1系统主要硬件电路设计
1．1HT6221键盘编码电路
不同的按键表示上升、下降、前进、后退、停车、左转、右转等控制信号，按键通过HT6221编码芯片编码后，OUT1输出38kHz的编码信号，通过507kHz中波调制后，经过功率放大、阻抗匹配，最后由L型天线输出．为了提高天线的辐射效率，L型天线与地面平行的部分采用20cm宽的铜板．HT6221键盘编码电路原理图如图3所示.
1．2频率调制与发射电路
MAX038是高频精密函数信号发生器，具有频率高、精度好等优点，广泛用于设计锁相环、压控振荡器、频率合成器、脉宽调制器等电路，本系统采用MAX038产生507kHz基波信号，频率调制IN1输入的38kHz编码信号(图3所示OUT1)后，输出给功率放大电路．陆基控制平台的功率放大电路采用TI公司的OPA561芯片，OPA561是典型的电流型运放，满功率状态下有1MHz的带宽增益，具有外围电路简单、安装调试方便等优点．频率调制与功率放大电路如图4所示．
1．3电磁波接收与解调电路
水下航模的电磁波接收电路采用CD9088专用集成芯片．CD9088广泛用于设计调频收音机，具有从天线接收到鉴频级输出的全部功能，还具有搜索调谐、信号检测、静噪以及频率锁定环(FLL)等功能．CD9088输出的信号经过电容耦合后输出给功放电路TDA2822，经过放大后的输出信号采用TLC372电压比较器进行比较，输出端(图5OUT－MCU)接水下航模的控制核心MSP430单片机．电磁波接收电路的原理图如图5所示．
1．4红外光波发射、接收电路
红外光波发射电路采用TSAL6200红外发射器，红外发射端的协议为自定义协议，载波频率为38kHz的方波;红外光波接收电路采用TSOP138红外接收器，TSOP138有接收红外信号、内置信号放大、滤波、检波输出等功能．红外解调后的信号经过单片机处理，即可恢复出原编码信号．红外光波发射、接收电路原理如图6所示．
1．5直流电机驱动电路
直流电机采用L298N驱动芯片，通过MSP430单片机改变L298N芯片控制端的输入电平，实现电机正反转控制;通过MSP430单片机产生PWM波信号，调整直流电机的转速．为了减小由于电机在启停过程中产生的感应电动势对单片机I/O口的影响，采用光电耦合器将控制部分与电机驱动部分隔离开来，可减少电机驱动电路对单片机的干扰．直流电机驱动电路如图7所示．
2系统软件设计
2．1编码与解码程序设计
中波通信的编解码过程以及通信协议是本系统程序设计的关键［13］．中波编码采用HT6221编码协议，该协议由一位起始码、16位地址码、16位数据码组成．其中16位地址码包括8个连续的“0”和8个连续的“1”，16位数据码由8位数据原码和8位数据反码构成．起始码中的“0”和“1”分别用9ms的低电平和4．5ms的高电平表示，用0．56ms的低电平和0．56ms的高电平表示数据码中的“0”，用0．56ms的低电平和1．68ms的高电平表示数据码中的“1”．对应的解码方式为:当单片机检测到起始码并读到连续的8个“0”和8个“1”后，随后接收的16位码便为数据码.红外通信的编解码方式参考了HT6221编码协议．该通信协议也是由起始码、16位数据码和结束码组成．其中16位数据码包括8位数据原码和8位数据反码．起始码中的“0”和“1”分别用9ms的低电平和4．5ms的高电平表示;数据码中的“0”采用0．56ms的低电平和0．56ms的高电平表示，“1”采用0．56ms的低电平和1．68ms的高电平表示;结束码采用4．5ms低电平表示．解码方式与中波通信过程相同．
2．2系统软件设计流程图
陆基控制平台没有微处理器，简化了系统的程序设计．水下航模采用MSP430单片机为控制核心，主要负责检测来自陆基控制平台的无线电波的解码信号，根据译码指令控制红外光波发射电路和状态指示电路，水下航模子系统流程图如图8(a)所示．水面传动单元同样采用MSP430超低功耗单片机检测红外光波接收电路的解码信号，根据解码指令控制直流电机驱动电路，完成牵引水下航模的升降和位移测量功能，并将当前的工作状态通过LCD显示，水面传动单元控制流程图如图8(b)所示［14］．
3系统测试与分析
3．1水下航模运行时间测试与分析
当L型天线的水平部分与水面距离为2m时，设定快速上升时间为3s，快速下降时间为4s，慢速上升时间为6s，慢速下降时间为8s，分五次测量的结果见表1．从表1可以看出，快速升降的时间最大误差为5%，而慢速升降的时间最大误差为10．6%，主要原因是水下航模在下降过程中受到向上的浮力作用而存在摆动，影响观察者判断其停止的准备位置．
3．2天线高度对电磁波通信的影响
水下航模离水面的距离为0．5m，天线距水面的距离变化范围为2～10m，通过陆基控制平台设定状态和水下航模指示灯状态的对应关系测试无线通讯建立是否有效，规定L1亮表示前进，L2亮表示倒退，L3亮表示停车，L4亮表示左转弯，L5亮表示右转弯．具体测试结果见表2．从表2可以看出，当天线高度为10m时，系统的指示运行状态与陆基控制平台设定的状态仍然一致，综合测试系统通信的误码率小于2%，说明在此范围内，天线与水下航模的垂直距离对无线电波的传输效率影响甚微．由于条件所限没有进行天线高度与通信建立有效性的完整实验，但是从理论分析可知，电磁波信号在水和空气的界面处存在剧烈的反射效应，在水中传播时也有比较强的衰减，因此，当天线离水面的距离足够远时，无线电波通信将失效．
3．3设定速度与实际速度对比情况
本系统所使用的电机在最大转速情况下提供给悬索的线速度为15cm/s，考虑到水下航模的重量对电机转速的影响，本系统结合光电门的实测速度，采用PID算法控制电机转速，表3给出了10组测定数据，水面传动单元带动水下航模升降的实际速度可以通过液晶显示屏观察．从表3可以看出，系统存在一定的测量误差，但是3次实际测量速度的平均值与设定值非常接近．
4结语
水下无线通信系统以两片MSP430单片机为控制核心，采用中波和红外光波通信，通过HT6221编码和CD9088解码完成了陆基控制平台与水下航模的电磁波通信，实验测试结果表明，频率为507kHz的电磁波在经过空气与水面的界面反射和水下衰减后，仍然能够在水下有效传输50cm以上，说明中波相比高频电磁波在水下无线通信系统中有更加优越的抗衰减特性．因此，系统模型可以广泛应用于浅水区域的信息采集和无线电传输，或者作为深水区域与陆基设备通讯的中继站，在国防、工业和智能农业等方面有着广泛的应用前景．本系统采用了电磁波通信讯、红外光波通讯、电机精确控制、编码解码、数据动态显示等技术，具有较强综合性和扩展性，特别是可以借鉴无线传感器网络技术的设计思想，通过一个陆基控制平台，同时控制多个水下航模执行相同的控制指令，完成在一定水域的多个水下接受终端的控制过程，可用于水面防区的探测器布防和水雷布点，也可以用于精细养殖区域的水下精密监测．
作者：易金桥 谭建军 廖红华 孙先波 单位：湖北民族学院 信息工程学院
