（水声工程专业论文）水声浮标无线远程数据采集技术研究.pdf

哈尔滨工程大学硕七学位论文 a b s t r a c t u n d e r w a t e ra c o u s t i cb u o yi sau s e f u l lt o o li nt h eu n d e r w a t e ra c o u s t i c r e s e a r c ha n de n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n ，i th a sal o to fa d v a n t a g e ，s u c ha sl o w i n t e r f e r e n c eb a c k g r o u n da n dl o n gt i m eo fo b s e r v a t i o na n dl a r g ed a t as t o r a g e t h e d a t aa c q u i s i t i o ni st h em o s ti m p o r t a n tf u n c t i o nf o rt h ee l e c t r o n i cs y s t e mo f u n d e r w a t e ra c o u s t i cb u o y b e c a u s eo f t h el i m i to f w i r e l e s st r a n s m i s s i o nt e c h n i q u e ， t h et r a n d i t i o n a ld a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mo fu n d e r w a t e ra c o u s t i cb u o ym a i n l yu s e s t h em e t h o do fs e l f - s t o r a g et os a v ed a t ao rr e m o t e l yt r a n s m i t sd a t a b yo p t i c a lc a b l e w i t ht h ed e v e l o p m e n to fu n d e r w a t e ra c o u s t i ct e c h n o l o g y , i ti sn e c e s s a r yt o i m p r o v et h ea b i l i t y o fd a t a a c q u i s i t i o n a n dd a t at r a n s m i s s i o n a n dt h e d e v e l o p m e n to fw i r e l e s sn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n sm a k e si tt ob ep o s s i b l et o a c h i e v et h e b i gc a p a c i t a n c es t o r a g e a n d h i g hs p e e d w i r e l e s sr e m o t e c o m m u n i c a t i o n s t h er e s e a r c ha b o u tt h er e a l i z a t i o no f w i r e l e s sr e m o t ea c q u i s i t i o n s y s t e mi nt h i st h e s i si sb a s e do nt h e s eb a c k g r o u n d s i nt h i st h e s i s ，aw i r e l e s sr e m o t ea c q u i s i t i o ns y s t e r au s e di nb u o yi sd e s i g n e d t h i s s y s t e mi sc o m p o s e do fh a r d w a r ep a r ta n ds o f t w a r ep a r ta n dt h ed a t a t r a n s m i s s i o no ft h i ss y s t e mi sb a s e do nw i r e l e s se t h e m e tb r i d g e t h eh a r d e w a r e p a r ti sm a d eu po fap i e c eo ft m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 ad s pc h i pw