專利名稱：一種水下聲納發(fā)射機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及水聲工程領域，特別涉及一種水下聲納發(fā)射機。
背景技術：
在海洋聲學探測及水聲通信領域中，發(fā)射機系統(tǒng)是不可或缺的。傳統(tǒng)的水下發(fā) 射機大多存在功能較簡單和可靠性差這兩個缺點水下發(fā)射機受體積限制，功能較 單一，需外部信號源，且缺乏充足的保護措施，使用有著諸多不便。傳統(tǒng)的功率放 大器的控制中心大多采用簡單的邏輯電路或者由微控制器(MCU)或數(shù)字信號處理 器(DSP)等通用處理器組成。前者的缺點是功能簡單，無法實現(xiàn)完善的系統(tǒng)監(jiān)控而 導致整機可靠性差；后者的缺點是通用處理器以運行程序的方式工作，在發(fā)射機內 的惡劣電磁環(huán)境下很難避免死機或程序跑飛的現(xiàn)象。大功率、高電壓的工作方式和 惡劣的電磁環(huán)境使得發(fā)射機的功率器件容易損壞，監(jiān)控系統(tǒng)失靈，這使得發(fā)射機往 往成為整個聲納系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié)。

發(fā)明內容
為了克服上述現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提供了一種水下聲納發(fā)射機，本發(fā)明具 有任意波形產(chǎn)生，同步信號產(chǎn)生，上位機通信，設置存儲等功能，通過強大的控制 中心實現(xiàn)了發(fā)射機的豐富功能。利用完善的溫度、電流、電壓監(jiān)控裝置、可編程的 監(jiān)控策略管理以及自動功率控制功能實現(xiàn)了發(fā)射機工作狀態(tài)的全面監(jiān)控和智能管 理，從而克服了傳統(tǒng)發(fā)射機功能單一的缺點。同時，本發(fā)明的控制中心以高可靠性 的閃存結構的現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)為核心，大大增強了控制中心的可靠性， 使得對功率器件的監(jiān)控變得可靠。這樣在過流，超溫等狀態(tài)下，控制中心能夠及時 做出響應，因而使得發(fā)射機的可靠性大大增加，解決了傳統(tǒng)發(fā)射機可靠性差的缺點。
為了達到上述目的，本發(fā)明提供的一種水下聲納發(fā)射機，包括
一控制中心，用于產(chǎn)生待發(fā)射的信號，并將該信號送入隔離器；
一隔離器，用于將待發(fā)射的信號隔離后送入H橋驅動器；
一H橋驅動器，用于產(chǎn)生功率管的柵極驅動信號，并將該驅動信號送入功率場 效應管；
一功率場效應管，用于產(chǎn)生變壓器初級所需的大電流信號，并將其送入變壓器；一變壓器，用于將初級的低壓大電流信號轉換為高壓信號，并將該高壓信號送 入匹配網(wǎng)絡；
一匹配網(wǎng)絡，用于將高壓信號輸出給外部換能器轉換為聲能量； 所述控制中心以邏輯電路的形式集成于現(xiàn)場可編程門陣列中，控制中心所實現(xiàn) 功能是產(chǎn)生待發(fā)射的信號，將信號進行脈寬調制后送入功率管驅動器，以及完善的 溫度、電流監(jiān)控以及上位機通信、監(jiān)控策略管理等。所述控制中心包括 一信號產(chǎn)生器，用于產(chǎn)生待發(fā)射的信號。
