本實(shí)用新型屬于超聲波通信領(lǐng)域,具體涉及一種雙通道超聲通信系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

超聲波具有方向性好、能量高、能在界面上產(chǎn)生波形轉(zhuǎn)換等特性，可以遠(yuǎn)距離傳輸。結(jié)合這些特性可以利用超聲波作為信息傳遞載波，密閉容器器壁作為信號傳遞的信道。

超聲波換能器是能夠?qū)崿F(xiàn)電能與機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的設(shè)備。在壓力的作用下超聲波換能器內(nèi)的壓電晶片就會發(fā)生形變，導(dǎo)致晶片發(fā)生極化發(fā)生壓電效應(yīng)，將超聲波信號轉(zhuǎn)化為電信號；且壓電效應(yīng)具有可逆性，由于壓電晶片的逆壓電效應(yīng)，可以將電信號轉(zhuǎn)化為超聲波信號。由于超聲波換能器同一時(shí)刻只能實(shí)現(xiàn)一種模式的能量轉(zhuǎn)換，本實(shí)用新型采用兩對超聲波換能器實(shí)現(xiàn)密閉容器內(nèi)外信號的同時(shí)傳輸。超聲波換能器只能在單工狀態(tài)下工作，一對超聲波換能器在同一時(shí)刻只能完成一種通信傳輸狀態(tài)，即在同一時(shí)刻一對超聲波換能器只能進(jìn)行發(fā)送或者接收，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)只能發(fā)送不能進(jìn)行接收，接收是只能接受不能發(fā)送。

在工業(yè)領(lǐng)域中，實(shí)現(xiàn)密閉容器內(nèi)外數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕绞绞峭ㄟ^電纜完成。使用電纜就必然要對密閉容器打孔，這必然會對密閉容器的密閉性和完整性造成影響，特別是對抗壓性和密閉性要求很高的密閉容器比如：壓力容器、核電站安全殼、各種管道等，影響將會更加嚴(yán)重。常用的無線通信信號由于屏蔽作用不能實(shí)現(xiàn)鋼制或較厚鋼筋混凝土密閉容器內(nèi)外通信。例如核電站安全殼是防止放射性物質(zhì)向外泄露的最后一道屏障，對反應(yīng)堆控制需要大量電纜進(jìn)行信號傳輸，目前的技術(shù)條件一貫采用在安全殼上預(yù)留好貫穿件，使得電纜穿過安全殼來實(shí)現(xiàn)安全殼內(nèi)外通信，貫穿件的預(yù)留不可避免會影響到安全殼結(jié)構(gòu)的完整性。并且安全殼是由厚度為44.5mm的鋼板和0.914m的鋼筋混凝土做成，傳統(tǒng)無線通信信號根本無法實(shí)現(xiàn)安全殼內(nèi)外無線通信。

由于超聲波換能器只能在單工狀態(tài)下工作，一對超聲波換能器嚴(yán)重影響通信的效率，使用兩對超聲波換能器可以實(shí)現(xiàn)密閉容器內(nèi)外相互通信，提高通信效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述問題，本實(shí)用新型提出了一種雙通道超聲通信系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)利用超聲波作為信息傳遞載波，密閉容器器壁1作為信號傳遞的信道；利用耦合劑2分別將中心軸線對齊的一對超聲波換能器甲3-1、超聲波換能器乙3-2和另一對超聲波換能器丙4-1、超聲波換能器丁4-2分別粘貼在密閉容器器壁1兩側(cè)；密閉容器內(nèi)部電路5與超聲波換能器甲3-1、超聲波換能器乙3-2連接；密閉容器內(nèi)部電路6與超聲波換能器丙4-1、超聲波換能器丁4-2連接。

