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1、 本科毕业设计说明书（论文） 第 38 页 共 38 页1 绪论 1.1 背景及意义水下超声波探测器最早在军事上得到运用，水下超声探测是利用超声波探测水中目标，主要运用在鱼雷，水下炸弹、深弹等领域，若能够自动搜索、定位、并跟踪目标,为引信发火控制系统提供更多信息,则将对提高水中武器弹药或战斗部的毁伤能力起很大作用。近些年各个国家的海军纷纷调整战略核心,将近海作为各自的重要领地,不断加重武器在浅海作战性能的要求,随着高技术的迅速发展,促使潜艇等在机动性、防护性等方面得到迅猛发展,因此对深弹探测目标的可靠性、有效射程、及爆炸威力等方面提出了更高的要求。其中,对目标的可靠探测更是离不开深弹引信的发展
2、,而目前我国现役深弹引信功能单一,只有触发、电子延期两种作用方式,反潜能力有限。因此，导弹水下目标的超声波检测器，用于现代引信技术提高作业效率，深水炸弹，巩固我国沿海防御的意义是非常重要的。在水中超声探测中，根据仿生学，探测信号一般由常频（CW）信号和调频（FM）信号组成。CW信号是用来发现目标，FM信号用于目标定位的精细结构，目标识别。水下深弹能够准确的识别、以及打击目标，首先要解决的问题是怎样识别目标，为此，安装在弹头上的水下探测器能够产生常频信号（CW），当有目标回波信号时，立即自动切换发射调频信号（FM），系统进入目标跟踪、攻击阶段。实现这项信号转换功能的还需要控制电路的参与，与此同时
3、，目前在信号转换技术上，大部分的厂商采取专用集成电路，显然这种芯片的开发成本相比其它的方法成本较高，另外自主研发的芯片在性能上与专用芯片的相差甚远，为此本文将采用先进的复杂可编程逻辑器件CPLD，高性能、低成本来实现此功能。Complex PLD的缩写可以写成CPLD。它是一个相比于PLD器件更加强大的逻辑编辑器件。它的组成是经过很多的逻辑方块想结合构成。对于组成它的这些方块其实就相当于单个的PLD。可以通过根据每一独立的逻辑方块中和其他的独立方块的关系来相结合为完整的逻辑电路。所以复杂可编程逻辑器件具有很强的时序控制能力和逻辑组合能力,利用根据它的这些特点应用于超声探测发射控制电路设计的研究
4、,不仅仅可以完成提高整个系统的集成度的任务。也可以达到其他的优点，比如提高了精确度和可靠性还可以削减制作的费用。1.2 相关的技术研究平常说的调制技术是的方法是将基带信号转变为传输信号。而所谓的调制就是通过使用基带信号来智能调整控制载波的相关参数。让这些该参数根据基带信号的顺序进行对应的调整。正弦信号作为载波调制的连续波（CW），连续不断的波的简称，但这并不意味着信号的连续发射，但指的是频率和振幅。对于FM 的频率以及AM 的振辐相对与时间变化而变化的方法不一样。调制信号是超宽带信号的一种主要实现形式，不同的调制方式导致信号的产生方式各不同，也是最早、应用最广泛的脉冲压缩信号，它的突出优点是匹
5、配滤波器对回波信号的多普勒不敏感，及时回波信号有较大的多普勒频移，原来的匹配滤波器仍能够起到脉冲压缩的作用，简化了信号处理系统。核心是CPLD的这样的计数检波器件，可以辨别出信号的频率。使用这样的器件就可以满足检波还有滤波这样的两个方面效果。相比与以前的二极管包络检波器它的功能更加优越，弥补了以前的不足；由于CPLD包括了在线编程功能这个优势，所以能够通过改变VHDL程序来对CPLD再次配置，让计数检波判别电路包含有些柔性以及可升级性能，能够适时的改变检波输出。计数检波器是在控制电路中的CPLD的基础上实现的，即和部分控制电路集成在一块芯片上，减少了元器件的数量，提高了电路的可靠性和抗干扰能力
