一种用于水下的声学标签读写系统

1.一种用于水下的声学标签读写系统，其特征在于：包括控制与处理单元、收发模块、电源管理模块、接口电路、网络模块和显示模块，其中，控制与处理单元和收发模块连接，控制收发模块发送信号，并对收发模块接收到的直达波和目标回波进行数据处理；所述收发模块用于发送和接收信号；所述接口电路和控制与处理单元连接，建立控制与处理单元和外接系统的连接；所述网络模块通过接口电路和控制与处理单元连接，建立控制与处理单元和远程计算机通过网络的连接；所述显示模块通过接口电路和控制与处理单元连接，并在控制与处理单元的控制下显示数据；所述电源管理模块在控制与处理单元的控制下为各部件供电；
所述控制与处理单元包括微处理器、协议处理单元、信号处理单元和存储模块，其中，微处理器与电源管理模块连接并控制其工作，所述微处理器还通过接口电路控制外接系统的工作；
所述信号处理单元分别连接收发模块和协议处理单元，对收发模块发送的信号进行解调后送入协议处理单元，同时对协议处理单元发出的信号进行调制后送入收发模块；所述信号处理单元的通信频段为5-20KHz，数据平均传输速率为4Kbit/s；
所述协议处理单元分别连接微处理器和信号处理单元，对信号处理单元传送的信号进行解码后送入微处理器，同时对微处理器发出的信号进行编码后送入信号处理模块；
所述存储模块与微处理器连接，并在微处理器的控制下存储信息和数据；
所述读写系统还包括如下发射指令帧:所述发射指令帧的结构为“帧头-标志-命令-参数-数据-CRC-帧尾”，所述帧头为帧开始标志，预示一帧的开始，使读写系统实现帧同步；所述标志为用来向声学标签表明指令的形式、类型以及对返回指令的要求；所述命令用于选择发送指令的类型；所述CRC是错误检测机制，检测数据的传输错误，采用16位的循环冗余检测；所述帧尾作为结束一帧的标志；
所述读写系统采用如下协议：
步骤8.1：读写系统首先发送询问指令，以EOF为帧结束标志，时隙个数为16，时隙长度为4；
步骤8.2：声学标签1在时隙0内响应；在此时隙内，只有声学标签1响应，没有发生碰撞，声学标签1的UID被读写系统正确接收并记录；
步骤8.3：读写系统发出EOF，转到下一个时隙1；
步骤8.4：在时隙1内，声学标签2和声学标签3同时响应，发生碰撞，读写系统无法获得声学标签UID，此时检测出该碰撞并记录；
步骤8.5：读写系统发送一个EOF，跳到下一个时隙2；
步骤8.6：在时隙2，没有声学标签响应，读写系统检测不到声学标签的SOF，于是读写系统发出EOF，跳到下一个时隙3；
步骤8.7：在时隙3，标签4和标签5同时响应，同样发生碰撞；
步骤8.8：读写系统决定对已检测出的声学标签1进行操作，发送一个带有声学标签1的UID请求；
步骤8.9：所有声学标签都检测到SOF，退出防碰撞序列转而处理此指令；
步骤8.10：所有的声学标签准备接收新的请求，如果是询问请求，时隙数将从0重新开始，重复上述过程。
2.如权利要求1所述的一种用于水下的声学标签读写系统，其特征在于：所述收发模块包括发射信号处理模块、接收信号处理模块和换能器模块，其中，换能器模块包括依次连接的收发隔离器和收发共置换能器，发射信号处理模块包括依次连接的第一带通滤波电路和功率放大电路，所述功率放大电路的输出端连接收发隔离器；接收信号处理模块包括依次连接的低噪声放大电路和第二带通滤波电路，所述低噪声放大电路的输出端连接收发隔离器。

