[发明专利]一种微型无线水声通信节点电路

权利要求书

1.一种微型无线水声通信节点电路，存在两种工作模式，分别为发射模式和接收模式；两种工作模式共同包含的电路有：电源电路、主控电路、工作模式切换电路、水声换能器接口电路、对外串行接口电路；仅在发送模式包含的电路有：信号调制电路、信号驱动电路、信号功率放大电路；仅在接收模式中包含的电路有：信号可控增益放大电路、信号带通滤波电路、信号解调电路；

所述的电源电路包括电源转换芯片U1、U2、U3、U4、U5，保险丝F1，接插件X1，电感L1、L2，发光二极管D1、D2、D3，电阻R1、R2、R3、R4、R5，电容C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9、C10、C11、C12；接插件X1的1脚和2脚均与保险丝F1的一端相连，保险丝F1的另一端、电源转换芯片U1的2脚、电容C2的一端与输入电压VCC_24V相连，电容C2的另一端、电源转换芯片U1的1脚、接插件X1的3脚、4脚与地DGND相连，电容C4的正极、电源转换芯片U1的6脚、电阻R3的一端、电源转换芯片U2的1脚与电源转换芯片U2的2脚相连，作为5V电源输出，电容C4的负极、电源转换芯片U1的7脚、电容C3的负极与地DGND相连，电容C3的正极和电源转换芯片U1的8脚相连，电阻R3的另一端和发光二极管D1的正极相连，发光二极管D1的负极、电源转换芯片U2的3脚和地DGND相连；电容C1的一端与电源转换芯片U2的4脚相连，作为VCC3V电源输出，电容C1的另一端接地DGND；电容C5的一端、电源转换芯片U2的6脚与地DGND相连，电容C5的另一端和电源转换芯片U2的5脚相连；电阻R1的一端和地DNGD相连，电阻R1的另一端、电阻R2的一端和地AGND相连，电阻R2的另一端和地GND相连；电容C6的一端、电源转换芯片U3的1脚和输入电压+24V相连，电容C6的另一端、电源转换芯片U3的2脚、电容C7的一端和地GND相连，电容C7的另一端、电源转换芯片U3的3脚与电阻R4的一端相连，作为VCC_12V电源输出，电阻R9的另一端和发光二极管D2的正极相连，发光二极管D2的负极和地GND相连；电容C9的一端、电源转换芯片U4的1脚和输入电压+24VA相连，电容C9的另一端、电源转换芯片U4的2脚、电容C10的一端和地AGND相连，电容C10的另一端、电源转换芯片U4的3脚与电阻R5的一端相连，作为12V电源输出，电阻R5的另一端和发光二极管D3的正极相连，发光二极管D3的负极和地AGND相连；电容C8的一端、电源转换芯片U5的2脚和输入电压+24VA相连，电容C8的另一端、电源转换芯片U5的1脚和地AGND相连，电感L1的一端和电源转换芯片U5的8脚相连，电感L1的另一端和电容C11的负极相连，作为N_5VA电源输出，电容C11的正极接地AGND；电感L2的一端和电源转换芯片U5的6脚相连，电感L2的另一端和电容C12的一端相连，作为P_5VA电源输出，电容C12的负极接地AGND；电源转换芯片U5的7脚和地AGND相连；