一系統(tǒng)監(jiān)測器，用于對系統(tǒng)的電流、溫度進行監(jiān)控，并將監(jiān)控電流及溫度的信 息送入主控核心。
一主控核心，用于根據(jù)電流及溫度的信息對系統(tǒng)進行監(jiān)視與控制，并完成上位 機對系統(tǒng)制定的監(jiān)控策略。
FPGA的本質為綜合后的邏輯電路，而非運行程序，因此可靠性遠高于通用處理 器。為避免電源穩(wěn)定性差導致的FPGA內容丟失，本方案采用了 FLASH結構的 FPGA。
本發(fā)明提供的另一種水下發(fā)射機，其中，所述信號產(chǎn)生器包括 一同步器，用于產(chǎn)生或接受同步信號。同步器的功能是產(chǎn)生或接受同步信號， 這取決于其工作模式。當發(fā)射機工作于主模式時，同步器產(chǎn)生同步信號，用于控制 信號的產(chǎn)生與發(fā)射，同時將該信號輸出；當發(fā)射機工作于從模式時，同步器可接受 外部的同步信號。這樣就實現(xiàn)了發(fā)射機的級聯(lián)，即多個發(fā)射機可級聯(lián)在一起推動獨 立的換能器產(chǎn)生頻率、相位一致的聲信號。
一掃頻發(fā)生器，用于受同步器的同步觸發(fā)作用，產(chǎn)生可變的頻率控制字。 一波形產(chǎn)生器，用于根據(jù)頻率控制字，產(chǎn)生單頻或掃頻的數(shù)字任意波形。 一脈寬調制器，用于將數(shù)字任意波形調制為脈寬調制信號輸出。 本發(fā)明提供的另一種水下發(fā)射機，其中，所述波形產(chǎn)生器包括 一波形儲存器，用于存入用戶下載的任意波形，受頻率控制字的控制。 一相位累加器，用于將波形存儲器的內容按所需頻率尋址讀出。 本發(fā)明提供的另一種水下發(fā)射機，其中，所述脈寬調制器采用全數(shù)字的方法產(chǎn) 生移相脈寬調制信號，即接受內部產(chǎn)生的數(shù)字波形信號，使脈寬調制器的輸出為中 心頻率均為150KHz但互為反相且移相90度的兩個信號分別驅動左右兩個橋臂，在
變壓器端兩信號即可合成為300KHz的開關信號。采用移相式脈寬調制器的原因是 可降低功率場效應管的工作頻率。
本發(fā)明提供的另一種水下發(fā)射機，其中，所述系統(tǒng)監(jiān)測器包括一電流取樣器，與功率場效應管相連，由取樣電阻和比較器組成，其輸出為過 流的開關信號，該信號為開關量，在發(fā)生過流事件時有效，并通過光電耦合器進入 現(xiàn)場可編程門陣列的主控中心。
一溫度傳感器，用于監(jiān)測測溫點溫度的變化。
一斜率式模數(shù)轉換器(ADC)，由比較器和斜率計數(shù)器組成，用于將溫度傳感器 輸出的模擬量轉換為數(shù)字量，并輸入到現(xiàn)場可編程門陣列的主控中心。沒有使用專 用ADC的原因是溫度信息為緩變量且沒有很高的精度要求，且斜率式ADC具有較 強的抗干擾性。該部分將環(huán)境信息送入了FPGA內的主控核心，以實現(xiàn)系統(tǒng)控制。
本發(fā)明提供的另一種水下發(fā)射機，其中，所述主控核心通過上位機設置寄存器 表的方法對發(fā)射機進行監(jiān)視與控制。
本發(fā)明提供的另一種水下發(fā)射機，其中，所述寄存器包括掃頻起始頻率寄存 器、掃頻寬度寄存器、同步方式控制寄存器、輸出功率控制寄存器、系統(tǒng)監(jiān)控策略 寄存器。
本發(fā)明提供的另一種水下發(fā)射機，其中，所述主控核心通過査表以及數(shù)字濾波 的方法，將系統(tǒng)監(jiān)測器傳來的傳感器數(shù)據(jù)變換為具體的溫度值和電流值。
