面向工程创新人才培养的水声工程专业综合实验设计_张淑娟.pdf

ISSN 1006 7167CN 31 1707/TESEACH AND EXPLOATION IN LABOATOY第 42 卷 第 1 期Vol 42 No12023 年 1 月Jan 2023实验教学示范中心建设DOI:10 19927/j cnki syyt 2023 01 033面向工程创新人才培养的水声工程专业综合实验设计张淑娟，杨友福，李磊，朱建军，田野(哈尔滨工程大学 水声工程国家级实验教学示范中心，水声工程学院，哈尔滨 150001)摘要:以工程应用型创新人才培养为目标，通过改革现有实验教学模式，整合实验教学资源，将部分科研成果进行微缩，凝练出适合为本科生开展的“低功耗值班电路设计”综合实验教学项目。该项目以水声工程领域常用的低功耗值班电路为原型，实验过程包括文献查阅、总体方案设计、理论计算、硬件电路设计、程序开发以及综合调试等环节。通过综合实验的锻炼，学生能够更好地理解专业理论知识，掌握软、硬件设计步骤与方法，培育创新意识和科研兴趣，提高自主探究与分析问题的能力，为培养高素质工程应用型创新人才奠定坚实基础。关键词:工程应用;综合实验教学;创新人才中图分类号:G 642 0文献标志码:A文章编号:1006 7167(2023)01 0171 05Comprehensive Experimental Design for Engineering Innovative TalentsTraining in the Major of Underwater Acoustic EngineeringZHANG Shujuan，YANG Youfu，LI Lei，ZHU Jianjun，TIAN Ye(National Demonstration Center for Experimental Underwater Acoustic Engineering Education，College ofUnderwater Acoustic Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China)Abstract:To cultivate innovative talents with engineering applications，the comprehensive experimental project of“Low-Power Duty Circuit Design”，which is suitable for undergraduate students，has been condensed by reforming the existingexperimental teaching mode，integrating experimental teaching resources，and miniaturizing some scientific researchachievements The project is based on a low-power duty circuit commonly used in the field of underwater acousticengineering The experimental process includes literature review，overall scheme design，theoretical calculations，hardware circuit design，program development，and comprehensive debugging Through the exercise of comprehensiveexperiments，students can better understand professional theoretical knowledge，master the steps and methods of softwareand hardware design，be cultivated a sense of innovation and interest in scientific research and improved the ability ofindependent investigation and analysis of problems It lays a solid foundation for the forging of high-quality engineeringapplication-oriented innovative talentsKey words:engineering application;comprehensive experimental teaching;innovative talents收稿日期:2022-06-22基金项目:国家自然科学基金面上项目(42176188);黑龙江省高等教育教学改革研究项目(SJGY20200141);黑龙江省教育科学“十四五”规划 2022 年度重点课题(GJB1422103)作者简介:张淑娟(1982 )，女，内蒙古赤峰人，硕士，高级实验师，研究方向为实验室建设与创新实验教学技术。Tel:18946167139;E-mail:zhangshujuan hrbeu edu cn通信作者:杨友福(1982 )，男，黑龙江方正人，博士，讲师，研究方向为实验技术与方法，实验室管理。Tel:18946010921;E-mail:yangyoufu hrbeu edu cn0引言在水下定位、导航与通信等水声工程领域，水声设备需要长时间工作于封闭独立的水下环境中，由于水下封闭环境更换电池操作复杂，现阶段大多采用嵌入低功耗值班电路的方式来延长水下设备工作时长1-2。