□游巍亭 □王 冰 □司文青

（河南省許昌水文水資源勘測局）

實現(xiàn)纜道水下信號無線傳輸?shù)囊环N方式

□游巍亭 □王 冰 □司文青

（河南省許昌水文水資源勘測局）

水下信號是流量測驗的關鍵信息，要想使測流歷時短、測流精度高，特別是能夠被計算機識別，就必需有可靠穩(wěn)定的編碼和傳輸方式。本文簡要介紹了實現(xiàn)纜道水下信號無線傳輸?shù)囊环N方式。

流量測驗；纜道；水下信號；無線傳輸；DTMF編碼

一、引言

水下信號的傳輸方式，到目前為止有：有線傳輸、無線電波傳輸和無線傳輸3種。有線傳輸，是通過貫芯鋼絲繩或使用主循環(huán)索與拉偏索構成的信號回路，將信號傳回室內(nèi)。這種傳輸方法關鍵是選用質(zhì)量好的貫芯鋼絲繩，并在纜道架設時做好線間絕緣處理，保證信號衰減小，抗干擾能力強。但對纜道要求較高，需要架設拉偏索，投資加大，壽命較短，使用范圍窄。無線電波傳輸，是傳感器與室內(nèi)接收裝置無任何聯(lián)結，完全依靠空中無線電波傳輸來接收傳感器信號。一般講，應安裝水下信號發(fā)射裝置，該裝置接收水下傳感器信號后，經(jīng)調(diào)制以無線電波方式，通過起重索露出水面部分發(fā)射，經(jīng)過空中傳輸，由岸上接收機接收，解調(diào)后還原成數(shù)字信號，再進行數(shù)據(jù)記錄和顯示。目前使用的有調(diào)幅波和調(diào)頻波兩種。使用這種方法，若能減少水中無線電波的傳輸損耗，降低發(fā)射功率及功耗，是一種頗有發(fā)展前途的信號傳輸方法。無線傳輸，是水文行業(yè)上對使用“無線回路”傳輸方式的一種叫法，并非真正意義上的“無線”，而是利用纜道循環(huán)索（或主索）和水體構成傳輸回路。該方式適用范圍廣泛，不受有無拉偏索的限制，抗干擾能力強，并且安裝簡便，維護檢修簡單。本文介紹的實現(xiàn)纜道水下信號傳輸就是采用這種傳輸方式。

二、水下信號的采集及編碼發(fā)射

水下信號是從鉛魚及鉛魚所攜帶的流速設備等傳感器在水下所發(fā)出信號的統(tǒng)稱，包括水面信號、河底信號和流速儀信號。為了提高精度，增加可靠性，根據(jù)設備的特點，這3種信號的采集采用不同的傳感器。水下信號是流量計算的關鍵，垂線水深、流速儀轉數(shù)等測量數(shù)據(jù)都是根據(jù)水下信號來確定的，因此，測流精度很大程度上是受水下信號傳輸可靠性的影響。準確、方便、快捷是水文測量的基礎，在本系統(tǒng)中，水下設備由一密封倉室與一采樣傳輸板及接口、供電部分組成，該部分主要功能是準確辨別入/出水電位信號、準確識別觸底與流速信號、正確編碼控制DTMF信號。水下信號的采集及編碼發(fā)射系統(tǒng)由信號采集、點位采樣、時序分配、A/D變換、BCD編碼、DTMF發(fā)碼、DTMF輸出單元組成。該部分均用CMOS電路組成，元器件均采用貼片元件，具有使用電壓范圍寬（5～12V），極其省電，抗干擾能力強，體積小，可靠性高等特點。

（一）水面信號的采集

在采集的信號中，水面信號和河底信號是用來測量垂線水深的信號，水面信號是靠設置在鉛魚體上的一個感應觸點是否與水體接觸來判斷的。在感應觸點沒有入水之前，感應觸點與地之間的電阻無窮大（＞1M），晶體管的基極為高電平，晶體管沒有導通，集電極電阻沒有電流通過，電阻電壓降為0，因此采樣電路輸出低電平。當感應觸點入水時，由于水體的導電性，感應觸點與地之間的電阻為＜5K左右，晶體管的基極電壓變?yōu)?V左右；發(fā)射結有偏壓，發(fā)射結導通，進而晶體管導通，集電極電阻有電流通過，由于此時晶體管處于飽和狀態(tài)；因此集電極電流較大，電阻壓降為4V以上，采樣電路輸出高電平。當觸點出水時，情況相反。