本發(fā)明提供的另一種水下發(fā)射機，其中，所述主控核心完成上位機在寄存器表 中制定的監(jiān)控策略，包括每個傳感器的多個門限值以及到達門限值后的動作，主控 核心將在滿足某種條件后執(zhí)行動作，如溫度超過某個門限后降低發(fā)射功率等。
本發(fā)明的優(yōu)點在于
1、 本發(fā)明提供的水下聲納發(fā)射機具有任意波形產(chǎn)生，同步信號產(chǎn)生，上位機通 信，設置存儲等功能，通過強大的控制中心實現(xiàn)了發(fā)射機的豐富功能。
2、 本發(fā)明提供的水下聲納發(fā)射機利用完善的溫度、電流、電壓監(jiān)控裝置、可編 程的監(jiān)控策略管理以及自動功率控制功能實現(xiàn)了發(fā)射機工作狀態(tài)的全面監(jiān)控和智能 管理，從而克服了傳統(tǒng)發(fā)射機功能單一的缺點。
3、 本發(fā)明提供的水下聲納發(fā)射機的控制中心以高可靠性的Flash結構的FPGA 為核心，大大增強了控制中心的可靠性，使得對功率器件的監(jiān)控變得可靠。這樣在 過流，超溫等狀態(tài)下，控制中心能夠及時做出響應，因而使得發(fā)射機的可靠性大大 增加，解決了傳統(tǒng)發(fā)射機可靠性差的缺點，同時具有體積小的優(yōu)點。


圖1是現(xiàn)有技術水下聲納發(fā)射機的結構圖；圖2是本發(fā)明實施例水下聲納發(fā)射機的控制中心結構圖； 圖3是本發(fā)明實施例水下聲納發(fā)射機的工程樣機結構圖。 附圖標識
l發(fā)射機主板 2變壓器和阻抗匹配電路板 3電源系統(tǒng) 4鋁制機架
具體實施例方式
下面結合一個具體的實施例及附圖對本發(fā)明進行詳細說明。 本實施例的水下聲納發(fā)射機由控制中心、功率管及驅動器、變壓器、阻抗匹配 網(wǎng)絡等組成。如圖1所示。其中，控制中心產(chǎn)生待發(fā)射的信號送入隔離器，再送入H 橋驅動器產(chǎn)生功率管的驅動信號驅動功率場效應管。后者將能量送入變壓器，轉換 為高壓，經(jīng)匹配網(wǎng)絡輸出給外部的換能器轉換為聲能量。整個過程由控制中心以及 電流取樣器、溫度傳感器進行監(jiān)控并負責和上位機的通信。
本發(fā)明的獨創(chuàng)性在于其強大可靠的控制中心。圖2為控制中心的邏輯結構框圖。 控制中心由同步器、掃描發(fā)生器、波形產(chǎn)生器、PWM調制器、主控核心、異步串口 通信器、數(shù)據(jù)ROM、斜率計數(shù)器以及比較器組成?？刂浦行乃鶎崿F(xiàn)功能是產(chǎn)生待發(fā) 射的信號，將信號進行PWM調制后送入功率管驅動器，以及完善的溫度、電流監(jiān) 控以及上位機通信、監(jiān)控策略管理等。
1、 控制中心的組成
傳統(tǒng)的功率放大器的控制中心大多采用簡單的邏輯電路或者由微控制器(MCU) 或數(shù)字信號處理器(DSP)等通用處理器組成。前者的缺點是功能簡單，無法實現(xiàn)完 善的系統(tǒng)監(jiān)控而導致整機可靠性差；后者的缺點是通用處理器以運行程序的方式工 作，在發(fā)射機內的惡劣電磁環(huán)境下很難避免死機或程序跑飛的現(xiàn)象。在本發(fā)明中， 除比較器以外整個控制中心均以邏輯電路的形式集成于現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA) 中。FPGA的本質為綜合后的邏輯電路，而非運行程序，因此可靠性遠高于GPP。 為避免電源穩(wěn)定性差導致的FPGA內容丟失，本方案采用了 FLASH結構的FPGA。