6、。1.3 本文的主要研究内容本文主要研究超声波的发射控制电路和计数检波判别电路，对于CW信号的发射电路采用AT89C52单片机芯片控制晶振芯片产生，然后通过带通滤波电路，经过超声波发射头发射出去，搜索目标，当信号触碰到目标物体时产生回波信号，回波信号通过超声波接收头接收信号，再通过接收机阻抗匹配，将信号输入到两级放器进行放大，将放大后的信号再经过带通滤波电路、增益控制电路、整形电路等一系列电路后，以CPLD（EPM7128SLC84-15）芯片的输入为依据，根据超声波检测系统的总体要求，进行基于CPLD的计数检测判决电路的设计，用于判别多普勒频偏信号并产生控制信号，控制是否继续发射探测信号。2
7、 超声探测发射控制电路总体方案水下超声探测是通过接收所发射的超声信号的回波信号来判断目标的有无，及目标的方位、距离和移动目标的速度等。由仿生学原理，根据目标的有无需发射不同的信号，即CW波或FM波，所以在电路上需要对回波信号进行判断，并根据判断的结果控制发射何种信号。2.1 发射控制电路结构本课题主要是把设计好的关于CW信号发射的程序写在AT89C52单片机中以及关于是否发射FM信号的VHDL程序写在CPLD芯片中，并通过LED灯的状态（亮或不亮）来显示是否成功实现对FM信号的控制功能，并且设计用一个稳压电路来驱动的方案，并进行论证。本次课题的设计内容主要分为以下三个部分：第一部分：发射控制电
8、路的硬件设计。包括设计方案的思路构想与选择，电路设计的可行性，元器件的选择等问题，本课题的硬件电路分为两大块，一是单片机芯片控制的常频（CW）信号发射电路，其中包括单片机芯片电路和带通滤波电路；二是以CPLD芯片控制的计数检波判别电路，其中包括接收机阻抗匹配电路、两级放大电路、带通滤波电路、增益控制电路、整形电路和CPLD芯片电路，还有几个小电路，如电压转换电路和LED指示灯电路。第二部分：发射控制电路的软件设计。本次课题CW信号发射部分程序是利用C语言进行编写的，在AT89C52芯片特性的基础上进行编写的，而在计数检波判别电路中，是利用VHDL语言进行FM信号控制的程序编写，主要构思是模块化
9、和自上而下，这样能够提高程序的准确性，能够方便的检查错误，而且可以经过后续查阅相关的书籍和资料，添加或删除一些程序，使其达到了本次毕业设计的技术要求，然后才能更好的进行下一步的调试工作了。第三部分：实验验证。实验验证相对复杂，特别是针对一些最为关键性的子模块电路， 例如基于AT89C52单片机芯片特性的控制CW信号发射电路，单片机芯片电路和带通滤波电路，接收机阻抗匹配电路、两级放大电路、滤波电路、增益控制电路与整形电路、CPLD芯片电路等，调试的过程中主要分为硬件调试，软件调试和实物调试，硬件的调试主要检查设已经设计好的电路是否存在问题，软件的调试主要是针对程序是否有不足或是否能达到相关的技术
10、要求和应该要实现的功能，然后进行实物的调试。在调试过程中有三点调试步骤需要牢记，它们的实现程度决定了本次课题设计的成败，第一，检查接通电源时元器件能否正常运行，第二，能否实现课题的要求，第三，思考本课题能否更进一步的完善2.2 发射控制电路方案发射控制电路由CW信号发射电路和计数检波判别电路组成。2.2.1 CW信号发射电路方案方案一：传统的方法，即模拟方法，模拟方法又分为有源法和无源法，有源法一般被称为直接合成法,通过给电压控制压控振荡器(VCO)施加按一定规律变化的锯齿电压来产生发射信号,其原理如图2.1所示。此方法相对简单,但是稳定性不高,相位噪声较高,产生的信号频率存在温度漂移。压控振
11、荡器锯齿波产生器波门选通方波产生器倍频器同步信号图2.1 有源法原理框图 无源法利用窄脉冲激励产生特定信号, 因为其具有特定延时特性的网络，原理如下。就是对于随意的全部单独信号都能够通过单独的样式差不多的、而且包含零相位频谱的信号来生成。这样的信号通常都要经过包含可以配合的相频特性全通网络来生成。这种方法的关键是要设计一个群延时网络,而此网络要与所要求的相频特性一致，无源法原理框图如图2.2所示。Sinx波形产生器一定相频特性的网络限幅选通定时时钟发射信号输出图2.2 无源法原理框图方案二：采用单片机芯片AT89C52与滤波电路结合的方法产生CW信号，利用单片机产生方波，经过滤波电路使其变成一