一种用于水下的声学标签读写系统\n技术领域\n[0001] 本发明属于海洋工程领域，特别涉及一种用于水下的声学读写系统的设计，主要是结合RFID技术实现对声学标签进行读写操作。\n背景技术\n[0002] 近年来，由于军事和海洋开发的要求，人们开始越来越重视水下通信技术的研究。\n由于水下通道的多径效应、时变效应、可用频带窄、信号衰减严重等特点，使电磁波不易在水中传播，而声波是人类迄今为止已知的唯一能在水中远距离传播的能量形式，所以海洋中检测、通信、定位和导航都主要利用声波，因而基于声波的声纳也越来越得到广泛的应用。声纳是一种能够获取水下目标信息的一种装置，它首先发射一个声信号，然后再通过接收声信号散射的回波来确定目标的一些信息。这种方法能够有效地对水下目标进行探测、分类、定位和跟踪等，但此过程需要大量的计算，反应较慢，对硬件要求也较高，同时对目标信息的获取也仅限于上述几个方面，对目标一些更多、更具体、更详细的信息却无法获取，如目标所处环境的一些参数以及目标所携带物品的种类、数量、用途等。因此利用声纳获取水下目标信息具有很大的局限性。那么对于水下目标，该如何简单、快速获取其大量、详细的信息，就成为一个迫切需要解决的问题。\n[0003] 当前，在陆地上RFID技术相当成熟，应用也非常广泛，其特点就是射频读写器通过接收和发送射频信号来准确获取射频标签的详细信息，并能够把新信息写入标签，随时更新标签内容，此方法简单、快捷且成本低。但由于水下环境复杂，噪声多，衰减快，直接把RFID技术用到水下是没有什么实际意义的。因此本发明针对上述问题结合成熟的RFID技术和水下声波传输的优势，设计出了一种新的用于读写水下声学标签的系统。\n发明内容\n[0004] 本发明的目的，在于提供一种用于水下的声学标签读写系统，其能够简单、快速、大量地获取目标的一些详细信息。\n[0005] 为了达成上述目的，本发明的解决方案是：\n[0006] 一种用于水下的声学标签读写系统，包括控制与处理单元、收发模块、电源管理模块、接口电路、网络模块和显示模块，其中，控制与处理单元和收发模块连接，控制收发模块发送信号，并对收发模块接收到的直达波和目标回波进行数据处理；所述收发模块用于发送和接收信号；所述接口电路和控制与处理单元连接，建立控制与处理单元和外接系统的连接；所述网络模块通过接口电路和控制与处理单元连接，建立控制与处理单元和远程计算机通过网络的连接；所述显示模块通过接口电路和控制与处理单元连接，并在控制与处理单元的控制下显示数据；所述电源管理模块在控制与处理单元的控制下为各部件供电。\n[0007] 上述控制与处理单元包括微处理器、协议处理单元、信号处理单元和存储模块，其中，微处理器与电源管理模块连接并控制其工作，所述微处理器还通过接口电路控制外接系统的工作；\n[0008] 所述信号处理单元分别连接收发模块和协议处理单元，对收发模块发送的信号进行解调后送入协议处理单元，同时对协议处理单元发出的信号进行调制后送入收发模块；\n[0009] 所述协议处理单元分别连接微处理器和信号处理单元，对信号处理单元传送的信号进行解码后送入微处理器，同时对微处理器发出的信号进行编码后送入信号处理模块；\n[0010] 所述存储模块与微处理器连接，并在微处理器的控制下存储信息和数据。\n[0011] 上述收发模块包括发射信号处理模块、接收信号处理模块和换能器模块，其中，换能器模块包括依次连接的收发隔离器和收发共置换能器，发射信号处理模块包括依次连接的第一带通滤波电路和功率放大电路，所述功率放大电路的输出端连接收发隔离器；接收信号处理模块包括依次连接的低噪声放大电路和第二带通滤波电路，所述低噪声放大电路的输出端连接收发隔离器。\n[0012] 采用上述方案后，本发明具有以下创新点：\n[0013] （1）本发明提出一种用于水下的声学读写系统的设计方法，密封防水外壳，流水线外型，便于应用在水面船只船底或是水下航行器上；\n[0014] （2）与传统的RFID读写器相比，本发明结合水声换能器，以声波作为载体，用声信号来传输数据，实现与水下声学标签的通信，从而进行数据交换；\n[0015] （3）本发明的声学读写系统还提供了网络功能，能够实现与远程计算机的通信，实现数据资源共享；\n[0016] （4）本发明采用了时隙ALOHA防碰撞方法，能够同时识别多个水下声学标签。