h i c hi st h eh a r d c o r e o f t h i sp a r t ，ap i e c eo ff p g a c h i pa n dc s 8 9 0 0 ac h i pw h i c ha s s i s tt h ed s pc h i pt o a c c o m p l i s ht h ec o n t r o la n dd a t at r a n s m i tt a s k t h ea n a l o g yc i r c u i th a sf o u r a n a l o g yc h a n n e l s ，w h i c hh a v et h ea b i l i t i e so f a m p l i f i c a t i o n ，g a i nc o n t r o la n df i l t e r i no r d e rt o s a t i s f yt h es y s t e ms p e c i f i c a t i o na n di m p r o v ei t sr e l i a b i l i t y , t h e r e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m 肛c o s i i ，l w i pt c p i ps t a c k , a n di j c f sf i l e s y s t e ma r eu s e di nt h es o f t w a r ep a r t ，a n dt h es o f b v v a r eo fd a t aa c q u i s i t i o n , d a t a s t o r a g e ，d a t ar e a da n dd a t at r a n s m i s s i o na r ep r o g r a m e d t h i sd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mh a sb e e nd e b u g g e da n dt e s t e ds u c c e s s f u l l yi n t h el a b o r a t o r ya n di ta c h i e v e dt h ed e s i g ns p e c f i c a t i o u s a tl a s t ，s o m ei m p r o v e d s u g g e s t i o na n df u r t h e rr e s e a r c he x p e c t a t i o na b o u tt h i ss y s t e m a r eg i v e n i i 哈尔滨工程大学硕十学位论文 k e yw o r d s ：u n d e r w a t e ra c o u s t i cb u o y ；w i r e l e s se t h e m e tb r i d g e ；d a t a a c q u i s i t i o md s p ；g c o s i i ：l w i p i i i 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引 用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用 的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表 的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结 果由本人承担。 作者( 签字) ： 墨支每 日期：2 噼；月己日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 论文研究背景、目的和意义 浮标系统在现代海洋科学领域得到了广泛的应用，也是水声研究和水声 工程应用中获取声学数据的重要手段，其中数据采集是浮标电子系统的最重 要的功能。现有的浮标电子系统一般都具有一定的数据处理能力和一定的通 信能力，数据处理只是按既定算法来处理数据，通信方面仅限于传输指令信 息和计算处理结果，通信能力的不足从而限制了现有浮标系统的应用范围。 众所周知，水声研究实验数据是非常宝贵的，如果能够把浮标电子系统采集 到的原始数据或中间处理结果存储起来，待浮标回收后能对原始数据作进一 步的分析、处理和研究，这将是对现有浮标电子系统不足之处的弥补，也是 对采集到的原始数据的极大利用。由于浮标系统工作环境比较复杂，浮标有 丢失的可能性，这样就不能对浮标进行回收，从而造成原始数据的丢失。如 果能及时把浮标电子系统采集到的原始数据或中间处理结果传给船基或岸基 的电子系统存储起来，从而确保了原始数据或中间处理结果数据不被丢失。 