2、 信號產(chǎn)生器部分
信號產(chǎn)生部分由同步器、掃頻發(fā)生器、波形產(chǎn)生器以及PWM調制器組成。同 步器的功能是產(chǎn)生或接受同步信號，這取決于其工作模式。當發(fā)射機工作于主模式 時，同步器產(chǎn)生同步信號，用于控制信號的產(chǎn)生與發(fā)射，同時將該信號輸出；當發(fā) 射機工作于從模式時，同步器可接受外部的同步信號。這樣就實現(xiàn)了發(fā)射機的級聯(lián)， 即多個發(fā)射機可級聯(lián)在一起推動獨立的換能器產(chǎn)生頻率、相位一致的聲信號。
掃頻發(fā)生器和波形產(chǎn)生器的作用是產(chǎn)生可編程的掃頻 意波形。掃頻發(fā)生器受同步器的同步觸發(fā)作用，產(chǎn)生可變的頻率控制字。波形產(chǎn)生器由波形存儲器和相位 累加器組成，其中波形存儲器可以存入用戶下載的任意波形，受頻率控制字的控制， 波形產(chǎn)生器可產(chǎn)生單頻或掃頻的數(shù)字任意波形。
PWM調制器負責將波形產(chǎn)生器產(chǎn)生的數(shù)字任意波形調制為PWM信號輸出。本 方案采用全數(shù)字的方法產(chǎn)生移相PWM信號，即接受內部產(chǎn)生的數(shù)字波形信號，使 PWM調制器的輸出為中心頻率均為150KHz但互為反相且移相90度的兩個信號分 別驅動左右兩個橋臂，在變壓器端兩信號即可合成為300KHz的開關信號。
3、 系統(tǒng)監(jiān)測部分
系統(tǒng)監(jiān)測部分由電流取樣器、溫度傳感器、斜率計數(shù)器以及比較器組成。電流 取樣器由取樣電阻和比較器組成，其輸出為過流的開關信號，該信號將在發(fā)生過流 事件時有效，為開關量，通過光電耦合器進入FPGA，溫度傳感器為負溫度系數(shù)熱敏 電阻(NTC)，測溫點溫度的變化將導致其阻值的變化，其輸出為模擬量，不能直接 送入FPGA，因此進入由比較器和斜率計數(shù)器組成的斜率式ADC，從而轉換為數(shù)字 量。沒有使用專用ADC的原因是溫度信息為緩變量且沒有很高的精度要求，且斜率 式ADC具有較強的抗干擾性。該部分將環(huán)境信息送入了FPGA內的主控核心，以實 現(xiàn)系統(tǒng)控制。
4、 主控核心部分
主控核心部分由主控核心、異步串口通信器以及數(shù)據(jù)ROM實現(xiàn)。其中，主控核
心實現(xiàn)了以下功能
(1) 寄存器表上位機可以通過設置寄存器表的方法對發(fā)射機進行監(jiān)視和控制， 這些寄存器包括掃頻起始頻率寄存器、掃頻寬度寄存器、同步方式控制寄存器、輸 出功率控制寄存器、系統(tǒng)監(jiān)控策略寄存器等。
(2) 傳感器數(shù)據(jù)的獲取系統(tǒng)檢測部分傳來的傳感器數(shù)據(jù)具有一定的非線性以 及干擾，在這里通過查表以及數(shù)字濾波的方法變換為具體的溫度值和電流值。
(3) 策略監(jiān)控由上位機在寄存器表中制定監(jiān)控策略，包括每個傳感器的多個 門限值以及達到門限后的動作，主控核心將在滿足某種條件后執(zhí)行動作，如溫度超 過某個門限后降低發(fā)射功率等。