所述的主控电路包括主控芯片U6，无源晶振Y1，有源晶振Y2、Y3，下载调试接口J1，发光二极管D4，电容C13、C14、C15、C16、C17、C18、C19、C20、C21、C22，电阻R6、R7、R8、R9、R10、R11；电容C13的一端、电容C14的一端、主控芯片U6的10脚、主控芯片U6的12脚和地DGND相连，电容C13的另一端、电容C14的另一端和主控芯片U6的9脚相连，作为VREF+参考电源输出；主控芯片U6的11脚和输入电压VCC3V相连；电容C16的一端、无源晶振Y1的2脚和主控芯片U6的13脚相连，电容C16的另一端、无源晶振Y1的3脚和电容C17的一端都接地DGND，电容C17的另一端、无源晶振Y1的1脚、主控芯片U6的14脚相连，主控芯片U6的12脚、15脚接地DGND；电容C18的一端、主控芯片U6的25脚和输入电压VCC3V相连，电容C18的另一端和主控芯片U6的26脚接地DGND，主控芯片U6的29脚接地DGND；主控芯片U6的34脚、42脚和有源晶振Y3的3脚相连，有源晶振Y3的4脚、电容C15的一端和输入电压VCC3V相连，电容C15的另一端和有源晶振Y3的2脚都接地DGND；下载调试接口J1的2脚和电阻R6的一端相连，电阻R6的另一端和电阻R7的一端接输入电压VCC3V，电阻R7的另一端和下载调试接口J1的4脚相连；下载调试接口J1的8脚与电阻R8的一端相连，电阻R8的另一端与主控芯片U6的91脚相连；下载调试接口J1的9脚接地DGND，下载调试接口J1的11脚和电阻R10的一端相连，电阻R10的另一端、电容C19的一端和输入电压VCC3V相连，电容C19的另一端、主控芯片U6的90脚都接地DGND；主控芯片U6的89脚和电阻R9的一端接输入电压VCC3V，电阻R9的另一端和主控芯片U6的87脚相连；电容C20的一端和主控芯片U6的86脚相连，电容C20的另一端接地DGND；有源晶振Y2的3脚和主控芯片U6的84脚相连，有源晶振Y2的4脚、电容C20的一端和输入电压VCC3V相连，电容C20的另一端接地DGND；有源晶振Y2的1脚、主控芯片U6的83脚、76脚、电容C21的一端都接地DGND，电容C21的另一端和主控芯片U6的81脚相连；主控芯片U6的64脚、电容C22的一端都接输入电压VCC3V，电容C22的另一端、主控芯片U6的63脚都接地DGND；电阻R11的一端和输入电压VCC3V相连，电阻R11的另一端和发光二极管D4的正极相连，发光二极管D4的负极和主控芯片U6的57脚相连；

所述的工作模式切换电路包括继电器开关K1、K2，二极管D5、D6，三极管Q1、Q2、电阻R12、R13、R14、R15、R16、R17，电容C23、C24；电容C23的一端、电阻R15的一端都接输入电压5V，电容C23的另一端接地DGND，电阻R15的另一端、二极管D5的阴极、继电器开关K1的1脚相连，继电器开关K1的5脚、6脚接输入电压VCC_24V，继电器开关K1的7脚、8脚接输入电压+24V，继电器开关K1的2脚、二极管D5的阳极、三极管Q1的2脚相连，三极管Q1的1脚、电阻R13的一端、电阻R12的一端相连，三极管Q1的3脚、电阻R13的另一端和地DGND相连，电阻R12的另一端和主控芯片U6的43脚相连；电容C24的一端、电阻R16的一端都接输入电压5V，电容C24的另一端接地DGND，电阻R16的另一端、二极管D6的阴极、继电器开关K2的1脚相连，继电器开关K2的5脚、6脚接输入电压VCC_24V，继电器开关K2的7脚、8脚接输入电压+24V，继电器开关K2的2脚、二极管D6的阳极、三极管Q2的2脚相连，三极管Q2的1脚、电阻R17的一端、电阻R14的一端相连，三极管Q2的3脚、电阻R17的另一端和地DGND相连，电阻R14的另一端和主控芯片U6的44脚相连；

所述的信号调制电路包括调制芯片U7，电阻R18、R19、R20，滑动变阻器R21、R22、R23，电容C25、C26、C27、C28；调制芯片U7的1脚接地GND，调制芯片U7的2脚和电容C25的一端相连，电容C25的另一端接FSK_OUT；调制芯片U7的3脚和滑动变阻器R21的一端相连，滑动变阻器R21的另一端、电阻R20的一端、电阻R19的一端、电容C26的正极相连，电阻R20的另一端接输入电压VCC_12V，电容C26的负极、电阻R19的另一端都接地GND；调制芯片U7的4脚接输入电压VCC_12V，调制芯片U7的5脚和电容C27的一端相连，电容C27的另一端和调制芯片U7的6脚相连；调制芯片U7的7脚和滑动变阻器R22的一端相连，滑动变阻器R22的另一端、滑动变阻器R23的一端相连并接地GND，滑动变阻器R23的另一端和调制芯片U7的8脚相连；调制芯片U7的9脚和主控芯片U6的37脚相连，调制芯片U7的10脚和电容C28的正极相连，电容C28的负极和调制芯片U7的12脚都接地GND；电阻R18的一端接调制芯片U7的14脚，电阻R18的另一端接调制芯片U7的13脚；