密閉容器是由密閉容器器壁1和內(nèi)部空間所組成的封閉容器，組成材料為鋼板或鋼筋混凝土，還包括壓力容器和安全殼。

所述耦合劑2是由環(huán)氧樹脂和固化劑按比例配制。

所述密閉容器外部電路包括第一USB端口5-2、第一USB轉(zhuǎn)UART電路5-3、載波生成電路5-4、第一CPLD5-5、第一光耦電路5-6、第一驅(qū)動電路5-7、第一超聲波換能器3-1、第二超聲波換能器3-2、第一放大電路5-8、第一濾波電路5-9、第一檢波電路5-10、第一比較電路5-11組成；第一USB端口5-2一端插入PC機(jī)5-1另一端與第一USB轉(zhuǎn)UART電路5-3相連，第一USB轉(zhuǎn)UART電路5-3與第一CPLD5-5的1號管腳相連，載波生成電路5-4與第一CPLD5-5的2號管腳相連，第一CPLD5-5的3號管腳連接第一比較電路5-11一端，第一CPLD5-5的4號管腳連接第一光耦電路5-6一端，第一光耦電路5-6另一端與第一驅(qū)動電路5-7連接，第一驅(qū)動電路5-7最后連接到第一超聲波換能器3-1，第二超聲波換能器3-2連接第一放大電路5-8一端，第一放大電路5-8另一端連接第一濾波電路5-9第一，濾波電路5-9連接第一檢波電路5-10，第一檢波電路5-10連接第一比較電路5-11，第一比較電路5-11連接到第一CPLD5-5的3號管腳。

所述密閉容器內(nèi)部電路包括第二USB端口6-2、第二USB轉(zhuǎn)UART電路6-3、有源晶振6-4、第二CPLD6-5、第二光耦電路6-6、第二驅(qū)動電路6-7、第三超聲波換能器4-1、第四超聲波換能器4-2、第二放大電路6-8、第二濾波電路6-9、第二檢波電路6-10、第二比較電路6-11組成；第二USB端口5-2一端插入PC機(jī)5-1另一端與第二USB轉(zhuǎn)UART電路5-3相連，第二USB轉(zhuǎn)UART電路6-3與第二CPLD6-5的1號管腳相連，有源晶振6-4與第二CPLD6-5的2號管腳相連，第二CPLD6-5的3號管腳連接第二比較電路6-11一端，第二CPLD6-5的4號管腳連接第二光耦電路6-6一端，第二光耦電路6-6另一端與第二驅(qū)動電路6-7連接，第二驅(qū)動電路6-7最后連接到第三超聲波換能器4-1，第四超聲波換能器4-2連接第二放大電路6-8一端，第二放大電路6-8另一端連接第二濾波電路6-9，第二濾波電路6-9連接第二檢波電路6-10，第二檢波電路6-10連接第二比較電路6-11，第二比較電路6-11連接到第二CPLD6-5的3號管腳。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)將電磁隔離分為電源隔離和信號隔離。

所述電源隔離具體為系統(tǒng)供電主電源為11V-15V,通過兩路1205S電磁隔離電源輸出5V的電源；其中一路5V用于高頻變壓器為超聲波換能器和為光電耦合器輸出端提供電源，另一路5V給CX10206A專用芯片，同時(shí)通過ASM117轉(zhuǎn)換成3.3V給CPLD和光電耦合器輸入端供電。

所述信號隔離具體為系統(tǒng)中采用光電耦合器實(shí)現(xiàn)信號隔離。

有益效果

本實(shí)用新型在不破壞密閉容器密閉性、完整性的前提下依然能夠可以實(shí)現(xiàn)密閉容器內(nèi)外的無線通信；不占用無線通信頻率；抗干擾能力強(qiáng)；實(shí)現(xiàn)全雙工內(nèi)外通信；無誤碼率信息傳輸；雙通道傳輸提高傳輸速度。

附圖說明

圖1雙通道超聲通信系統(tǒng)總框圖

圖2雙通道超聲通信系統(tǒng)外部電路框圖

圖3雙通道超聲通信系統(tǒng)內(nèi)部電路框圖

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，對本實(shí)用新型作詳細(xì)說明。如圖1所示，利用超聲波作為信息傳遞載波，密閉容器器壁1作為信號傳遞的信道；采用兩對超聲波換能器3-1、3-2和4-1、4-2，利用耦合劑2分別將已經(jīng)中心軸線對齊的兩對超聲波換能器3-1、3-2和4-1、4-2分別粘貼在密閉容器器壁1兩側(cè)；整個(gè)系統(tǒng)由兩部分電路組成：密閉容器內(nèi)部電路和密閉容器外部電路。

