基于四路同步水聲信號(hào)記錄儀設(shè)計(jì)方案

該方案設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種水聲信號(hào)記錄儀，實(shí)現(xiàn)對(duì)水聲信號(hào)4路24bit同步采集與存儲(chǔ)，動(dòng)態(tài)范圍高達(dá)100dB,采樣率可達(dá)100kS/s.測(cè)試結(jié)果表明，該方案中所設(shè)計(jì)的記錄儀精度高、動(dòng)態(tài)范圍大、功耗低、存儲(chǔ)容量大，工作穩(wěn)定可靠，可完成30kHz以下的水聲信號(hào)采集記錄。

一、引言

水聲信號(hào)是實(shí)現(xiàn)水下探測(cè)、定位、導(dǎo)航、通信的主要信息載體，對(duì)水下目標(biāo)回波及其輻射噪聲的原始信號(hào)進(jìn)行分析、處理和研究可獲得大量的目標(biāo)特性信息，這就需要一種多路同步的高精度水聲信號(hào)采集記錄裝置來(lái)采集記錄水下目標(biāo)的原始信號(hào)。

傳統(tǒng)的水聲采集系統(tǒng)常采用單路16bit以下A/D轉(zhuǎn)換器和單片機(jī)為核心器件，采樣精度低，采集存儲(chǔ)速度慢，處理能力弱，通用性不強(qiáng)。因此，文中采用24bit高精度A/D轉(zhuǎn)換器ADS1274、超低功耗數(shù)字信號(hào)處理芯片TMSVC5509A和CF卡為主存儲(chǔ)介質(zhì)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種四路同步水聲信號(hào)記錄儀。該記錄儀精度高、動(dòng)態(tài)范圍大、功耗低、存儲(chǔ)容量大，工作穩(wěn)定可靠，通用性強(qiáng)，可完成30kHz以下的水聲信號(hào)采集記錄和分析處理。

二、記錄儀整體設(shè)計(jì)方案

水聲數(shù)據(jù)記錄儀需要長(zhǎng)時(shí)間工作于水下，在功能上需要滿足大容量的存儲(chǔ)、低功耗、高保真、實(shí)時(shí)采集記錄的要求。鑒于水聲信號(hào)頻率一般不高，采樣率100kHz足以滿足大部分信號(hào)采集需求，四路24bit采集8個(gè)小時(shí)總的數(shù)據(jù)量不超過(guò)32G,因此采用容量為32G的Compact Flash(CF卡)就能滿足系統(tǒng)存儲(chǔ)要求。記錄儀采樣頻率100kHz時(shí)，要在10μs的采樣周期內(nèi)完成4路24bit水聲信號(hào)的采集存儲(chǔ)，實(shí)時(shí)性要求較高，這里選用TI超低功耗數(shù)字信號(hào)處理芯片TMS320VC5509A為主控處理器，其處理速度達(dá)到400MIPS,可滿足系統(tǒng)需求。根據(jù)系統(tǒng)的需要，系統(tǒng)硬件部分由四路信號(hào)調(diào)理(前置放大及濾波)、高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器(AD)、主控處理器(DSP)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元(CF卡)、PC機(jī)接口單元構(gòu)成(USB)，軟件部分由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和數(shù)據(jù)讀取模塊構(gòu)成。記錄儀總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

三、記錄儀硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

(一)信號(hào)調(diào)理部分

信號(hào)調(diào)理部分的主要的功能，是完成對(duì)水聽(tīng)器接收到的弱信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、單端變雙端、電壓抬升以使接收到的水聽(tīng)器信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理后能滿足A/D輸入信號(hào)的要求。

水聽(tīng)器的信號(hào)是微弱信號(hào)，前置放大對(duì)抑制噪聲起到致關(guān)重要的作用。是否能有效抑制各種噪聲，是本系是否成功的關(guān)鍵，這里采用了成熟的商品化前放模塊。

前放模塊的技術(shù)指標(biāo)為：輸入方式：差動(dòng)與單端;共模抑制比：>100dB;輸入阻抗：200MΩ;噪聲電壓密度為3nV/ ;增益：10倍(20dB)。

(二)A/D接口電路

經(jīng)過(guò)反復(fù)論證和比較，以及考慮到系統(tǒng)性能、電路結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)功耗、可擴(kuò)展性及片源等多方面的因素，本系統(tǒng)選用了美國(guó)TI公司的一款24位高精度AD轉(zhuǎn)換器ADS1274.該AD芯片內(nèi)部集成有多個(gè)獨(dú)立的高階斬波穩(wěn)定調(diào)制器和FIR數(shù)字濾波器，可實(shí)現(xiàn)4通道同步采樣，支持高速、高精度、低功耗、低速4種工作模式，具有6 2 K H z的帶寬，采樣頻率最高可達(dá)128KS/s.該芯片采用差動(dòng)輸入方式，所以輸入端可直接與傳感器或微小的電壓信號(hào)相連;可通過(guò)設(shè)置相應(yīng)的輸入/輸出引腳選擇工作模式，無(wú)需寄存器編程，其數(shù)據(jù)輸出可選擇幀同步或SPI串行接口，便于連接至DSP,可滿足要求嚴(yán)格的多通道微弱信號(hào)采集應(yīng)用。

