【摘要】：針對電磁屏蔽和密封環(huán)境等特殊環(huán)境下傳統(tǒng)電磁波通信和線纜通信效果不佳、實施不便的情況,本文利用超聲波在固體中衰減慢,穿透力強,不受電磁屏蔽和干擾影響等特性,設計了一種以超聲波作為載波,在固體媒介中進行信號傳輸?shù)南到y(tǒng),為特殊環(huán)境下的信號傳輸提供了一種有效的補充手段。首先,為了保證系統(tǒng)能夠實現(xiàn)并穩(wěn)定運行,從基礎理論出發(fā),對聲波在固體中的基本傳播特性和超聲波換能器的特性及匹配問題進行了分析。在分析了對信號傳輸造成干擾的次級聲波的形成機理及消除方法后,對整個信號傳輸系統(tǒng)和信道進行分析,并建立了系統(tǒng)和信道數(shù)學模型。然后,完成了基于固體中聲載波的信號傳輸系統(tǒng)的軟硬件系統(tǒng)的設計。硬件系統(tǒng)以STM32為控制處理核心,利用以場效應管和變壓器為核心的驅動電路激勵超聲換能器,并通過以保護電路、濾波電路和信號判定電路為核心的信號調(diào)理電路對超聲波接收信號進行處理。采用集成開發(fā)環(huán)境MDK進行軟件系統(tǒng)的開發(fā),分別對系統(tǒng)運行控制與狀態(tài)監(jiān)控軟件模塊、信號發(fā)送軟件模塊和信號接收軟件模塊進行了設計與實現(xiàn),完成了信號的收發(fā)功能。為了提高信號傳輸質量,降低信號傳輸時的干擾,借鑒傳統(tǒng)數(shù)字通信技術,總結出了基于系統(tǒng)辨識和均衡器的次級聲波消除方案和基于二進制頻移鍵控(2FSK)的調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)設計方案,并通過MATLAB軟件進行了仿真與驗證。最后,對系統(tǒng)的硬件和軟件進行了整體調(diào)試,并完成了信號傳輸系統(tǒng)的功能和性能測試。測試結果表明,系統(tǒng)的硬件電路和軟件算法設計可行,能夠完成通過超聲波加載信號在高純度尼龍棒中進行500bps以下的低速率信號傳輸。本文所完成的研究工作,為后續(xù)研究工作的進一步開展提供了軟硬件平臺,具備后續(xù)開發(fā)的潛質。
[Abstract]:In view of the poor effect of traditional electromagnetic wave communication and cable communication in special environment, such as electromagnetic shielding and sealing environment, this paper makes use of the characteristics of ultrasonic wave in solids, such as slow attenuation, strong penetration, not affected by electromagnetic shielding and interference, etc. A system for signal transmission in solid media using ultrasonic wave as carrier is designed, which provides an effective supplementary method for signal transmission in special environment. Firstly, in order to ensure that the system can be realized and run stably, the basic propagation characteristics of acoustic wave in solid and the characteristics and matching of ultrasonic transducer are analyzed based on the basic theory. After analyzing the formation mechanism and elimination method of secondary sound wave which interferes with signal transmission, the whole signal transmission system and channel are analyzed, and the mathematical model of system and channel is established. Then, the hardware and software design of the signal transmission system based on solid medium acoustic carrier is completed. The hardware system uses STM32 as the control processing core, uses the driving circuit based on FET and transformer as the core to excite the ultrasonic transducer, and uses the protective circuit to protect the ultrasonic transducer. The filter circuit and the signal judging circuit are used to process the ultrasonic signal. The software system is developed with the integrated development environment (MDK). The system operation control and status monitoring software module, the signal sending software module and the signal receiving software module are designed and implemented respectively. In order to improve the quality of signal transmission and reduce the interference of signal transmission, the traditional digital communication technology is used for reference. The scheme of subsonic cancellation based on system identification and equalizer and the design of modulation and demodulation system based on binary frequency shift keying (2FSK) are summarized and simulated and verified by MATLAB software. Finally, the hardware and software of the system are debugged, and the function and performance of the signal transmission system are tested. The test results show that the hardware circuit and software algorithm of the system are feasible and can transmit the low rate signal below 500bps in the high purity nylon rod by ultrasonic loading signal. The research work completed in this paper provides the software and hardware platform for the further development of the further research work and has the potential for further development.
【學位授予單位】：南京信息工程大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TN911

【參考文獻】

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本文編號：2298706