所述的信号驱动电路包括全桥驱动芯片U8，正相驱动芯片U9、U10，电阻R24、R25、R26、R27、R28，电容C29、C30、C31、C32、C33、C34；电阻R24的一端接FSK_OUT，电阻R24的另一端和全桥驱动芯片U8的1脚相连，全桥驱动芯片U8的3脚和输入电压5V相连，全桥驱动芯片U8的4脚和地DGND相连，全桥驱动芯片U8的5脚、电阻R27的一端、主控芯片U6的38脚相连，电阻R27的另一端、全桥驱动芯片U8的8脚、电容C34的一端都接输入电压5V，电容C34的另一端和地DGND相连，全桥驱动芯片U8的6脚和电阻R26的一端相连，电阻R26的另一端和地DGND相连；全桥驱动芯片U8的9脚和地GND相连，全桥驱动芯片U8的16脚、11脚、电容C30的一端都和输入电压VCC_12V相连，电容C30的另一端、全桥驱动芯片U8的14脚和地GND相连；全桥驱动芯片U8的15脚和电阻R25的一端相连，电阻R25的另一端和正相驱动芯片U9的2脚相连，正相驱动芯片U9的1脚、电容C31的正极和输入电压VCC_12V相连，电容C31的负极和地GND相连，正相驱动芯片U9的4脚和5脚均接地GND，正相驱动芯片U9的6脚和7脚相连，正相驱动芯片U9的8脚、电容C29的一端和输入电压VCC_12V相连，电容C29的另一端和地GND相连；全桥驱动芯片U8的10脚和电阻R28的一端相连，电阻R28的另一端和正相驱动芯片U10的2脚相连，正相驱动芯片U10的1脚、电容C32的一端和输入电压VCC_12V相连，电容C32的另一端和地GND相连，正相驱动芯片U10的4脚和5脚均接地GND，正相驱动芯片U10的6脚和7脚相连，正相驱动芯片U10的8脚、电容C33的一端和输入电压VCC_12V相连，电容C33的另一端和地GND相连；

所述的信号功率放大电路包括MOS管Q3、Q4，二极管D7、D8、D9、D10、D11、D12、D13、D14，变压器T1，电感L3，电容C35、C36、C37、C38、C39，电阻R29、R30、R31、R32、R33、R34、R35；电阻R30的一端、电容C37的一端和正相驱动芯片U9的6脚相连，电阻R30的另一端、电容C37的另一端、二极管D7的阴极、电阻R31的一端和MOS管Q3的1脚相连，二极管D7的阳极和电阻R31的另一端接地GND；MOS管Q3的2脚、电阻R29的一端、二极管D8的阳极、二极管D9的阴极、变压器T1的3脚相连，电阻R29的另一端、二极管D8的阴极与电容C38的一端相连，电容C38的另一端、二极管D9的阳极相连、MOS管Q3的3脚都接地GND；电阻R35的一端、电容C41的一端和正相驱动芯片U10的6脚相连，电阻R35的另一端、电容C41的另一端、二极管D14的阴极、电阻R35的一端和MOS管Q4的1脚相连，二极管D14的阳极和电阻R35的另一端接地GND；MOS管Q4的2脚、电阻R33的一端、二极管D11的阳极、二极管D9的阴极、变压器T1的5脚相连，电阻R33的另一端、二极管D11的阴极、电容C36的一端相连，二极管D10的阳极、电容C36的另一端、MOS管Q4的3脚都接地GND；变压器T1的4脚、电容C39的正极都和输入电压+24V相连，电容C39的负极和地GND相连，变压器T1的2脚、电阻R32的一端、电感L3的一端相连，变压器T1的1脚、电阻R32的另一端都和地AGND相连，电感L3的另一端、二极管D12的阳极、二极管D13的阴极相连二极管D12的阴极、二极管D13的阳极相连；

所述的水声换能器接口电路包括接插件J2、电阻R36、二极管D14、二极管D15；接插件J2的1脚、接插件J2的2脚、电阻R36的一端和二极管D12的阴极相连，电阻R36的另一端、二极管D14的阴极、二极管D15的阳极相连，接插件J2的3脚、接插件J2的4脚、二极管D14的阳极、二极管D15的阴极都和地AGND相连；

