水声遥控通信装置
实验题目：水声遥控通信装置
1．课程简要信息 {#课程简要信息}
课程名称：电子电路课程设计
课程学时：课内32学时、课外32学时
适用专业：电子信息工程（水声）、水声工程、海洋信息工程
学生年级：大三年级、春季学期
2．实验内容与任务 {#实验内容与任务}
本实验是设计并制作一套单收发、低速率的水声通信遥控原理性装置，并能够在水池验证所设计的水声遥控通信系统整体方案的可行性，因此在功能和指标上与工程用水声遥控通信设备相比有所简化，要求系统工作频带20kHz～30kHz，发射声源级166dB，作用距离不低于10m。
主要工作内容及要求：
（1）发射机设计
发射机主要功能是将遥控编码进行功率放大后送至水声换能器发射出去。在设计时需要根据遥控距离和编码信号载波频率来设计发射机的发射功率。
（2）接收机设计
接收机主要功能是接收水下传播的信号，并对信号进行放大滤波处理。接收机的增益参数以及滤波参数也是根据设计的作用距离以及信噪比和载波频率来设计。
（3）信号处理电路设计
信号处理电路主要是用来产生遥控编码信号，以及对接收的信号进行解码，并执行相应的遥控命令动作。信号处理电路可以根据编码解码的复杂程序以及计算量的大小来选择合适的处理器。
（4）编码协议设计及解码程序设计与调试
水声遥控通信装置主要功能是通过发送命令编码实现对装置的远程遥控，为了简化解码处理对处理器的要求，编码可以采用简单的FSK编码协议（2FSK）， 实现遥控命令传输。
3．实验过程及要求 {#实验过程及要求}
(1) 查阅资料，明确内容要求，进行任务分解；根据设计指标，制定多个设计方案，进行方案论证。
(2) 开题答辩，与教师及组内成员进行充分讨论，基本确定设计方案。
(3) 根据分电路设计指标，进行器件选型，从而确定外围电路形式、模块间的连接方式以及通信协议。
(4) 电路原理图绘制及仿真，进行PCB板的设计制作。
(5) 电路焊接，分模块调试，主控芯片程序编写，完成实验室系统联调。
(6) 根据现有实验条件，进行水池实验，取得实验数据；由数据处理结果指导调整实验程序及电路参数，完成作品验收。
(7) 集中进行作品演示，结题答辩，教师评价，撰写总结报告。
(8) 作品优化，准备参加双创比赛，或者用于进一步的科学研究。
4．相关知识背景 {#相关知识背景}
这是一个系统运用单片机、数模电路、传感器等相关知识解决水声通信问题的电子电路设计典型案例，需要运用水声学、声呐技术、水声换能器、电子电路理论、信号处理等课程知识，并涉及电路原理图设计、单片机程序开发、系统仿真分析、信号编解码技术、产品焊接、软硬件联调、水池实验、专用仪器设备使用等实验技术。
5．实验环境条件 {#实验环境条件}
项目实施需要实验资源，主要有：
(1) 实验水池；
(2) 示波器、信号源、电源等通用电子设备；
(3) 学生自制实验设备；
(4) 其他常用工具，如钳子、镊子等。
6．教学目标与目的 {#教学目标与目的}
使学生建立宏观的系统思维和工程设计思想，掌握并灵活运用声呐技术和电子电路理论知识、设计方法和调试技能，清晰完整地表述和解释实验数据，撰写规范的系统设计总结报告，培养良好的综合素质、团队合作和创新能力。
7．教学设计与实施进程 {#教学设计与实施进程}
7.1 教学过程设计
本实验项目是一个综合性的工程实践项目，教学过程包括课前准备、课中指导、课后拓展三个部分。
课前准备：
(1) 下发实验指导书，明确实验内容及要求，安排学生3-5人分组，分解实验内容；
(2) 结合实验项目需要，指导学生选择国内优质MOOC资源、相关课程的实验教材及论文，主要包括：模拟电路、数字电路、可编程原理及器件、水声学、通信原理等课程；
(3) 查阅同类通信系统设计等相关文献，参考并设计多个实验方案，进行充分仿真和论证。
课中指导：
(1) 分组答辩，学生讲述整个设计思路及实验方案，教师提问并回答学生遇到的问题，师生充分讨论，确定最终实验设计方案；
(2) 依据项目需求，开展单片机、数模电路、换能器技术、通信原理等专题讨论，夯实学生理论基础，提高系统思维能力；
(3) 信号发射端：结合实验要求，讲解单片机基本控制模式的构成和原理，分析发射换能器的驱动电路要求和输出信号形式，PWM脉冲信号产生、D类功率放大器组成等，使学生学会理清设计思路，抓住主要问题；
(4) 信号接收端：讲解水听器基本原理及性能指标、前置放大电路、可控增益放大电路、A/D采样及数据处理等电路参数实现的关键技术；
(5) 简要讲述Altium Ddsigner、Multisim、Keil等软件的使用，指导学生进行电路原理仿真，PCB板设计，讲述元器件引脚辩识、电路焊接技巧等实验技术；