(三)主控制器

主控制器是系統(tǒng)的核心， 本系統(tǒng)所選用的主控處理器是TI公司的TMS320VC5509A,該芯片是TI公司生產(chǎn)的TMS320C5000系列DSP芯片中的一種。C5000系列的DSP在移動(dòng)通信終端中應(yīng)用廣泛，其中C54x最為成熟，它采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，并集成有豐富的硬件邏輯和外部接口資源，不僅提高了性能，也降低了成本和體積。C55x是在C54x的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，具有C54x的全部?jī)?yōu)點(diǎn)，而且是目前功耗最低的新產(chǎn)品。C55x低功耗的這一特點(diǎn)正符合水下能量受限的電子系統(tǒng)的功耗要求。

(四)CF卡控制器

CF支持三種基本工作模式：PC CardMemory模式、PC Card I/O模式以及TrueIDE模式。文中使用True IDE模式，它可以在CF卡上電時(shí)自動(dòng)進(jìn)入。在插入CF卡之前，保證CF卡插槽的/OE管腳為低電平，即可以讓CF卡進(jìn)入True IDE模式。DSP與CF卡的接口電圖如圖4所示。

A3-A0為數(shù)據(jù)、命令或狀態(tài)寄存器地址線。D15-D0為數(shù)據(jù)總線。CD1、CD2為CF卡存在性硬件檢測(cè)腳，內(nèi)部和地相連，當(dāng)CF卡有效插入卡座時(shí)，對(duì)應(yīng)卡座上的CD1和CD2拉低，可由硬件或軟件判斷CF卡是否存在。RDY/BSY為CF卡狀態(tài)信號(hào)，當(dāng)CF卡忙時(shí)，該腳置低，此時(shí)DSP不能對(duì)其訪問(wèn)及進(jìn)行其它操作。WE、OE為讀寫(xiě)有效信號(hào)。REG為寄存器選擇信號(hào)線，-REG為高時(shí)訪問(wèn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(命令或數(shù)據(jù))，為低時(shí)訪問(wèn)屬性存儲(chǔ)器。上電時(shí)，CF卡自動(dòng)完成復(fù)位，并在缺省狀態(tài)下進(jìn)入memory模式，也可由外部控制器經(jīng)RESET腳對(duì)CF卡重新復(fù)位。圖5為記錄儀的硬件電路板實(shí)物圖。

四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是完成采集數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，即完成對(duì)CF卡的讀寫(xiě)操作。

在DSP讀寫(xiě)CF卡扇區(qū)時(shí)，首先設(shè)置起始扇區(qū)的L B A地址和扇區(qū)數(shù)目;接著設(shè)置命令寄存器，讀取數(shù)據(jù)設(shè)置命令“20H”,寫(xiě)入數(shù)據(jù)設(shè)置命令“3 0 H”;然后讀取狀態(tài)寄存器，判斷狀態(tài)寄存器值是否為“5 8 H”,若是，則開(kāi)始讀寫(xiě)操作，若否，則繼續(xù)讀取狀態(tài)寄存器。接下來(lái)讀取狀態(tài)寄存器是否為“50H”,判斷CF卡操作是否完成，若否，則繼續(xù)讀取判斷;若為是，則結(jié)束讀寫(xiě)過(guò)程。如果在判斷狀態(tài)寄存器中發(fā)生了超時(shí)或出現(xiàn)錯(cuò)誤，可設(shè)置超時(shí)或錯(cuò)誤標(biāo)志，以跳出讀寫(xiě)過(guò)程。圖6為CF卡讀寫(xiě)一個(gè)扇區(qū)的流程圖。

五、結(jié)語(yǔ)

本文主要針對(duì)傳統(tǒng)水下信息采集設(shè)備精度低和能量受限的特點(diǎn)，提出了基于四路同步水聲信號(hào)記錄儀設(shè)計(jì)方案。該方案采用ADS1274、MSVC5509A和CF卡為核心器件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了4路信號(hào)的同步采集記錄，設(shè)計(jì)制作的電路板大約16cm×12cm,用高能鋰電池供電，整個(gè)系統(tǒng)輕松裝入一個(gè)內(nèi)徑為15cm,高20cm的圓柱形密封罐內(nèi)。

經(jīng)過(guò)某噪聲測(cè)試試驗(yàn)證明， 該方案中所設(shè)計(jì)的記錄儀體積小、功耗低(2W左右)存儲(chǔ)容量大，能穩(wěn)定可靠的實(shí)時(shí)采集并存儲(chǔ)水下環(huán)境噪聲和目標(biāo)輻射噪聲數(shù)據(jù)，具有良好的工程應(yīng)用前景。