成,其中心頻率f0為

如圖5所示,當R0,R1阻值為3.3 kΩ,R2為38 kΩ,C1和C2為100 pF時,中心頻率約為200 kHz,電壓的最大增益為5.76,帶寬為83.8 kHz[9]。因此，該濾波器可以濾除200kHz的超聲波回波信號之外的其他干擾信號。

圖5 帶通濾波電路

2.4.3 后級處理電路

由于換能器接收的電壓信號幅度變化很大,一般從幾微伏到幾毫伏不等。線性放大器處理時要么會出現信號放大不足,要么出現削峰失真。為了使輸出電壓范圍與STM32主控芯片的模/數轉換范圍相匹配,設計了對數放大器,對信號實現精確的對數變換,使得輸出信號始終在合適的范圍之內[10]。如圖6所示,本文使用AA32416一種新型解調對數放大器實現設計,該芯片具有高靈敏度,高攔截點,良好溫度特性等優點,并且具有高靈敏度的內置噪聲檢測電路和接收信號強度指示(received signal strength indication,RSSI)功能,因此可以調節接收信道的增益,從而加大信噪比,降低誤碼率。高頻信號經過AA32416對數放大器處理之后,將輸出最大幅度約為1.4 V,頻率為1 000 Hz左右的信號,能夠有效地滿足STM32的AD處理范圍。

圖6 對數放大器電路

3 軟件設計

圖7 軟件總體設計流程

主程序主要流程是：首先在長按電源按鍵開關開機,之后對系統的主芯片、外圍電路等完成初始化,其次進行程序初始化,接下來執行信號發射,信號接收和查詢判斷和顯示指示任務。

在實際使用過程中,對于魚體信號的分析判別,由于水底情況復雜,會產生各種雜波信號,會對魚體信號的判別產生影響,產生錯誤判斷的結果。所以,在實際判斷過程中,首先判斷回波信號中魚體信號是否能持續100 μs以上,然后在第一次接收到魚體信號后,會在接下來的一個周期內,繼續發射PWM波形,如果第二次和第三次依然判斷為有魚體信號,則主控程序會確認有魚,向LCD12864液晶屏傳輸有魚的顯示信息并且蜂鳴器響提示有魚。

4 實驗結果

實驗在2.3 m深的小湖中進行,用網兜住幾條25 cm左右的活魚,繩子拉住放入水中并控制深度,然后使用本文設計的魚探儀進行測試,測試的信號由示波器測得顯示。如圖8 (a)所示,首先由主控芯片STM32發射出的200 kHz的PWM方波。圖8(b)中,PWM波然后經由發射模塊進行放大從而驅動超聲波波換能器,其最高電壓已經達到130 V。圖8(c)為換能器接收到的原始信號。

超聲波換能器接收到回波信號后,經由AA32416對數放大器轉換后顯示相應信號強度[11]。一般情況下,魚體的目標強度大小約為-60～-20 dB,由AA32416的數據手冊查詢電壓值對應的能量值,AA32416芯片在3.3 V的工作電壓下,經轉換后該能量對應的電壓值大小約為0.8～1.0 V。圖8(d),(e)為經過接收電路處理放大后的波形指示信號,由圖中顯示可知,圖(d)有2個幅值較大的波峰,圖(e)有3個幅值較大的波峰, 分別為無魚和有魚的信號的指示。由于設計了隔離電路能夠是的魚探儀處于收發一體的模式,所以如圖(e)所示,第一個波峰為發射信號經由接收電路的顯示,而第二個波峰處于0.8～1.0 V之間,且持續時間大于100 μs,即為魚群的回波指示信號,第三個波峰為湖底的回波指示信號。其中,由圖中的波峰顯示,可以計算出發射波和魚群回波之間的時間間隔,通常超聲波在水底的速度取1 450 m/s。因此,魚群距離通過L(m)=Vt進行計算。

圖8 實驗測試波形

5 結束語

本文設計了一種基于AA32416對數放大器的便攜式垂直魚探儀,設計了良好的供電功能,擺脫了傳統魚探儀體積龐大、價格昂貴的缺點,便于攜帶,且能夠實現水底魚群信息的實時顯示,方便小型捕魚船和垂釣愛好者的日常使用,大大提高了捕魚作業的效率和準確度。此外,設計的魚探儀基本電路結構簡易,使用的元器件價格較低,在實際制造過程中,大大降低了魚探儀的生產成本,提高了魚探儀的經濟效益,在實際生產生活中投入使用,能夠大大提高捕魚作業的準確度和生產效率。