现有浮标系统在通信作用距离方面也比较有限，浮标系统与船基或岸基距离 近，影响了浮标系统采集到的数据的质量 1 l 2 l 。现有浮标系统的数据存储能力 也是有限的。针对这些不足，因此研制具有较强存储能力和较强数据传输能 力的浮标电子系统是很有必要的。 随着现代电子信息技术的发展，体积小、容量大、功耗低、高速的存储 介质不断研制出来，如s d ( s e c u r ed i g i t a l ) 卡、c f ( c o m p a c tf l a s h ) 卡等， 这样如果能够把这些先进的存储介质配备到浮标电子系统上来，对改进电子 系统的存储功能无疑是有益的。随着无线通信技术的发展，特别是无线网络 通信技术的发展，远距离大数据量的数据传输已成为可能，这样把先进的无 线通信技术应用到浮标上，从而做成新的数据采集和传输系统变的可能。研 制这种新的浮标电子系统的目的和意义在于不仅能弥补现有浮标电子系统的 不足，即能降低船基或岸基的干扰，能把采集到原始数据或中间处理结果通 过无线系统传给远离浮标的船基或岸基的接收设备，以便对采集到的数据作 进一步的处理和研究，而且还能够降低测量成本，节约人力和物力。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 2 方案论证和技术指标 本文是针对现有浮标电子系统的一些不足加以改进，以适应新的研究和 应用需要，具体任务是设计和实现一个具有远距离无线数据传输功能的浮标 系统。 本文设计的浮标方案要求是把矢量水听器输出的模拟信号经过放大滤波 和模数转换后，进入系统的数据处理电路，采集系统把采集到的数据存储到 电子存储卡中，同时也把数据打包，通过无线方式传到船基或岸基上。另外 为了能对浮标进行定位，而配备了g p s 、罗经仪，因此也要把g p s 、罗经仪 的信息传到船基或岸基。为了能对系统的运行状况进行监视，因此也把电量 等状况信息传到测控船或岸上，同时也处理来船基或岸基的指令。 系统的模拟电路结构可采用以往成熟的电路形式，系统的主控制器可采 用d s p 来实现。在本系统中，无线传输部分的设计是非常关键的，如果自己 来实现无线传输部分的电路设计，时间和难度都不容许，因此必须选用现有 的无线产品来实现系统的无线传输功能。在现有的无线产品中有无线数传电 台、无线电台模块，这些产品通信速率低。通过调查，数传电台的速率一般 在i m b p s 以下，这种速率显然达不到系统的通信速率要求。通过调研，有一 种通信速率高、作用距离远的无线通信产品，即无线网桥能够满足系统的要 求。现有的无线网桥产品通信速率可在1 0 m b p s 以上，作用距离能在1 0 公里 以上，接口标准为r j 4 5 。采集系统与无线网桥的通信设计上可采用以太网控 制芯片加处理器的方式来实现，通信协议采用t c p i p 协议，t c p i p 协议可 采用软件协议栈或硬件协议栈来实现。如硬件协议栈芯片w i z i 吼w 3 1 0 0 a ， 其数据线宽度为8 b i t 。全双工可达5 m b p s 。硬件协议栈的优点是稳定，但不宜 系统的扩展，增加了硬件电路设计的复杂性。软件协议栈的优点是灵活宜于 系统的以后的扩展，因此在系统的设计上选用了软件协议栈来实现t c p i p 协议。系统的存储设计部分可使用i d e 接口的存储介质、s d 卡、c f 卡，通 过调研本文选用了带有s d 卡控制器的1 m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a 作为主控芯片，以 简化存储部分的设计。对a d 的控制以及g p s 、罗经仪的接口的实现可使用 f p g a 来实现，以简化系统设计，方便系统的扩展。 系统方案设计如下：系统由硬件系统和软件系统两部分组成，硬件系统 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i 有模拟电路和数字电路两部分。其中模拟部分包括四路模拟通道，由前放模 块、一级放大、衰减、二级放大、滤波、三级放大和a d 电路组成；数字部 分由a ，d 控制、数据缓冲、数据存储和网络通信电路组成。a 的控制主要 由一片f p g a 来完成，f p g a 中包括a d 控制模块、四路f i f o 和两个串口 模块。数字部分的主处理器由一片1 m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a 组成，它完成从f p g a 中读出采集到的数据，把采集到的数据存储到s d 卡中，同时把数据打包并 经由网络控制器传给无线网桥。软件系统由实时操作系统、数据采集模块、 增益控制模块、串日控制模块、数据存储读取模块、数据转发接收模块、t c p 1 p 协议栈组成。系统框图如下： v 矢甲商 。