電路連接：

如圖2所示，密閉容器外部電路包括第一USB端口5-2、第一USB轉(zhuǎn)UART電路5-3、載波生成電路5-4、第一CPLD5-5、第一光耦電路5-6、第一驅(qū)動電路5-7、第一超聲波換能器3-1、第二超聲波換能器3-2、第一放大電路5-8、第一濾波電路5-9、第一檢波電路5-10、第一比較電路5-11組成；第一USB端口5-2一端插入PC機(jī)5-1另一端與第一USB轉(zhuǎn)UART電路5-3相連，第一USB轉(zhuǎn)UART電路5-3與第一CPLD5-5的1號管腳相連，載波生成電路5-4與第一CPLD5-5的2號管腳相連，第一CPLD5-5的3號管腳連接第一比較電路5-11一端，第一CPLD5-5的4號管腳連接第一光耦電路5-6一端，第一光耦電路5-6另一端與第一驅(qū)動電路5-7連接，第一驅(qū)動電路5-7最后連接到第一超聲波換能器3-1，第二超聲波換能器3-2連接第一放大電路5-8一端，第一放大電路5-8另一端連接第一濾波電路5-9第一，濾波電路5-9連接第一檢波電路5-10，第一檢波電路5-10連接第一比較電路5-11，第一比較電路5-11連接到第一CPLD5-53號管腳。

如圖3所示，密閉容器內(nèi)部電路包括第二USB端口6-2、第二USB轉(zhuǎn)UART電路6-3、有源晶振6-4、第二CPLD6-5、第二光耦電路6-6、第二驅(qū)動電路6-7、第三超聲波換能器4-1、第四超聲波換能器4-2、第二放大電路6-8、第二濾波電路6-9、第二檢波電路6-10、第二比較電路6-11組成；第二USB端口5-2一端插入PC機(jī)5-1另一端與第二USB轉(zhuǎn)UART電路5-3相連，第二USB轉(zhuǎn)UART電路6-3與第二CPLD6-5的1號管腳相連，有源晶振6-4與第二CPLD6-5的2號管腳相連，第二CPLD6-5的3號管腳連接第二比較電路6-11一端，第二CPLD6-5的4號管腳連接第二光耦電路6-6一端，第二光耦電路6-6另一端與第二驅(qū)動電路6-7連接，第二驅(qū)動電路6-7最后連接到第三超聲波換能器4-1，第四超聲波換能器4-2連接第二放大電路6-8一端，第二放大電路6-8另一端連接第二濾波電路6-9，第二濾波電路6-9連接第二檢波電路6-10，第二檢波電路6-10連接第二比較電路6-11，第二比較電路6-11連接到第二CPLD6-5的3號管腳。

密閉容器外部電路包含至少一個(gè)輸入端，輸入端口由第一USB端口5-2和一個(gè)USB轉(zhuǎn)UART電路5-3組成，信號通過所述輸入端口進(jìn)入所述超聲通信系統(tǒng)，輸入數(shù)字信號與載波生成電路5-4生成的載波信號，通過第一CPLD5-5進(jìn)行編碼和調(diào)制，生成的方波數(shù)字信號，波數(shù)字信號經(jīng)過第一光耦電路5-6進(jìn)行光電隔離，輸入到第一驅(qū)動電路5-7，方波數(shù)字信號經(jīng)過第一驅(qū)動電路5-7輸出正弦脈沖信號，超聲波換能器3-1將第一驅(qū)動電路5-7輸出的正弦脈沖信號轉(zhuǎn)換為超聲信號。