所述的信号可控增益放大电路包括运放芯片U11、U12、U13，电阻R37、R38、R39、R40、R41、R42、R43、R44、R45、R46、R47、R48、R49、R50，电容C40、C41、C42、C43、C44、C45、C46，开关二极管D5；运放芯片U11的5脚和二极管D15的阳极相连，运放芯片U11的2脚和电阻R44的一端相连，运放芯片U11的15脚和电阻R44的另一端相连，运放芯片U11的4脚和地AGND相连，运放芯片U11的7脚、电阻R48的一端、电容C42的一端相连，电阻R48的另一端接输入电压N_5VA，电容C42的另一端接地AGND，运放芯片U11的13脚、电阻R37的一端、电容C43的一端相连，电阻R37的另一端接输入电压P_5VA，电容C43的另一端接地AGND，运放芯片U11的10脚和地AGND相连，运放芯片U11的11脚和电容C45的一端相连，电容C45的另一端、电阻R45的一端、电阻R43的一端相连，电阻R45的另一端接地AGND；电阻R43的另一端、运放芯片U12的2脚、电阻R47的一端、开关二极管D16的3脚相连，运放芯片U12的6脚、电阻R47的另一端、开关二极管D16的1脚、开关二极管D16的2脚、电阻R42的一端相连，运放芯片U12的4脚、电阻R50的一端、电容C46的一端相连，电阻R50的另一端和输入电压N_5VA，电容C48的另一端接地AGND，运放芯片U12的7脚、电阻R38的一端、电容C44的一端相连，电阻R38的另一端和输入电压P_5VA，电容C44的另一端接地AGND；电阻R42的另一端、运放芯片U13的2脚、电阻R46的一端相连，运放芯片U13的6脚、电阻R46的另一端相连，运放芯片U13的4脚、电阻R49的一端、电容C45的一端相连，电阻R49的另一端和输入电压N_5VA，电容C45的另一端接地AGND，运放芯片U13的7脚、电阻R39的一端、电容C42的一端相连，电阻R39的另一端和输入电压P_5VA，电容C42的另一端接地AGND；

所述的信号带通滤波电路包括滤波芯片U14、电阻R51、R52、R53、R54、R55、R56、R57、R58、R59、R60、R61、R62、R63、R64，电容C47、C48、C49、C50；电阻R52的一端和运放芯片U13的6脚相连，电阻R52的另一端、滤波芯片U14的1脚、电阻R53的一端、电阻R56的一端相连，滤波芯片U14的2脚、电阻R53的另一端、电阻R51的一端相连，电阻R51的另一端和滤波芯片U14的20脚相连，滤波芯片U14的3脚和电阻R56的另一端相连，滤波芯片U14的4脚、7脚、电容C49的一端、电阻60的一端相连，电容C49的另一端接地AGND，电阻R60的另一端和N_5VA相连；滤波芯片U14的5脚、电阻R59的一端、电容C50的一端相连，电容C50的另一端接地AGND，电阻R59的另一端和P_5VA相连；滤波芯片U14的6脚和地AGND相连，滤波芯片U14的8脚和电阻R64的一端相连，滤波芯片U14的9脚、电阻R58的一端、电容C48的一端相连，电阻R64的另一端、电阻R58的另一端、滤波芯片U14的10脚和电阻R62的一端相连；电容C48的另一端、滤波芯片U14的11脚、电阻R63的一端、电阻R55的一端相连，电阻R63的另一端、滤波芯片U14的13脚相连，电阻R55的另一端和滤波芯片U14的12脚相连；电阻R62的另一端、滤波芯片U14的19脚和电阻R54的一端相连，电阻R54的另一端、电阻R57的一端、滤波芯片U14的20脚相连，电阻R57的另一端和滤波芯片U14的18脚相连；滤波芯片U14的14脚、16脚、17脚、电阻R61的一端、电容C47的一端相连，电容C47的另一端和地AGND相连，电阻R61的另一端和输入电压N_5VA相连，滤波芯片U14的15脚和地AGND相连；