異步串口通信器為控制中心和上位機的接口，上位機可以通過該接口訪問寄存 器表以對發(fā)射機進行設置并獲得發(fā)射機的工作狀態(tài)。上位機還可通過該接口設置任 意波形發(fā)生器的波形表，以產(chǎn)生所需波形。上位機也可通知發(fā)射機將所有設置保存， 這是通過FPGA內的數(shù)據(jù)ROM實現(xiàn)的。發(fā)射機將在上電時將數(shù)據(jù)ROM的內容讀出 對整機進行配置。由以上說明可知，本發(fā)明具有任意波形產(chǎn)生，同步信號產(chǎn)生，上位機通信，設 置存儲等功能，通過強大的控制中心實現(xiàn)了發(fā)射機的豐富功能。利用完善的溫度、 電流、電壓監(jiān)控裝置、可編程的監(jiān)控策略管理以及自動功率控制功能實現(xiàn)了發(fā)射機 工作狀態(tài)的全面監(jiān)控和智能管理，從而克服了傳統(tǒng)發(fā)射機功能單一的缺點。同時， 本發(fā)明的控制中心以高可靠性的Flash結構的FPGA為核心，大大增強了控制中心的 可靠性，使得對功率器件的監(jiān)控變得可靠。這樣在過流，超溫等狀態(tài)下，控制中心 能夠及時做出響應，因而使得發(fā)射機的可靠性大大增加，解決了傳統(tǒng)發(fā)射機可靠性 差的缺點。
按照本發(fā)明所實施的工程樣機采用了緊湊的布局，如圖3所示。其中l(wèi)為發(fā)射 機主板，2為變壓器和阻抗匹配電路板，3為電源系統(tǒng)，4為鋁制機架。整個樣機放 置在直徑為200mm的不銹鋼罐體中。利用將所有功率器件貼裝在鋁制機架上，再將 鋁制機架緊貼在外殼上實現(xiàn)了散熱。經(jīng)測試表明，采用72V供電，工作在15 25KHz 的寬頻帶時，發(fā)射機具有1.52KVpp的峰值輸出電壓以及1.03KW的輸出有功功率。 配合寬帶發(fā)射換能器，本發(fā)明達到了 211.2dB的輸出聲源級。
本發(fā)明在使用時，只需使用計算機進行一次配置并保存即可在水下長期使用， 無須外部信號源以及監(jiān)控設備，簡化了聲納系統(tǒng)的組成結構，實現(xiàn)了很好的獨立性 和易用性。該樣機從制成今2年多時間，歷經(jīng)多次湖試和海試， 一直工作正常，說 明了本發(fā)明具有較高的可靠性。
權利要求
1、一種水下聲納發(fā)射機，包括一控制中心，用于產(chǎn)生待發(fā)射的信號，并將該信號送入隔離器；一隔離器，用于將待發(fā)射的信號隔離后送入H橋驅動器；一H橋驅動器，用于產(chǎn)生功率管的柵極驅動信號，并將該驅動信號送入功率場效應管；一功率場效應管，用于產(chǎn)生變壓器初級所需的大電流信號，并將其送入變壓器；一變壓器，用于將初級的低壓大電流信號轉換為高壓信號，并將該高壓信號送入匹配網(wǎng)絡；一匹配網(wǎng)絡，用于將高壓信號輸出給外部換能器轉換為聲能量；其特征在于，所述控制中心以邏輯電路的形式集成于現(xiàn)場可編程門陣列中，包括一信號產(chǎn)生器，用于產(chǎn)生待發(fā)射的信號；一系統(tǒng)監(jiān)測器，用于對系統(tǒng)的電流、溫度進行監(jiān)控，并將監(jiān)控電流及溫度的信息送入主控核心；和一主控核心，用于根據(jù)電流及溫度的信息對系統(tǒng)進行監(jiān)視與控制，并完成上位機對系統(tǒng)制定的監(jiān)控策略。