z 一1 i 击压 两桥 图1 1 浮标采集系统的系统框图 系统主要技术指标： 接收机的信号频率为2 0 h z 3 k h z ； 四个模拟通道，针对单矢量水听器； 无线通信速率：大于6 m b p s ； 无线通信距离：大于1 0 公里。 1 3 论文主要研究内容 主要研究内容包括以下几个方面： 第l 章绪论，主要针对了现有浮标系统的一些不足，结合现有的通信技 术，提出适应新的要求的浮标采集系统设计方案。 第2 章浮标采集系统的硬件设计，本章按功能论述了系统的硬件系统由 哈尔滨工程大学硕士学位论文 哪几部分组成，即包括四路模拟通道、数据采集控制、数据存储和网络通信 电路部分，分功能提出了各部分的设计和实现。 第3 章浮标采集系统的软件设计，本章从这几方面对采集系统的软件系 统的设计和实现进行了论述，即包括实时性操作t t c o s 的移植、l w i p 协 议栈的移植以及以太网控制器驱动的编写、文件系统的移植及s d 卡驱动的 编写、采集模块的设计、数据的存储读取和转发、增益控制、计算机端接收 和控制软件的设计。 第4 章浮标采集系统的测试，分别从系统的网络部分测试、存储系统、 整个系统的水池试验几方面论述了系统的测试过程。 4 哈尔滨工程大学硕七学位论文 第2 章浮标采集系统的硬件设计 2 1 系统硬件结构 浮标采集系统的硬件结构框图如图2 1 所示。本硬件系统分为模拟部分 和数字部分。模拟部分的信号调理电路由前放模块、放大电路、衰减电路、 滤波电路、电压抬升以及a d 电路组成；数字部分是由一片f p g a 、一片d s p 、 s d 卡和以太网控制器组成的数字平台。 4 翼 斟 添 l j 一 同轿 j 萏舀 图2 1 浮标采集系统的硬件结构框图 2 2 模拟部分 模拟部分的主要的功能，是完成对接收到的弱信号进行调理，包括对信 号的放大、衰减、滤波、单端变双端、电压抬升以使接收到的水听器信号经 过调理后能满足a d 输入信号的要求。浮标采集系统的模拟通道是接收来自 矢量水听器输入信号，矢量水听器个数为一个。由于矢量水听器可在声场空 间一个点接收到两个物理量：声压( 标量) 、质点振速( 矢量在三个垂直坐标上 的投影) ，因此采集系统具有四个模拟通道。信号频率范围为2 0 i - i z 3 k h z ， 每个通道的采样率为1 0 k h z ，这根据采样定理而设定吲。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 2 浮标采集系统的模拟通道结构框图 2 2 1 模拟电源 由于浮标系统工作在海上，是由电池供电的。考虑到模拟通道低噪声的 要求，模拟电源和数字电源分开，各用一组电池供电，在电源附近一点共地。 模拟电池组提供+ 1 2 v 、1 2 v 的电压为前放模块供电，其他模拟器件所需的 + 5 v 、一5 v 电压则从模拟电池组抽头。 2 2 2 前放模块 本系统接收的是矢量水听器的信号，是低频信号，前置放大对抑制噪声 起到致关重要的作用。是否能有效抑制各种噪声，是本系是否成功的关键， 考虑到前置放大电路研制的难度以及时间进度的问题，而采用了成熟的商品 化前放模块。前放模块的技术指标为： ( 1 )输入方式：差动与单端；( 2 ) 共模抑制比： 1 0 0 d b ； ( 2 )输入阻抗：2 0 0 m f 2 ；( 4 ) 频响：4 2 0 k h z ； ( 5 ) 增益：1 0 倍( 2 0 d b ) ；( 6 ) 低通滤波器过渡带衰减：1 2 r i b o c t ； ( 7 ) 最大输出电压：5 圪( 8 供电时) ； ( 8 ) 电源：8 1 8 v v c ( + 1 5 v ，s m a ) ； ( 9 ) 外形尺寸：3 4 x 1 2 x 8 m m 3 ；( 1 0 ) 精度：o 5 。 本系统前放模块采用单端输入方式，+ 1 2 v 、- 1 2 v 供电。 2 2 3 集成运放 在进行放大器电路设计时，选择集成运放需要考虑到多方面的因素，主 要包括增益带宽积，输入阻抗，噪声特性，失调电流，失调电压和温漂等等。 在对多家公司运放相关资料进行阅读和分析后以及芯片货源的考虑，本文选 用了n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r 公司的l f 3 5 3 ，l f 3 5 3 主要性能指标如下： 电源电压：一1 8 vn + 1 8 v ： 6 哈尔滨工程大学硕七学位论文 l i f t 单位增益带宽：4 m h z ； 低噪声：输入噪声电压密度为2 5 0 n v h z ； 输入噪声电流密度为o 0 1 p g 4 面。 l f 3 5 3 是双运放，在本系统中只用了双运放中的一个，这样是考虑到电路布 线的合理性。 d u a l - l n d i n op - 口- _ a 图2 3 l f 3 5 3 管脚图 2 2 4 放大电路 信号调理电路中共有三级放大电路。