12、个正弦波，将正弦波信号调制成课题所要求的脉宽的CW脉冲信号，之后经过隔离级电路，能够减少后级对CW脉冲信号产生电路的影响。CW脉冲信号产生电路图2.3显示。单片机带通滤波器模拟开关隔离级AC输出BD图2.3 CW信号产生电路框图虽然模拟法己经发展的相对成熟,可是在实际应用中还存在很多问题和不足,比如模拟法采用很多非线性器件,电路结构非常复杂,产生成信号中存在较多杂波分量,频谱纯度低,而且在抗干扰性能方面也存在固有的缺陷。另外,产生信号频率分辨率低、精度低、信号形式单一,产生复杂信号困难。所以在产生CW信号的方案中，我选择了方案二，因为本课题主要的研究对象是计数检波电路的设计，没有对CW信号有参
13、数的要求，所以在产生CW信号的电路中去掉了模拟开关和隔离级两部分。2.2.2 计数检波电路方案方案一：利用包络检波，常用的方法是传统二极管包络检波，其电路工作电路采用的核心元件是二极管。通过使用二极管以及电阻和电容还有电感这样的元件进行必要的连接就可以从调制信号当中解调出需要的低频信号。包络检波的原理图如图2.4可以看出。非线性器件低通滤波图2.4 包络检波的原理框图方案二：CPLD 是近几年来应用很广泛的元件,它具有广泛优点，比如能够精确的判断信号的延时多少，并且能够全硬件状态下进行需要的工作。而且不需要担心使用的时候再上电之前需要进行复位操作的问题。还有许多其他的优点，比如说它的运行速度特
14、别的快而且它的可靠性能也很高。通过使用这样的原件就可以高质量高速度的实现系统的集成 。在水中声探测仪中心控制电路的基础上, 通过简单的改变VHDL 程序,这样就不需要再变动或者是增添别的硬件电路，就可以完成计数检波器的功能。如图2.5所示是基于CPLD地计数检波器的原理图。触发器计时器计数器判决器Put outclkresetPut in图2.5 基于CPLD的计数检波器原理框图由于多普勒信号内部包括地脉冲数量相对来说比较少，所以对于检波器的功能需要也相对比较高，首先他要包括很大的抗干扰的能力而且它的检波线性能一定要优越，含有相对较少的死区，对于惰性失真的要求也很高，必须控制在很小的范围之内。
15、虽然在信号处理电路中采取了诸如限幅、滤波措施，但是仍然难以避免来自检波器的输入端的输入干扰信号。传统的二极管包络检波电路不能达到以上要求，所以我选择方案二即利用CPLD芯片来设计和实现新型计数检波器。2.3 发射控制电路方案确定根据上述方案的分析，确定发射控制电路的设计方案由CW信号发射部分和基于CPLD的计数检波控制部分组成。2.3.1 CW信号发射部分AT89C52单片机：它是低电压、高性能互补金属氧化物半导体 8位单片机，属于AT89C51芯片的增强型， AT89C52单片机凭借着其强大的功能，应用于在各种控制领域中得到广泛的应用。具有以下几个特性：（1）片内含8KB的Flash程序存储器，可擦写1000次；（2）片内内含256字节的RAM数据存储器；（3）具有32根可编程的输入输出口线；（4）具有3个可编程定时器；（5）串行口是具有一个全双工的可编程串行通信口；（6）具有一个数据指针DPTR；（7）低功耗工作模式、空闲模式和掉电模式；（8）有一个可编程的3级程序锁定位；（9）最高工作频率为24MHz。带通滤波器简介：是指能通过某一频率范围内的频率分量、并将其他范围的频率分量衰减到极低水平的滤波器，和带阻滤波器不同。有许多方法来实现带通滤波功能，可以使用该芯片的电路实现，但比较复杂