密閉容器內(nèi)部超聲波換能器4-2接收到外部超聲波換能器3-1所發(fā)送的超聲波信號，信號經(jīng)過第二放大電路6-8、第二濾波電路6-9、第二檢波電路6-10、第二比較電路6-11的連續(xù)處理后輸入到第二CPLD器件6-5 3號管腳，經(jīng)過第二CPLD器件6-5處理后由第二USB接口芯片6-3、第二USB端口6-2輸入到PC機(jī)6-1相連。

在密閉容器內(nèi)部的有源晶振6-4產(chǎn)生的信號經(jīng)過分頻在第二CPLD6-5內(nèi)產(chǎn)生載波信號，產(chǎn)生的載波信號搭載內(nèi)部反饋信號通過第二CPLD6-5進(jìn)行編碼和調(diào)制，生成的方波數(shù)字信號，波數(shù)字信號經(jīng)過第二光耦電路6-6進(jìn)行光電隔離，輸入到第二驅(qū)動電路6-7，方波數(shù)字信號經(jīng)過第二驅(qū)動電路6-7輸出正弦脈沖信號，超聲波換能器4-1將第二驅(qū)動電路6-7輸出的正弦脈沖信號轉(zhuǎn)換為超聲信號。

超聲波換能器3-2接收來自密閉容器外部電路的反饋信號，信號經(jīng)過放大電路5-8、濾波電路5-9、檢波電路5-10、比較電路5-11的連續(xù)處理后輸入到CPLD5-5的3號管腳，經(jīng)過CPLD器件5-5處理后由USB接口芯片5-3、USB端口5-2輸入到PC機(jī)5-1。

電磁隔離：

由于電路中存在高頻率脈沖信號，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了電磁隔離。電磁隔離分為電源隔離和信號隔離。

電源隔離，系統(tǒng)供電主電源為11V-15V,通過兩路1205S電磁隔離電源輸出5V的電源。其中一路5V用于高頻變壓器為超聲波換能器和為光電耦合器輸出端提供電源。另一路5V給CX10206A專用芯片，同時(shí)通過ASM117轉(zhuǎn)換成3.3V給CPLD和光電耦合器輸入端供電。這樣就實(shí)現(xiàn)了信號處理和換能高頻輸出的電源隔離。

信號隔離，CPLD輸出的調(diào)制信號為3.3VTTL，而對應(yīng)超聲換能器所需能力比較大，所以系統(tǒng)中我們采用光電耦合器實(shí)現(xiàn)信號隔離。

連接用于實(shí)現(xiàn)發(fā)送訪問指令；信號處理電路與密閉容器內(nèi)部超聲換能器相連接，用于實(shí)現(xiàn)接收外部發(fā)送的指令；密閉容器內(nèi)部驅(qū)動電路與超聲波換能器相連接，用于實(shí)現(xiàn)發(fā)送反饋信號；換能器與密閉容器外部信號處理電路連接，用于實(shí)現(xiàn)接收內(nèi)部發(fā)送的反饋信號。密閉容器內(nèi)外電路都分別由一個(gè)CPLD模塊對內(nèi)外電路進(jìn)行總線控制和時(shí)序控制。超聲波換能器是能夠?qū)崿F(xiàn)電能與機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的設(shè)備。在壓力的作用下超聲波換能器內(nèi)的壓電晶片就會發(fā)生形變，導(dǎo)致晶片發(fā)生極化發(fā)生壓電效應(yīng)，將超聲波信號轉(zhuǎn)化為電信號；且壓電效應(yīng)具有可逆性，由于壓電晶片的逆壓電效應(yīng)，可以將電信號轉(zhuǎn)化為超聲波信號。由于超聲波換能器同一時(shí)刻只能實(shí)現(xiàn)一種模式的能量轉(zhuǎn)換，本實(shí)用新型采用兩對超聲波換能器實(shí)現(xiàn)密閉容器內(nèi)外信號的同時(shí)傳輸

USB接口芯片是提供一種與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信和存儲到計(jì)算機(jī)的方式。

CPLD器件主要是實(shí)現(xiàn)總線控制和時(shí)序控制。

CPLD器件在內(nèi)部電路還用于通過分頻生成載波。