放大电路类型的选用很有讲究，放 大电路的构成方式有基本的单端输入和差动比例放大电路两种。所谓差动比 例放大电路就是集成运放的两个输入端同时加入信号，输出电压将与此两个 输入信号电压之差成比例。差动比例放大电路中有一种典型的同相并联型差 动测量放大电路由于电路的平衡对称结构使共模抑制比、失调及温度漂移等 产生的误差电压具有抵消的作用。本系统接收的矢量水听器的输出信号是单 端信号，所以选用单端输入放大电路。 电路设计中如果合理的设计和使用反馈，便可以达到减少非线性失真、 抑制干扰、扩展通频带、增加输入阻抗和减少输入阻抗。所谓反馈，就是把 电子系统的输出量( 电压或电流) 的一部分或者全部分通过一定的电路结构回 送到该电子系统的输入电路，来影响放大电路的实际输入量的一种电路联结 方式。带有反馈的放大电路称之为反馈放大电路。反馈放大电路有正反馈放 大电路和负反馈放大电路。在实际设计应用中，由于正反馈放大电路的不稳 定性所以很少采用，大多数采用负反馈放大电路，因为在电路中通过引入负 反馈可以减少非线性失真、抑制干扰、扩展通频带等等优点h 。本系统放大 电路的设计采用负反馈放大电路的结构形式。放大电路结构如图2 4 所示： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 皿 图2 4 负反馈放大电路图 2 2 5 可变增益控制设计 增益控制系统在电子学领域应用很广。在广播、通信、雷达、声呐接收 机中几乎都不可避免的加以采用，并且对它们的性能有重要的影响。增益控 制系统之所以广泛应用于接收机中，是由于下列原因造成的，接收机距离辐 射源可以有很大的变化，电波在空间传播有明显的衰落现象，声波在水中传 播同样有明显的衰落现象，传播同样有明显的衰落现象，以及其它一些干扰 因素，使得作用在按收机的输入端的信号强度有很大的变化和起伏。但是， 接收机的终端设备一般只能处理幅度变化不大的信号，信号过强或过弱或忽 大忽小都会使终端设备失效。因此，必须设置一个幅度调节系统，来保证接 收机输出信号幅度的平稳性。增益控制系统就是一个自动幅度调节系统，其 基本作用是，当输入信号的幅度在很大的范围内变化时，严格的控制放大器 的增益，使其输出信号的幅度保持不变或者有很小的变化。也就是说，增益 控制系统是一个动态范围压缩系统。 对于增益控制系统的一般要求如下： 保证接收机不出现饱和截止失真； 保证接收机具有足够的动态范围，输出电压变化在允许范围内； 在调节增益的过程中不显著恶化输入信噪比； 在调节增益的过程中保持受控放大器的频率特性不变； 在调节增益的过程中不使输入信号的有用调制规律失真； 尽可能的抑制不希望的输入起伏( 衰落) ； 对瞬变的输入信号尽快的发生正常的增益调节作用： 工作的稳定性和可靠性高； 具有最小的控制功率消耗。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 本系统的增益控制系统为自动增益控制和手动增益控制相结合的增益控 制系统，根据设计需要增益控制系统只对信号进行衰减，因此增益控制系统 相当于衰减器。 通过较长时间调研和查阅多家公司的可变增益控制芯片资料，根据系统 需要，认为采用a n a l o gd e v i c e s 公司的对数d a 转换器a d 7 1 1 1 a 集成芯片，既可 以使增益控制范围达8 8 5 d b ，而且控制的连续性和可靠性比较好，功耗也低。 a d 7 11 l a 集成芯片是一种c m o s 乘法型的对数d a 转换器，单5 v 供电，耗 电电流不超过l m a 。采用快速数字接口，透明锁存，提高了转换速度和工作的 可靠性。芯片内部设有八位数据寄存器，通过片选端乏否、写入端万画和引脚 上的数据写入来控制信号衰减量的大小，衰减范围从0 到8 8 5 d b 。典型电路见 图2 5 所示，数据每增加1 ，信号衰减0 3 7 5 d b 。 _ 图2 5 a d 7 1 l i a 典型电路 该电路的传输函数可表示为：v o = v i n l o e x p 0 3 7 5 n 2 0 或v o 所n ( d b ) = 一0 3 7 5 n ( d b ) ，当为大于2 4 0 和小于2 5 5 的数时，输出不变。图2 5 中r 1 用来调 整精确的零分贝，即当d 7 d 0 为0 0 0 0 0 0 0 0 时，调节r l ，使p o = p m 。一般r l 取 l k g 的电位器。该集成芯片最直接的应用是衰减器，要用于自动增益控卷i j 电 路的最大增益应由专门的放大电路实现嘲。通过反馈控制芯片的衰减实现自 动增益控制。 在使用过程中由于a d 7 1 “a 是单5 v 供电，把a d 7 1 1 i a 的数据线、控制线 接到f p g a 上之前中间经过了7 4 l v t h l 6 2 4 5 进行电平转换。