(6) 电路模块调试、系统联调，水池实验，实验数据采集及处理，由数据处理结果指导学生调整实验程序及电路参数；
(7) 作品验收，优秀作品展示交流，指导学生撰写设计总结报告；
(8) 结题答辩，教师对学生作品进行评价，并根据小组成员贡献对其进行分数加权，给出最终课程设计成绩。
课后拓展：
(1) 优化系统设计结构及外部组装，拓展部分功能，组织学生参加中国国际创新大赛、挑战杯等超一流竞赛；
(2) 将实验项目内容进行技术参数指标升级以及功能拓展，指导学生申报国家级、省级等学生科技创新项目；
(3) 根据学生意愿，组织与科研实验室对接，让学生在本科阶段参与科学研究，提高其动手能力和科研素养。
7.2实验学时分配
| 实验目的 | 教师授课内容及重点 | 学生任务 | 学时分配 |
|---|---|---|---|
| 学生了解上课流程，查阅资料，确定设计方案 | 讲述课程开展形式，介绍水声遥控通信装置的应用背景和使用环境，指出设计参数指标以及常用的元器件型号和性能参数。 | 自由组队，3-5人一组。 查阅资料，深入了解水声遥控通信装置的设计流程，根据实验指导书要求，确定设计方案。制作开题答辩PPT。 |
课内2学时 课外2学时 |
| 开题答辩，教师对学生设计方案进行把关，介绍Multisim软件使用方法。学生确定最终设计方案。 | 教师担任评委，课程主角交给学生，对学生设计方案进行提问和问题分析。 简要介绍Multisim仿真软件的基本使用原则和常用技巧。 |
进行开题答辩讲述，对查阅资料后的设计方案进行详细讲述，对设计过程中遇到的问题与老师进行交流，答辩后调整设计方案，确定设计参数，撰写开题报告，选定元器件型号，进行具体电路仿真。仿真完成进行器件采购。 | 课内4学时 课外4学时 |
| PCB板的设计制作 | 简要介绍Altium Ddsigner的使用方法，元器件布局规范以及注意事项。 | 根据原理图进行PCB板的设计制作 | 课内4学时 课外4学时 |
| 电路板焊接 | 讲述焊接常识、技巧和调试方案及手段。展示以往优秀电路板焊接作品。解答调试过程中的各种问题。 | 电路板焊接，分模块调试，程序编写，模块调试通过后进行系统联调。中间记录各环节调试参数。 | 课内12学时 课外12学时 |
| 水池实验 | 讲述水池实验注意事项，协调水池实验场地，全程陪同实验过程。组织优秀作品现场展示交流。 | 系统水池测试，根据实际水池数据，调整各模块参数，完成最终水声遥控装置系统。进行水池现场作品展示。 | 课内6学时 |
| 结题答辩 | 担任答辩评委，对学生制作整体水平做出合理评价，就小组成员分工进行细节提问，确定小组成员得分权值，批阅总结报告，为学生成绩打分。 | 制作PPT，完成小组作品验收答辩，完整介绍系统设计指标、设计方案、分模块测试结果、系统测试结果，课程中遇到的困难与解决办法，分享实验经验，整个课程设计过程中的心得体会等。撰写并提交结题报告。 | 课内4学时 课外4学时 |
| 作品优化 | 根据作品档次和学生意愿，对作品进行进一步优化准备参加双创类比赛或者帮助联系研究生导师，使其提前参与科研项目。 | 完善作品参加比赛，或者进入研究生导师课题组进行深入学习。 | 课外6学时 |
7.3实验项目课程思政设计思路
图7.1 实验项目具体课程思政设计思路框图
8．实验原理及方案 {#实验原理及方案}
8.1 系统相关参数计算
8.1.1 发射功率的简单计算
依据水声学原理，水下点对点通信的声呐方程为
$$SL - TL - (NL - DI) = DT$$
式中SL为发射声源级；TL为信号的传播损失；NL为水下环境噪声谱级；DI为接收换能器指向性指数；DT为接收信号的检测阈值。
假设目标距离r=200m，信号上限工作频率为30kHz，由传播损失公式可以计算得到传播损失为
$$TL = 20lgr + ar + 60 = 106.62dB$$
假设工作海域环境噪声谱级NL=50dB，换能器的接收指向性指数取为DI=10dB，设置检测域为DT=20dB，将上述参量带入声呐方程得到
$$SL = DT + TL + (NL - DI) = 166.62dB$$
计算发射声源级约为166.62dB，依据声源级与发射声功率的关系
$$SL = 10lgP_{a} + 170.77$$
计算出发射声功率为0.385W，通常换能器的电声转换效率为5%，则系统的发射电功率不得低于7.7W。
8.1.2接收电路增益区间
水下传播信号衰减严重，所以必须进行放大处理，为防止放大过大导致信号限幅而影响信号的正确接收，需要对放大倍数进行控制。用如下公式进行估算
