水文缆道信号高可靠性传输系统

2022-08-17李盛洪金建辉

陕西理工大学学报(自然科学版) 2022年4期

李盛洪，金建辉

(昆明理工大学信息工程与自动化学院，云南昆明 650500)

目前水文缆道信号的传输方法分为有线绝缘型、有线半绝缘型、有线不绝缘型、无线传输型4种[1-4]，其中有线绝缘型要求传输钢索与大地之间要有很高的绝缘阻值，有线半绝缘型要求钢索对大地之间至少要有几十千欧姆的阻值，有线不绝缘型的钢索可与大地连接，无线传输型要求将水下信号引出水面[5]。其中有线半绝缘型是目前主流的传输方式，但是实际缆道的建设很难达到要求，而且缆道的支架和缆索都高出周围环境许多，因而形成一个巨大的天线，不仅吸收到各种各样的电磁干扰信号，而且容易被雷击[6]。所以现有的水文缆道信号传输方法的传输距离有限，只能适用于窄而浅的河流，并且传输的信号不可靠，容易造成信号的传输错误与丢失。针对上述问题，经过实际现场测试与理论分析得到以下原因：

(1)信号源的发射功率小而固定，导致传输距离受限；

(2)接收端抗干扰能力弱，因此容易受到干扰；

(3)钢索对大地的阻值很小，造成接收端接收的信号弱；

(4)水体电阻易受天气状况、水质、绝缘装置等变化的影响；

(5)电池容量小而且供电电池单一，不便于紧急测量。

根据以上问题和原因，本文设计出一种发射功率可调的隔离型水文缆道信息高可靠性传输系统，不仅通过改变发射功率、提高接收灵敏度、隔离抗干扰设计等方法解决了传输距离的问题，而且提高了系统的传输可靠性，保证了信号的高可靠性传输。系统低功耗设计，由唤醒信号唤醒发射端，实现了节能设计。宽范围的电源输入，使得供电电池的等级多，解决了户外工作的便利性。

1 设计原理

本系统采用有线不绝缘型传输方法，传输回路由钢索和水体构成[7]，钢索可以与大地直接连接，即钢索与绞车直接连接，绞车与大地直接连接，不需要做任何绝缘处理，所以安装及使用非常方便。在水体中，两个金属导体之间的水体电阻与两个金属导体的接触面积、距离、水质等因素有关，接触面积越小，水阻就越大；距离越远，水阻就越大；水质越清澈，水阻就越大[8-9]。信号传输示意如图1所示。

图1 水文缆道信号传输示意图

信号筒固定安装在铅鱼体上，钢索的一端与铅鱼体通过绝缘环连接，另外一端直接与绞车连接，接收盒的参考地通过一条导线与水下金属极板连接。图中信号筒的1号线为信号筒的参考地，与铅鱼体连接；5号线为信号线，与钢索连接。电阻R1为铅鱼体与水下极板之间的水体电阻,R2为信号线与铅鱼体之间的水体电阻,R3为信号线与水下极板之间的水体电阻,R4为绞车与大地之间的接地电阻。

水文缆道信号传输的等效模型如图2所示，其中R5为钢索的等效电阻，由于实际应用环境非常复杂，所以图中所有的等效电阻皆为可变电阻，在现有文献中有关模型的等效电阻没有考虑可变性，因此现有系统可靠性不高。根据等效模型进行分析计算可以得到如下公式：

(1)

其中UI为信号筒发射电压,UO为接收盒接收电压。

图2 等效模型图

由于R3≫R1(R4+R5)，所以可以将式(1)简化为如下公式：

(2)

根据式(1)或者式(2)可知，因为R1、R4、R5受水质水深、接地电阻、钢索材料等因数的影响，所以其阻值不可控。因此如果要使UO越大，那么只能增大UI，即如果要使接收盒接收到的信号越大，那么信号筒发射的信号就要越大。

结合实际测试与理论分析，考虑水质、水深、距离等因素的影响会使水体电阻R1的值增大，钢索生锈、润滑油、接触电阻等因素的影响会使R5的值增大，绞车对大地的接触电阻理想阻值为R4≤4 Ω[10]。

假设R5=100 Ω，当信号筒发射信号的峰峰值为5 V和12 V时，按等效模型可以得到表1结果，通过上述分析可以得到，当水阻增加时，接收端接收到的信号会减小；当发射信号强、接地电阻大时，接收端接收到的信号会增大。

表1 信号筒发射信号峰峰值不同情况下的对比

根据以上模型的建立与分析可以得到，要使信号远距离、可靠性传输，不仅需要增大发送功率，而且需要提高接收灵敏度，所以需要设计微伏级的信号放大及抗干扰措施。

2 系统设计

整个系统主要由两部分构成，一个是信号源，即水下信号筒，另外一个是接收端，即岸上接收盒，系统设计框图如图3所示。

图3 系统设计框图

2.1 传输信号

水文缆道传输的信号一般有直流脉冲、交流音频脉冲、数据编码调制信号3种[11-12]，本系统采用连续的直流方波脉冲信号作为传输信号。由于传输的水文信息有入水、流速、触底等多种信息，所以需要对传输信号进行分频传输，不同的信号采用不同的频率传输，且保证有足够的带宽。不仅可以传输多种信号，而且抗干扰能力强。高频信号在水中的衰减远远大于低频信号[13]，所以传输频率选择在低频段。由信号输入处理电路输出信号触发不同频率的信号载波电路便可以实现分频传输。