值班电路根据检测到的唤醒信号编码来确定第 42 卷工作状态，这不仅减少了电源的更换频次，还能通过人为规划设备工作时间的方式，使设备在相同电源供能条件下执行更长时间的远程水域任务3-6。因此，低功耗值班电路的合理设计对于提升水声设备的工作性能，延长工作时间，具有重大工程应用意义。基于工程应用型创新人才培养的目标，将上述科研成果进行指标压缩，凝练为适合大三学生的课程设计项目 “低功耗值班电路设计”，使学生在综合运用单片机、模拟电子技术、数字电子技术、信号处理等所学知识的基础上，同时了解新技术、学习新理论、掌握新知识以及建立工程设计思想，不断提高综合工程应用创新能力7-11。1实验项目设计(1)设计指标。值班电路可以采用数模结合的电路形式，水听器输出信号峰值电压大小约为 20 mV，要求工作功耗不高于 0 03 W。唤醒信号设计可以采用单频 CW 脉冲信号，也可以采用可靠性更高的编码信号来实现;系统核心控制部门采用 MSP430 系列开发板;其他电路结构自行设计完成。(2)实验方案。低功耗值班检测电路的硬件结构共包含前级放大电路、无源带通滤波电路、增益补偿电路、MSP430F149 开发板、继电器上电控制电路与后级工作电路几个部分。硬件结构与信号流图如图 1所示。系统所用的模数转换器要求输入电压范围通常在0 3 3 V12，为确保唤醒信号检测率，需要进行信号前级放大与滤波处理。滤波器采用无源带通滤波电路以减少功耗，有利于延长值班电路待机时间;增益补偿电路的作用是防止使用环境不同导致水听器输出电信号过低，或者无源带通滤波使待检测信号幅值过低增大量化误差，以此适应模数转换需求;MSP430F149 是一种超低功耗的混合信号控制器13，活动模式的功耗为280 A/MHz，待机时仅为1 6 A，从低功耗角度考虑，在实时性要求不高的情况下可将此作为值班电路的主控机;利用其片内外设 ADC 对信号进行一个脉冲周期的采样，对采集的数字信号进行 FFT 运算，通过频谱分析以得到待检测信号的填充频率，后续进行比较包络可相应的得到脉冲周期与脉宽信息，从而判定是否为唤醒 CW 信号(如无特殊说明，视水听器转换的电信号为唤醒信号);值班电路检测判决到唤醒信号时，单片机输出控制信号控制后级工作电路上电工作，给出明显的光提示信号以区分后级电路工作态与非工作态。图 1低功耗值班电路硬件结构与信号流图唤醒信号(模拟水听器接收信号)可选择最小幅值为20 mV、填充频率30 kHz、脉冲宽度20 ms、脉冲周期 50 ms 的单频 CW 信号，如图 2 所示。图 2唤醒信号2分模块电路设计2 1前级放大、增益补偿电路设计信号放大、滤波处理的目的是改善信噪比、提升信号质量，便于后续处理。因此，放大电路设计中芯片选型需要考虑信噪比性能和水声环境噪声级需求，通过市场调研，放大器设计可以采用噪声性能良好、静态功耗微小、价格低廉的 INA128 芯片14，经过计算可知，在符合应用需求的指标下，INA128 器件的信噪比指标SN=88 33 dB，理论静态功耗约为 3 mW，符合设计需求。根据 INA128 芯片手册的电路应用示例，放大电路部分设计及幅频特性如图 3 所示。可见，带宽特性符合需求，电路增益仅需对芯片管脚 1-8 间电阻进行调节，根据 INA128 的增益公式，若规定信号增益 G=120，则:G=1+50GG=50G 1G=420(1)271第 1 期张淑娟，等:面向工程创新人才培养的水声工程专业综合实验设计图 3基于 INA128 芯片设计的前级放大电路另外，设定增益补偿电路的可调信号增益范围为1 20 倍，计算 G=20 得:G=20=2 63 k(2)因此增益控制电路可设定 2 6 k 定值电阻与100 k 电位器进行串联，实现增益补偿电路的可调信号增益范围为 1 5 20 倍。实验过程中需要测试放大器的输出、输出信号，调节电位器观察输出信号幅度变化情况，通过测试数据分析电路工作情况。2 2滤波电路设计值班电路唤醒信号为单频正弦填充的 CW 脉冲信号，频谱分布为单频谱线，因此要求带通滤波电路具有更陡过渡带，反观对通带起伏没有明确限制。可以采用 ChebyshevII 型带通滤波电路结构15-16，幅频曲线如图 4 所示，通带带宽为 27 5 32 5 kHz 的无源滤波器幅频响应曲线。图 43 阶无源切比雪夫 II 型滤波电路及幅频响应图 4 可以看出，带通滤波模块的中心频率为 30kHz，通带带宽 3 kHz。依据电容与电感元件的串并联公式，以 367 3 nH 电感为例:367 3 nH=0 33 H+33 nH+3 3 nH+1 0 nH(3)以 24 31 F 电容为例:24 31 F=10 F+10 F+2 2 F+1 0 F+1 0 F+100 nF+10 nF(4)类似地可依据电容、电感样本标称值配置 3 阶无源切比雪夫 II 型滤波电路所需要的各电容与电感元件参数。2 3系统程序设计经前级放大电路、带通滤波电路后，接下来需对信号进行模数转换并分析频谱分布情况、脉宽与脉冲周期情况以对唤醒信号进行判决。低功耗值班电路设计需对采集的数字信号进行 FFT 运算，以采样率 100kHz 采集 50 ms 信号长度，并进行 5 000 点 FFT 运算。50 ms 信号长度对应一个脉冲周期，后续进行比较包络可相应的得到脉冲周期与脉宽信息，对实时性要求不高，因此从低功耗角度考虑，设计采用 MSP430F149作为低功耗值班电路的主控单片机。低功耗值班电路主程序与 A/D 中断程序流程图如图 5 所示。应用 MSP430F149 片内外设 ADC 之前，需要对ADC12 的转换控制寄存器“ADC12CTL0”、中断控制寄存器“ADC12IFG(中断标志寄存器)、ADC12IE(中断控制寄存器)”进行初始化，即设置采样率、使能 ADC片内外设等。同时，利用 MSP430F149 的一个 GPIO 进行上电控制信号的 3 3V 直流电压信号输出，因此，需要对 MSP430F149 的一个 GPIO 进行初始化。利