（二）河底信號的采集

河底信號是通過設置在鉛魚體底部的一個河底托板是否被河底托起并觸發(fā)開關來判斷的。在鉛魚到達河底之前，托盤沒有托起，開關斷開，當鉛魚到達河底時，托盤托起，開關接通，發(fā)出河底信號。信號一般采用水銀開關、干簧管來采集。

（三）流速儀信號的采集

流速儀信號是用來測量施測點流速的信號。流速儀在進行流量測驗時，被固定在鉛魚上，通過纜道控制，隨著鉛魚一起被送到測流斷面中所指定的位置。信號的傳感器是流速儀內(nèi)部的接觸絲，每當流速儀接觸絲接觸一次，就會有一個流速信號發(fā)出。由于接觸絲的彈性作用，在流速儀接觸絲接觸的一瞬間及斷開的一瞬間，接觸絲有一個劇烈的抖動過程，針對流速儀的抖動問題，為了防止因抖動引起干擾并產(chǎn)生誤信號，采集電路要設置去抖動電路，去抖動電路一般采用R—S觸發(fā)器實現(xiàn)。本系統(tǒng)采用軟、硬件雙重去抖動的方法，流速儀輸出的脈沖信號由電壓甄別電路對＜30ms的抖動進行消除，＞30ms且＜300ms的長抖動由單片機進行軟件消除。

三、水下信號的傳輸

對纜道測流而言，需要的水下信號同時有流速、水面、河底等3種。如上所述，用直流形式傳遞將非常困難，因此將“無線回路”傳輸和無線電波傳輸相結合。用載波的形式，將水面、流速、河底信號調(diào)制成不同頻率的信號，同時考慮到諧波干擾及變頻器的干擾，水面信號的調(diào)制頻率為2260Hz，流速信號的調(diào)制頻率為2627Hz，河底信號的調(diào)制頻率為1830Hz；經(jīng)纜道傳向纜道控制室內(nèi)，由信號接收器接收后，由相應的3個低頻帶通濾波器，分離出水面、流速、河底等信號，送相應的計數(shù)、控制執(zhí)行電路。此方法除能接收多種信號外，對纜道上的各種干擾有很強的抵抗能力，除能很好完成一般纜道測流測深外，還可實施動態(tài)測流測深。信號傳輸由水下發(fā)射部分和水上接收部分組成。

四、水下信號的接收

水下信號接收部分是由輸入電路、濾波電路、解碼電路、控制顯示與信息傳輸部分組成。水下信號接收部分主要作用是高靈敏、高可靠地接收采樣傳輸器發(fā)送的DTMF信令，準確解碼濾波數(shù)據(jù)處理傳送給計算機，正確顯示信息。水下信號經(jīng)直流隔離器送入低通放大器，經(jīng)整理的水下信號送入解碼器解碼，雙向保護單元對外部進來的干擾大信號起抑制作用，有用信號為600～1700Hz，低通濾波器的截止點設在2000Hz，有利于濾除無用信號。

所接收到的每一個信號都分別以3種形式輸出：第一種方式是以聲音的形式輸出，從聽覺上提示操作者。水面（入水）信號是1s時長的“嘀”聲，出水信號是2s時長的“嘀”聲，觸底信號是長音“嘀”聲，響聲一直持續(xù)到鉛魚從河底提起河底開關斷開，流速儀信號是0.5s時長的“嘀”聲。操作人員稍微熟悉后就可以從聲音上區(qū)分出不同的信號。第二種方式是以發(fā)光二極管的形式來輸出，從視覺上提示操作者。水面（入水）信號、出水信號、觸底信號和流速儀信號分別用4個發(fā)光二極管在接收盒前面板上顯示出來。操作人員可以清楚地從發(fā)光二極管位置及面板標注文字上明確區(qū)分不同的信號。第三種方式是以8421編碼的形式輸出，該路輸出通過串口向計算機發(fā)送所接收到的不同信號。水面（入水）信號的編碼是“1”，出水信號的編碼是“8”，觸底信號的編碼是“4”，流速儀信號的編碼是“2”。計算機可以準確接收并區(qū)分出不同的信號。

該設備研制完成后，經(jīng)過多年的使用，信號采集靈敏度高，信號傳輸穩(wěn)定，信號接收、輸出可靠。該設備既可以單獨應用到纜道流速儀法流量測驗中使用，也可以作為計算機控制測流中的信號配套設備使用。

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游巍亭（1972-），男，工程師。從事水文測驗及水資源保護工作。

2010-04-15