图4 入水信号波形图

入水信号采用连续的1 kHz直流方波脉冲信号，当信号筒入水后入水信号通过单稳态电路维持830 ms，然后释放信道，等待流速信号，信号波形如图4所示。

流速信号采用连续的2 kHz的直流方波脉冲信号，旋浆流速仪每转20圈输出一个稳定的流速信号到信号筒，信号筒通过处理以后发射到岸上接收盒，信号波形如图5所示。

触底信号采用连续的3 kHz的直流方波脉冲信号，当信号筒触底以后，信号筒持续输出稳定信号，信号波形如图6所示。

图5 流速信号波形图图6 触底信号波形图

2.2 信号筒

水下信号筒由信号输入处理电路、逻辑约束电路、信号载波电路、信号功率放大电路、电源电路、低功耗设计电路构成，其中信号输入电路包括入水信号、流速信号、触底信号输入处理电路，入水信号采用三极管电路和延时单稳态电路，流速和触底信号采用电压比较器电路，比较电位可调，因此适用于各种复杂水质和不同水深的情况，所有信号输入端皆并联TVS二极管和电容，目的是防止雷击、电磁脉冲等瞬时强干扰带来的浪涌冲击；信号逻辑约束电路由普通逻辑门电路构成，约束条件为有入水信号时流速和触底信号才有用，有入水信号且有触底信号时，流速信号失效；信号载波电路采用多谐振荡器，由信号输入处理电路输出信号触发。

电源电路由两路电源构成，一路是用于功率电路的可调电源电路，另外一路为EMC加固的5 V电源。两路电源均带有使能控制端，便于由低功耗设计电路进行控制，实现电源管理。且电源输入范围宽，从而实现了多种不同电压等级的电池供电方案，电源供电灵活性非常强，保证了信号的可靠性传输。同时对电源进行EMC加固处理，保证电源的可靠供电。

信号功率放大电路采用改进型的图腾柱结构驱动输出电路，如图7所示，该电路具有驱动输出功率大、电压工作范围宽、结构简单、工作可靠、响应快、效率高、功耗低、体积小等特点，结合电源电路实现了信号功率的可调放大。

图7 信号功率放大电路

低功耗设计电路如图8所示，唤醒信号线从信号筒引出，安装固定在铅鱼体上低于入水信号线安装位置的地方。当铅鱼入水的时候，唤醒信号线由水体导通连接到大地时，开关管Q7导通，在集电极上产生一个高电平，然后使能电源模块，给系统正常供电；当铅鱼体离开水面时，开关管截止，电源使能信号拉低，电源得到了有效的控制，实现了电源的能耗管理，达到低功耗工作。

图8 低功耗设计电路

由于信号筒工作应用在野外环境下，因此系统的设计必须考虑低功耗的问题，保证能量的节约和实现长时间的工作[14]。

2.3 接收盒

岸上接收盒由信号接收防雷电路、微信号放大电路、光耦隔离放大电路、载波整流滤波电路、载波解调电路、信号输出电路、电源电路构成。由于水文缆道的支架和钢索都高出周围地形很多，所以容易遭到雷击，为了确保测验人员的安全以及避免测验设备的损坏，需要对系统进行防雷设计处理。

通过设计原理的分析，要使信号远距离、可靠性传输，那么需要提高接收盒的灵敏度，所以需要设计微信号的放大，本系统采用集成微运放芯片ICL7650来放大微信号。该芯片是斩波稳零式高精度运放，由一个主放大器和一个调零放大器构成，失调电压低至0.7 μV，具有输入偏置电流小、失调电压小、增益高、共摸抑制能力强、响应快、漂移低、性能稳定等优点。

当信号传输到岸上接收盒时，信号非常微弱，使用时必须先经过微信号放大电路将传输的信号进行一级放大，同时干扰信号也随之被放大，因此可通过光耦对一级放大的信号进行隔离，消除一级放大带来的干扰，得到可靠的信号，再对信号进行放大、整流、滤波及解调处理。载波解调电路采用高品质因数的滤波器，通过载波解调电路得到对应频率的可靠信号传输到信号输出电路以及指示电路。

由于工作环境的复杂情况，会带来很多不确定的干扰，包括信号干扰、电源干扰等，因此保证信号的可靠传输不仅仅只是对接收信号进行抗干扰处理，而且对接收盒电源的可靠供电要求很高，所以采用隔离型电源，并对电源进行加固处理，增加电磁兼容EMC设计，才能实现信号的可靠传输。

为了确保信号的完整性和可靠性传输，在印制电路板的时候需要按信号和电源的完整性合理布局和走线，合理地考虑印制电路板的分布电感和分布电容[15]。

3 系统测试

不考虑R5等效电阻的情况下，单独对信号筒的发射功率及传输距离进行现场河流测试，直接用仪器测试接收信号，测试结果见表2。对接收端的信号接收频率及输出状态进行现场河流测试，此时与信号筒一并测试，测试结果见表3。

表2 信号源测试数据

表3 接收端测试数据

表2的测试数据说明增加发射信号功率，接收到的信号功率也随之增加，说明增加发射功率有利信号的传输，与理论等效模型相符。通过表3的测试结果说明采用分频传输信号是有效且可靠的。

实际系统中R5等效电阻是存在的，R5≤4 Ω，在水质清澈、传输距离超过60 m的实际环境中，接收盒输入端的信号为μV级小信号，现有水文缆道信号传输系统无法正常传输信号，使用本传输系统实测能可靠传输信号。当传输距离达到100 m时，系统仍可靠工作。说明接收端采用微信号放大电路的设计是满足设计要求的，接收灵敏度也达到设计要求。本系统的实物如图9所示。