\n附图说明\n[0017] 图1是本发明的应用示意图；\n[0018] 图2是本发明的外形示意图；\n[0019] 图3是本发明的整体框图；\n[0020] 图4是本发明中控制与处理单元的结构框图；\n[0021] 图5是本发明中收发模块的结构框图；\n[0022] 图6是本发明的工作流程示意图；\n[0023] 图7是本发明中发射指令帧结构图；\n[0024] 图8是本发明中声学标签防碰撞示意图。\n具体实施方式\n[0025] 以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。\n[0026] 本发明提供一种用于水下的声学标签读写系统，其可用在水面船只或水下航行器上，用以同时读写水下一个或多个声学标签，从而大量、快速地获取水下目标的详细信息，本发明的使用示意图如图1所示，其外形可配合图2所示。\n[0027] 本发明一种用于水下的声学标签读写系统，包括控制与处理单元、接口电路、网络模块、显示模块、收发模块和电源管理模块，其中，控制与处理单元用于控制收发模块发送信号，并对收发模块接收到的直达波和目标回波进行数据处理；收发模块用于发送和接收信号；接口电路控制外接系统模块；网络模块实现数据网络共享；显示模块实现数据的可视化；电源管理模块用于管理前述相关部件的工作与否，其整体架构如图3所示，下面将就各组成部件分别介绍。\n[0028] 在本实施例中，所述接口电路主要用于数据传输和互相通信，有连接显示装置的TTL接口电路、与主机通信和与网络模块连接的RS232串口电路、用于调试的JTAG接口电路。\n[0029] 所述网络模块与接口电路连接，完成读写系统的网络化，便于远程计算机通过网络对读写系统数据的查看和提取，或者读写系统通过网络定期把数据发送给远程计算机，有利于资源共享。由于本发明主要用于船只或水下航行器上，适合采用无线连网方式，所以选用GPRS无线网络模块。\n[0030] 所述显示模块选用LCD显示器，通过接口电路与主机相连，能够把数据直观地显示给客户，实现读写数据的可视化。\n[0031] 在本实施例中，所述控制与处理单元包括存储模块、微处理器、协议处理单元和信号处理单元，如图4所示。其中，微处理器的主要功能如下：实现防碰撞协议（将在后文详细说明），通过接口电路与主机进行串口通信，控制电源管理模块，保证各部件的稳定工作或停止工作，通过接口电路控制外接系统的工作。\n[0032] 所述存储模块与微处理器连接，用于存储信息和程序运行的一些数据等。\n[0033] 所述协议处理单元分别连接微处理器和信号处理单元，主要完成对信号的编解码，编码采用曼彻斯特（Manchester）编码方式，解码采用曼彻斯特（Manchester）解码，实际应用时也可根据具体通信要求（如通信距离和数据传输速率）采用其它的编码方式，如反向不归零（NRZ）编码、米勒（Miller）编码等。\n[0034] 所述信号处理单元主要完成对信号的调制和解调，调制方式采用移频键控（FSK）,其中“0”用载频f0=10KHz调制，“1”用载频f1=11KHz调制，该调制技术抗干扰性能强，适合水下通信；解调采用相干解调方式，实际应用时也可根据具体通信要求（如通信距离和数据传输速率）采用其它的调制技术，如正交相移键控（QPSK）调制、正交振幅调制（QAM）调制等。\n[0035] 前述所指的通信距离和数据传输速率，由于考虑到水下环境复杂多变、干扰严重、带宽有限、载波频率低等特点，本发明与声学标签的通信距离为几十到几千米，通信频段为\n5～20KHz，数据平均传输速率为4kbit/s。