2、 根據(jù)權利要求1所述的水下聲納發(fā)射機，其特征在于，所述信號產(chǎn)生器包括 一同步器，用于產(chǎn)生或接受同步信號；一掃頻發(fā)生器，用于受同步器的同步觸發(fā)作用，產(chǎn)生可變的頻率控制字； 一波形產(chǎn)生器，用于根據(jù)頻率控制字，產(chǎn)生單頻或掃頻的數(shù)字任意波形；和 一脈寬調制器，用于將數(shù)字任意波形調制為脈寬調制信號輸出。
3、 根據(jù)權利要求2所述的水下聲納發(fā)射機，其特征在于，所述波形產(chǎn)生器包括 一波形儲存器，用于存入用戶下載的任意波形，受頻率控制字的控制；和 一相位累加器，用于將波形存儲器的內容按所需頻率尋址讀出。
4、 根據(jù)權利要求2所述的水下聲納發(fā)射機，其特征在于，所述脈寬調制器采用 全數(shù)字的方法產(chǎn)生移相脈寬調制信號。
5、 根據(jù)權利要求1所述的水下聲納發(fā)射機，其特征在于，所述系統(tǒng)監(jiān)測器包括 一電流取樣器，與功率場效應管相連，由取樣電阻和比較器組成，其輸出為過流的開關信號，該信號為開關量，在發(fā)生過流事件時有效，并通過光電耦合器進入 現(xiàn)場可編程門陣列的主控中心；一溫度傳感器，用于監(jiān)測測溫點溫度的變化；和一模數(shù)轉換器，用于將溫度傳感器輸出的模擬量轉換為數(shù)字量，并輸入到現(xiàn)場 可編程門陣列的主控中心。
6、 根據(jù)權利要求1所述的水下聲納發(fā)射機，其特征在于，所述主控核心通過上 位機設置寄存器表的方法對發(fā)射機進行監(jiān)視與控制。
7、 根據(jù)權利要求6所述的水下聲納發(fā)射機，其特征在于，所述寄存器包括掃 頻起始頻率寄存器、掃頻寬度寄存器、同步方式控制寄存器、輸出功率控制寄存器、 系統(tǒng)監(jiān)控策略寄存器。
8、 根據(jù)權利要求1所述的水下聲納發(fā)射機，其特征在于，所述主控核心通過査 表以及數(shù)字濾波的方法，將系統(tǒng)監(jiān)測器傳來的傳感器數(shù)據(jù)變換為具體的溫度值和電 流值。
9、 根據(jù)權利要求1所述的水下聲納發(fā)射機，其特征在于，所述主控核心完成上 位機在寄存器表中制定的監(jiān)控策略，包括每個傳感器的多個門限值以及到達門限值 后的動作。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種水下聲納發(fā)射機，包括控制中心、隔離器、H橋驅動器、功率場效應管、變壓器、匹配網(wǎng)絡。所述控制中心以邏輯電路的形式集成于現(xiàn)場可編程門陣列中，包括信號產(chǎn)生器、系統(tǒng)監(jiān)測器、主控核心。本發(fā)明不僅具有傳統(tǒng)水下發(fā)射機的功率放大器、換能器匹配電路，還具有任意波形產(chǎn)生，同步信號產(chǎn)生，上位機通信，設置存儲等功能，實現(xiàn)了發(fā)射機的豐富功能。利用完善的溫度、電流、電壓監(jiān)控裝置、可編程的監(jiān)控策略管理以及自動功率控制功能，本發(fā)明實現(xiàn)了發(fā)射機工作狀態(tài)的全面監(jiān)控和智能管理。以上功能通過高集成度、高可靠性的閃存結構現(xiàn)場可編程門陣列內實現(xiàn)，結合智能管理的實施，因此本發(fā)明具有體積小、可靠性高的優(yōu)點。
文檔編號G01S7/524GK101644767SQ200910084508
公開日2010年2月10日 申請日期2009年5月15日 優(yōu)先權日2009年5月15日
發(fā)明者戈 戴 申請人:中國科學院聲學研究所