所述的信号解调电路包括解调芯片U15、电阻R65、R66、R67、R68、R69、R70、滑动变阻器R71，电容C51、C52、C53、C54、C55；解调芯片U15的1脚和输入电压12V相连，解调芯片U15的3脚、电容C51的一端、电阻R66的一端相连，电容C51的另一端、电阻R66的另一端和地AGND相连，解调芯片U15的4脚和地AGND相连，解调芯片U15的5脚和电阻R68的一端相连，解调芯片U15的6脚、7脚、电阻R69的一端和主控芯片U6的97脚相连，电阻R68的另一端、电阻R69的另一端和输入电压12V相连；解调芯片U15的8脚、电容C55的一端、电阻R70的一端相连，电容C55的另一端和地AGND相连，解调芯片U15的10脚和电容C53的一端相连，电容C53的另一端和地AGND相连，电阻R70的另一端、解调芯片U15的11脚、电容C54的一端、电阻R65的一端相连，电容C54的另一端和地AGND相连，电阻R65的另一端、解调芯片U15的12脚、电阻R67的一端相连，电阻R67的另一端、滑动变阻器R71的一端相连，滑动变阻器R71的另一端接地AGND，解调芯片U15的13脚和电容C52的一端相连，电容C52的另一端和解调芯片U15的14脚相连；

所述的对外串行接口电路包括串口芯片U16，串口接口J2，电容C56、C57、C58、C59、C60；串口芯片U16的1脚和电容C57的一端相连，电容C57的另一端和串口芯片U16的3脚相连，串口芯片U16的2脚和电容C60的一端相连，电容C60的另一端和输入电压VCC3V相连，串口芯片U16的4脚和电容C58的一端相连，电容C58的另一端和串口芯片U16的5脚相连，串口芯片U16的6脚和电容C59的一端相连，电容C59的另一端和地DGND相连；串口芯片U16的11脚和主控芯片U6的21脚相连，串口芯片U16的12脚和主控芯片U6的22脚相连，串口芯片U16的13脚和串口接口J2的3脚相连，串口芯片U16的14脚和串口接口J2的2脚相连，串口芯片U16的15脚、电容C56的一端都和地DGND相连，电容C56的另一端、串口芯片U16的16脚和输入电压VCC3V相连，串口接口J2的5脚和地DGND相连；

所述主控芯片U6通过控制继电器开关K1、K2来控制发射部分电路、接收部分电路的输入电源，进而决定整体发明电路的工作模式：发送模式和接收模式；在发送模式时，串口芯片U16将来自外部传感器的数字信号传输到主控芯片U6上进行整合处理，调制芯片U7对整理后的数字信号调制成FSK信号，以增加信号在水下的抗干扰性；随后全桥驱动芯片U8以及正相驱动芯片U9、U10负责对已调制的信号进行双路驱动并放大信号的幅度，最后变压器T1对信号进行升压，使其功率能放大到驱动水声换能器工作，水声换能器将功率放大后的已调制电信号转换为声信号，并传输到水下进行发送；在接收模式时，水声换能器将接收到的声信号转换为微弱的电信号，运放芯片U11、U12、U13对该微弱的电信号进行多级放大，随后将放大后的信号传输到滤波芯片U14进行带通滤波，目的是将电信号的环境噪声滤除，FSK解调芯片U15负责将滤波后的电信号解调还原成数字信号并将其传输到主控芯片U6上进行整合处理；

所述的电源转换芯片U1采用的是MORNSUN公司的稳压电源芯片WRF2405S-1WR2，电源芯片U2采用的是TI公司的开关电源芯片TPS79633，电源芯片U3、U4采用的是ST意法半导体公司的稳压电源芯片L7812，电源芯片U5采用的是MORNSUN公司的稳压电源芯片WRE2405S-1WR2，主控芯片U6采用的是TI公司的MSP430F5535，继电器开关K1、K2采用的是北京博为同创电子科技有限公司的继电器开关G6S-2-Y，调制芯片U7采用的是Exar公司的FSK调制芯片XR2206，全桥驱动芯片U8采用的是 Silicon Labs公司推出的驱动芯片Si824BB，正向驱动芯片U9、U10采用的是深圳安顺盛电子科技有限公司的驱动芯片MIC4422B，变压器T1采用的是重庆ABB变压器有限公司的SJL双线圈电源变压器，运放芯片U11采用的是TI公司推出的INA217，运放芯片U12、U13采用的是ADI公司推出的OP184ES，滤波芯片U14采用的是深圳鹏盛达电子有限公司的LTC1562，解调芯片U15采用的是Exar公司的FSK解调芯片XR2211，串口芯片U16采用的是MAXIM公司推出的串口通讯芯片MAX3232。