\n[0036] 在本实施例中，所述收发模块包括发射信号处理模块、接收信号处理模块和换能器模块，如图5所示，其中，发射信号处理模块包括功率放大电路和第一带通滤波电路，主要用于滤除噪声和功率放大，以便于换能器模块进行发射；所述接收信号处理模块包括低噪声放大电路和第二带通滤波电路，主要用于抑制噪声和放大信号，以便于控制与处理单元对信号的进一步处理；所述换能器模块包括收发隔离器和收发共置换能器，其中，收发隔离器用于区分将要发射的信号和经收发共置换能器转换后的信号；收发共置换能器用于把待发射的电信号转换成声信号进行发射，并用于把接收到的声信号转换成电信号，实现水声信号的发射与接收，并实现水声信号和电信号之间的转换。\n[0037] 所述电源管理模块用于为各部件提供稳定的工作电源，实现对各部件工作与否的控制。\n[0038] 以上介绍了本发明的硬件构造，在工作时，本发明读写系统通过发射信号给声学标签和从声学标签接收信号来实现与声学标签的通信，完成数据交换，从而读取或更新声学标签所携带的信息。工作流程如图6所示，步骤如下：\n[0039] 步骤S6-1：系统上电，系统初始化串口、程序变量等；\n[0040] 步骤S6-2：等待主机发出命令，如有命令开始工作，没有命令继续等待；\n[0041] 步骤S6-3：读写系统接到主机命令后，形成相应的指令帧；\n[0042] 步骤S6-4：读写系统发送询问指令后，进入防碰撞清点程序；\n[0043] 步骤S6-5：声学标签收到指令后发送响应指令，读写系统再接收声学标签的响应指令，从而建立了读写系统与声学标签的通信，实现了数据的交换；\n[0044] 上述步骤S6-3中，所述发射指令帧结构如图7所示，并且每个区域都采用低有效位在前、高有效位在后的形式；所述帧头为帧开始标志，预示一帧的开始，使读写系统实现帧同步，采用7个bit位111101；所述标志为用来向声学标签表明指令的形式、类型以及对返回指令的要求，一共有5个bit位，如表1、表2、表3所示。\n[0045] 表1\n[0046] \n[0047] 表2\n[0048] \n[0049] 表3\n[0050] \n[0051] 上述图7中，所述命令用于选择发送指令的类型，由4个bit位组成，分成两大类：\n[0052] 强制命令：读写系统都要执行且标签都要响应的命令。\n[0053] 可选命令：读写系统可选的一些读写等命令。\n[0054] 具体如表4所示。\n[0055] 表4\n[0056] \n[0057] 在图7中，所述参数和数据根据命令形式的不同，参数和数据的具体也不尽相同，同时也要用到标签的一些数据信息，如表5所示几种。\n[0058] 表5\n[0059] \n[0060] 具体的读写系统是参数和数据有以下几种情况：\n[0061] 命令为清点命令时，参数为AFI,此时标志位来确定AFI的是否有效。\n[0062] 命令为使停止命令时，参数为所要使停止标签的SUID。\n[0063] 命令为读单个或多个存储区时，参数为你所要读的标签的SUID号、存储区编号和个数。\n[0064] 命令为写单个或多个存储区时，参数为你所要写的标签的SUID号、存储区编号和个数以及要写的数据内容。\n[0065] 命令为锁定存储区时，参数为你所要锁定的标签的SUID号、存储区编号。\n[0066] 命令为读系统数据时，参数为你所要读的标签的SUID号、你要读的数据种类，如AFI、DSFID等。\n[0067] 命令为写系统数据时，参数为你所要写的标签的SUID号、你要写的数据种类以及对应要写的数据，如AFI、DSFID等。\n[0068] 命令为使选中和使准备时，参数为参数为你所要写的标签的SUID号。\n[0069] 命令为锁定系统数据时，参数为你所要锁定的标签的SUID号、你要锁定的数据种类，如AFI、DSFID等。\n[0070] 上述图7中，所述CRC是错误检测机制，检查数据的传输错误，采用16位的循环沉余检测。