Это устройство появилось на свет в процессе работы над проектом компьютера для дайвинга, который в своём составе должен был иметь узколучевой сонар-дальномер. То ли мы плохо искали, то ли, действительно, на рынке ничего подходящего по параметрам нет в продаже, но в итоге, вместо приобретения готового модуля, решили мы для дайвинг-компьютера изобрести свой дальномер. Тем более, что процесс интеграции в компактный корпус компьютера казался проще при разнесении излучателя и электронной схемы в соответствие со свободным пространством внутри корпуса.
Пока дайвинг-компьютер ожидает своего часа, нам пришла в голову мысль: а что если дальномер выделить в отдельный проект? Поскольку у нас возникли сложности с поиском подходящего модуля подводного дальномера, наверняка ещё кто-нибудь сталкивался с подобными трудностями поиска.
Первоначальные требования к модулю были обозначены следующие:
- простой цифровой интерфейс. В идеале – UART с текстовыми командами/ответами.
- напряжение питания – 5 Вольт
- как можно более компактный водонепроницаемый корпус
Чтобы не затягивать с повествованием, привожу сразу первоначальную рабочую схему с некоторыми пояснениями в тексте.
Как видно, схема представляет собой классический вариант, условно разделенный на три основных блока:
- Управляющий
- Передающий
- Принимающий
В качестве элемента управления был выбран МК STM32F302K8U6, как неплохое сочетание цены, производительности и габаритов. Зона ответственности этого блока состоит в том, чтобы сформировать сигнал для передающего блока, оцифровать и обработать сигнал с принимающего, а пользовательским приложениям предоставить доступ для конфигурирования системы и данным измерений в удобном для них формате.
Передающий блок содержит в себе: драйвер затворов, силовые ключи, согласующий-повышающий трансформатор, встречно-параллельная сборка диодов. Последний элемент, вообще говоря, не обязателен в подобных схемах, но, в нашем случае, выполняет важную роль по “отключению” трансформатора на этапе приёма, когда значение действующего напряжения на пьезоэлементе ниже напряжения открытия диодов, что помогает изолировать входной каскад усилителя принимаемого сигнала от трансформатора.
Принимающий блок — самый требовательный к качеству исполнения, от работы которого зависит практически всё. С одной стороны, должен переварить сотни вольт на входе на этапе генерации зондирующего импульса. С другой стороны, обеспечить усиление сигнала амплитудой порядка микровольт с приемлемым соотношением сигнал/шум и до уровня уверенного детектирования и захвата на АЦП. За способность оставаться целым и невредимым при сотнях вольт на входе отвечают два компонента: высоковольтный конденсатор C2, на котором происходит ограничение переменного тока и встречно-параллельная сборка диодов, ограничивающая напряжение до приемлемых значений. Стоит отметить, что эта цепь способна выполнять свою задачу только в импульсном режиме длительностью порядка десятков микросекунд.
За усиление сигнала отвечают три каскада активных полосовых фильтров, из которых два последних являются узкополосными фильтрами второго порядка, обеспечивающих хорошую избирательность по частоте. Однако, ценой хорошей избирательности по частоте является более строгий подход выбору погрешностей для частотозадающих компонентов, иначе не обеспечить стабильность параметров от экземпляра к экземпляру. В рамках бюджетности устройства оптимальным для нашей задачи оказались погрешности 0,1% для резисторов и 0,5% для конденсаторов. Далее по схеме: амплитудный детектор и пассивный ФНЧ, для подавления остатков несущей, прошедшей через детектор.
Что касается акустической части устройства, которая не видна на принципиальной схеме, то здесь базовый элемент – это пьезоэлектрический диск ДЖГК.757681.008-172, диаметром 12,9мм, толщиной 3,1мм, резонансной частотой 640кГц. Этот элемент является одновременно и излучателем зондирующего импульса, и приёмником отражённого сигнала. Со стороны водной среды он изолирован четвертьволновым согласующим элементом (полиуретановая смола). Вместе с аналоговой схемой, конструкция излучателя/приёмника вносит большой вклад в качество устройства в целом. Скорость звука в пластике, который используется в излучателе как согласующий/изолирующий элемент, составляет 2400 м/с. Это определило толщину согласующего элемента – 0,9 мм.
В прототипе печатной платы присутствовали некоторые недочёты, но навесным монтажом мы заставили это устройство работать в минимально приемлемом режиме. Этого оказалось достаточно, чтобы снять характеристики диаграммы направленности.
В качестве стенда для измерения направленности мы не придумали ничего лучше, кроме как использовать пластиковое корыто полное воды, в котором установлен наш модуль-дальномер в качестве излучателя, и на небольшом расстоянии от него приёмник – пьезоэлемент, подключенный к осциллографу. Модуль-дальномер может поворачиваться влево-вправо от 0 до 180°, в это время с приёмника мы снимаем осциллограмму и определяем амплитуду принятого сигнала в зависимости от угла поворота излучателя.
Ниже приведен график итоговой диаграммы направленности.
Дальнейшие измерения проводились в импровизированном бассейне – пластиковой трубе, заполненной водой на высоту 1 метр. Кстати, удалось засечь три переотражения от дна и поверхности воды, прежде чем сигнал совсем исчез.
Поскольку мы решили использовать интерфейс UART с простыми текстовыми командами (на первом этапе), то не составило большого труда реализовать связку модуля дальномера с ГУИ на компьютере, выполненном на Processing.
На фото — попытка сканирования дна местного водоёма с помощью кораблика с установленным модулем дальномера и радиопередатчиком для получения данных с модуля на ноутбук. К сожалению, в моменты волнительного испытания железки, меньше всего думаешь о качестве фотографий процесса.
А используя приложение для смартфона Bluetooth Electronics и преобразователь USB->UART можно реализовать более мобильный вариант тестовой установки.
В данный момент мы работаем над следующим прототипом модуля дальномера, поскольку улучшать, на самом деле, есть что.
Например, реализовать постепенное усиление входного сигнала, чтоб отражение от ближайших объектов не зашкаливало, а от дальних объектов усиление было максимальным. Может, применить более дешёвую элементную базу. Продумать вариант заполнения внутреннего пространства каким-нибудь компаундом или силиконовым маслом для герметизации и противостоянии большому давлению.
Увидимся в следующем выпуске!
Автор: Михаил Шекунов
