【摘 要】
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在现代海洋开发中,海底沉积物的研究对能源开采和国防建设有着重要的影响,而海底沉积物测量系统的性能直接影响着测量结果,因此对海底沉积物测量系统的要求也在不断地提高,降低功耗对原位测量尤其重要。海底沉积物测量系统一般由主控模块,声波信号发生模块,声波发射驱动模块,信号调理模块以及采样模块组成。声波信号的产生主要有两种方法,一种是硬件,一种是软件。目前的声波信号发生模块采用的是模拟电路产生声波信号相应的
【基金项目】
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国家基金项目:海底沉积物垂向声学特性与物理力学性质相关变化规律的应用研究(批准号:41976180); 国家基金重大科学仪器项目:复杂深海工程地质原位长期观测设备研制(批准号:41427803);
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在现代海洋开发中,海底沉积物的研究对能源开采和国防建设有着重要的影响,而海底沉积物测量系统的性能直接影响着测量结果,因此对海底沉积物测量系统的要求也在不断地提高,降低功耗对原位测量尤其重要。海底沉积物测量系统一般由主控模块,声波信号发生模块,声波发射驱动模块,信号调理模块以及采样模块组成。声波信号的产生主要有两种方法,一种是硬件,一种是软件。目前的声波信号发生模块采用的是模拟电路产生声波信号相应的正弦脉冲宽度调制(以下简称为SPWM)信号给发射驱动模块进行功率放大,信号发生模块功耗占系统整体功耗达15%~20%。在主控模块采用STM32低功耗CPU的条件下,利用STM32的高速特性直接产生SPWM信号,省去信号发生模块,使海底沉积物测量系统减小功耗,降低系统复杂性,对于原位声波测量工作有着重要意义。论文研究利用STM32 CPU结合自然采样法直接产生SPWM信号的方法。通过STM32程序产生与声波信号对应的SPWM信号,并将其输入声波发射功率放大电路(以下简称功放电路),放大后的SPWM电压波形经低通滤波得到放大并与原声波信号波形对应的驱动电压,激励换能器产生声波。为了满足时域测量和频域测量需要,将正弦波,扫频波和调幅波作为声波信号,开展了实验研究。本文主要完成的工作如下:(1)讨论了SPWM的原理,及SPWM的两种调制方法及其三种生成算法,通过对比分析确定本文的调制方法为双极性调制法,生成算法为自然采样法。在此基础上,本文提出了基于STM32产生SPWM信号的数字方法。(2)介绍了课题组前期研制的海底沉积物声波测量系统,提出了改进方案。并详细阐述改进的主要内容,及相应的D类功放电路。(3)论述了软件开发过程,其中着重分析了SPWM的互补输出,死区时间的设计,以及声波信号幅值与频率对SPWM输出波形的影响。为了便于开展实验对比,还设计了有关波形的DAC与DMA输出程序。(4)对上述结果开展了实验验证。实验结果表明本文提出的基于STM32产生SPWM信号的数字方法和所设计开发的程序可以通过功放电路有效地产生三种声波波形,也表明了本文提出的基于STM32产生海底沉积物测量声源SPWM信号方法和程序是正确有效的。
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