\n[0071] 上述图7中，所述帧尾作为结束一帧的标志，采用6个bit位101111。\n[0072] 上述步骤S5-4中，读写系统发送的询问指令（清点指令），会有多个声学标签同时应答，这时就会产生冲突，本专利采用时隙ALOHA算法，该算法将信道分成多个时隙（Slot）,标签只在规定的同步时隙内传输数据。具体思想是：首先规定每个声学标签都有一个自己的UID号，读写系统发送询问指令（清点指令），在每个同步的时隙内没有发生冲突的标签就会把自己的UID号发送给读写系统，经过一定数目的时隙后，读写系统得到了部分声学标签的UID号，然后读写系统重复上述操作。这样经过数次同样的操作就可以得到所有声学标签的UID号。这样就确定了读写系统内标签的数目，同时在获得声学标签的UID后，就可以和这个声学标签进行数据交换，实现读写操作了。本发明采用16个时隙数进行数据传输。具体实现方法如图8所示。\n[0073] 步骤8.1：读写系统首先发送询问指令，以EOF为帧结束标志，时隙个数为16，时隙长度为4；\n[0074] 步骤8.2：声学标签1在时隙0内响应。在此时隙内，只有标签1响应，没有发生碰撞，标签1的UID被读写系统正确接收并记录；\n[0075] 步骤8.3：读写系统发出EOF，转到下一个时隙1；\n[0076] 步骤8.4：在时隙1内，声学标签2和声学标签3同时响应，发生碰撞，读写系统无法获得声学标签UID，此时检测出该碰撞并记录；\n[0077] 步骤8.5：读写系统发送一个EOF，跳到下一个时隙2；\n[0078] 步骤8.6：在时隙2，没有声学标签响应，读写系统检测不到声学标签的SOF，于是读写系统发出EOF，跳到下一个时隙3；\n[0079] 步骤8.7：在时隙3，标签4和标签5同时响应，同样发生碰撞；\n[0080] 步骤8.8：读写系统决定对已检测出的声学标签1进行操作，发送一个带有声学标签1的UID请求；\n[0081] 步骤8.9：所有声学标签都检测到SOF，退出防碰撞序列转而处理此指令。因为此请求附有声学标签1的UID号，只有声学标签1做出响应。读写系统可以通过程序来中断防碰撞序列，也可以等到时隙15完毕后再发送请求对声学标签1操作。\n[0082] 步骤8.10：所有的声学标签准备接收新的请求，如果是询问请求，时隙数将从0重新开始，重复上述过程。\n[0083] 如图8中所示：\n[0084] t1—对声学标签而言，即从声学标签接收读写系统的EOF到声学标签可以发送之前的等待时间。\n[0085] t2—对读写系统而言，即从读写系统接收声学标签对前一请求的应答序列的EOF或者在读写系统发送静止请求序列EOF后，到读写系统可以发送下一请求之前的等待时间。用于确保声学标签就绪，以便接收后续请求。\n[0086] t3一对读写系统而言，在询问操作中，当读写系统未收到声学标签应答时，从读写系统的前一EOF后，到读写系统可以发送下一EOF的等待时间。\n[0087] 本发明对上述时间值的规定如表6所示，其中tsof是指声学标签发送SOF到读写系统持续的时间。\n[0088] 表6\n[0089] \n 时间 最小值 一般值 最大值\n t1 94/fc(5.2ms) 96/fc(5.3ms) 98/fc(5.4ms)\n t2 30/fc(1.7ms) 32/fc(1.8ms) 34/fc(1.9ms)\n t3 t1最大值+tsof - -\n[0090] fc为水声通信载波频率，本实施例为18KHz。\n[0091] 上述步骤S5-5中，当读写系统确定一个声学标签的UID号后，就可以建立读写系统与声学标签之间的通信，从而实现数据交换。\n[0092] 以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。