$$SL = - M + RL + TL$$
其中，SL为发射声源级；M为换能器的接收灵敏度；TL为传播损失；RL为接收信号幅度级，依据下面公式计算：
$$RL = 20lg\frac{V_{rec}}{2.83}$$
式中：$V_{rec}$为接收信号峰峰值，单位为V，换能器频率28kHz，实验用换能器灵敏度为-200dB，结合上面计算的SL和TL，可以得出RL=-140dB。为了将接收信号的峰值控制在AD可采样范围内，接收电路需要120-160dB的增益范围，从而基本确定了接收电路的设计指标。
8.2 系统框图
图7.1 水声遥控通信装置系统框图
信号判决流程如图7.2所示。
图7.2 信号接收判决流程框图
8.3 实施方案
8.3.1 发射功率放大电路
图7.3 发射功率放大器结构框图
图7.4 功率放大器电路图
8.3.2 接收电路
图7.5 放大滤波电路实现框图
第一级为前置放大电路，采用双运放TL082对回波信号进行两级放大，共放大30倍，电路原理图如图7.6所示。
图7.6 30倍放大电路电路图
可控增益部分采用VCA821，VCA821线性区域是40dB（即放大100倍），通过改变控制电压来改变可控增益放大电路的放大倍数，该电路可放大1-100倍，电路设计如图7.7所示。
图7.7 可控增益放大电路电路图
根据前级放大系统的放大指标要求，在接收机的固定增益放大器后面需要级联两个并联的四阶带通滤波器，目的是分别滤出22k，27k两个频率的信号，为后续的检测与判决机构提供检测依据。
BPF主要性能指标：
（1）中心频率：22kHz，27kHz；
（2）-3dB带宽：1kHz；
（3）元件容差：电容=5%，电阻=1%，容差=5%。
所设计的电路图分别如图7.8和图7.9所示。
图7.8 中心频率为27kHz滤波器电路图
图7.9 中心频率为22kHz滤波器电路图
8.3.3 A/D采样及数据处理电路
用STM32开发板的ADC功能对信号进行采样处理，进行两路采样，之后按前面给出的判决规则进行相应的判决，得出最终的判决结果，并且在LCD上进行显示。判决程序流程图如图7.10所示。
图7.10 判决程序流程图
9. 实验报告要求 {#实验报告要求}
开题报告需要包含以下内容。
-
设计项目应用背景及需求分析；
-
实现设计方案论证以及核心处理器芯片选型；
-
项目组成员分工简介。
设计总结报告需要包含以下内容。
-
项目组成员分工简介；
-
项目背景及意义简介；
-
系统工作原理及实施方案，包括系统结构框图、元器件型号及参数；
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分模块组成及设计参数、具体电路原理图；
-
实验数据采集及信号处理系统流程；
-
系统功能调试过程及问题解决方法；
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总结设计实验收获及体会；
-
小组成员分工介绍。
10．考核要求与方法 （百分制） {#考核要求与方法-百分制}
| 开题（20） | 开题报告（10） | 项目目的明确 |
|---|---|---|
| 系统方案论证充分 | ||
| 报告书写格式规范 | ||
| 开题答辩（10） | PPT讲解（思路清晰，使用专业术语，表达流利） | |
| 现场提问（回答问题情况，团队合作，参与情况） | ||
| 中期（30） | 项目进度检查一（10） | 按照计划完成情况 |
| 项目进度检查二（10） | 按照计划完成情况 | |
| 项目进度检查三（10） | 按照计划完成情况 | |
| 结题（50） | 作品验收（15） | 功能指标完成情况 |
| 项目可靠性、外观情况 | ||
| 结题答辩（15） | PPT讲解（思路清晰，使用专业术语，表达流利） | |
| 现场提问（回答问题情况，团队合作，参与情况） | ||
| 总结报告（20） | 电路方案论证 | |
| 构建电路 | ||
| 参数测量 | ||
| 测量结果与估算参数的比较及分析 | ||
| 问题的讨论 | ||
| 心得体会 |
11．项目特色 {#项目特色}
项目以构建声呐电子系统为主线重塑实验内容，有助于学生形成水声专业知识体系，构建系统思维能力。内容设计多层次，具有高阶性；设计内容开放式，因材施教，具有创新性；需要学生综合应用所学专业知识进行解决实际问题，具有知识应用的综合性；实现方法具有多样性；设计参数指标可以接近实际工程情况，具有挑战度。