7 4 l v t h l 6 2 4 5 另 一个作用是在不需要对a d 7 1 1 1 a 设置增益码时，7 4 l v t h l 6 2 4 5 不工作从而阻 断f p g a 和a d 7 1 1 1 a 的联系，这样就减少了数字部分对模拟部分的干扰。控 制对四路a d 7 1 l l a 的写操作是 虫f p g a 来完成的，d s p 在对当前采集到的数据 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 进行分析后要对相应的某路a d 7 1 1 i a 设置适当的增益码，或对某路a d 7 1 1 1 a 设置来自船基或岸基的增益码。本系统中典型电路中的运放选用的是a d 公司 的o p 3 7 。 增益码的设置可根据数据手册上提供的由衰减数据表查得，使用者可以 根据自己的需要，任意选取八根数据线中的几根控制其衰减量。例如选用d 4 、 d 5 、d 6 、d 7 四位控制，其他四位d o 、d 1 、d 2 、d 3 接地。本系统中八根数据 线全部接到f p g a 上。信号的衰减情况见衰减数据表中第一列的衰减数据，动 态范围达至l j 8 4 d b 。四位数据每加减一次，衰减量变化6 d b ，只是步长较大，控制 的连续性稍微差一些。这里只是举一个例子而已，具体运用可按照实际要求进 行设，本系统的设计选择了衰减数据表的第一列作为可供设置的衰减码。在 系统运行过程中，可以在计算机端通过控制软件实时观察信号波形，人工设 置衰减码。系统中也可以使用增益控制算法来设置适当的衰减码，本系统中 暂未实现此算法，可在系统近一步开发时再实现。 2 2 6 滤波器设计 滤波器是一种选频装置，它使信号中特定的频率成分通过，而极大地衰 减其它频率成分。利用这种选频特性，可以采用滤波器来滤除干扰噪声或进 行频谱分析。它的应用十分广泛，从简单的半导体收音机到复杂的电子设备， 几乎毫无例外地使用着各种不同类型的滤波器。在实践中l c 、r c 可以组成 简单的各种滤波器，制造简单、成本低、使用灵活。随着集成电路的发展，采 用运算放大器组成的有源滤波器得到了广泛的应用，但在滤波特性要求较高 的情况下，必须采用2 节、4 节或多节滤波器。这样，滤波器的电路规模较大， 参数的调整比较困难，特别是当应用在多路数据采集系统时，对各路的相位一 致性、幅度一致性、及抗混叠特性都要求较高。但本系统处理的是低频信号， 考虑到系统主要应用于水声传播研究，信号频率为2 0 h z 至3 k h z 即可满足研 究需要，而现有的集成滤波器芯片内部集成的电容一般都比较小，比如 m a x 2 7 4 内部电容为7 9 5 7 5 p f ，经过反复论证最后选用m a x 2 7 4 的内部成熟 滤波器电路，这样虽然滤波器的电路规模较大，但参数的调整还算比较方便。 由于系统处理的是低频信号，滤波器的主要用来抑制高频信号，所以滤波器 设计成四阶巴特沃斯低通滤波器，截止频率为3 k h z 。 1 0 哈尔滨_ t 程大学硕士学位论文 m a x 2 7 4 内部包含四个相同的二阶滤波器，称其为二阶节。单个二阶节 的拓于卜结构如图2 6 所示。该拓扑结构允许在相互独立的输出端同时实现低 通和带通滤波功能。从图2 6 可以看出，单个二阶节内部采用了四运放设计， 这种设计的好处在于它对寄生电容不太敏感且能够提供高带宽。将f c 连接 到不同的电平，滤波器就得到不同的增益。 一个二阶带通滤波器的传输函数h ( s ) 为： h ( s ) = s ( 詈) 8 2 “( 詈) 2 ( 2 1 ) 其中，q = c 0 0 a o ，q 是品质因数，o 。为滤波器的中心角频率，酬2 z , r 二为 滤波器带宽。 设计方法跟一般有源滤波器的设计原则是一致的，根据图2 6 中的公式 计算出一个二阶节中各电阻阻值，再根据实际情况适当调整相应电阻阻值。 图2 6m a x 2 7 4 一个二阶节内部结构 哈尔滨工程大学硕七学位论文 其中的7 9 5 7 5 p f 电容选取的是容值为1 0 0 0 p f 至2 0 0 0 p f 温度系数好的云母电 容。其中r 2 和r 4 使用滑动变阻器来代替，以便滤波器的调试。本四阶巴特 沃斯型低通滤波器没有放大功能，技术指标为带内波动为0 5 d b ，带外衰减为 2 3 0 6 d b ，过渡带带宽为2 k h z 。 2 2 。7 单端到双端转换电路 水听器的输出信号在经过放大、滤波等调理电路之后，需要将单端信号 转换成差分信号进行传输，以消除共模干扰的影响，从而保证后续a d 转换 器的转换精度。 本系统采用t i 公司的高速、低噪声、全差分输入输出放大器t h s 4 1 3 1 搭建单端到双端的转换电路。t i - i s 4 1 3 1 是全差分输入输出系列芯片t h s 4 1 x x 中的一种，该系列芯片采用了t i 的b i c o m 处理技术。t h s 4 1 3 1 为差分信号 提供了一个真正意义上的输入输出通道，这种设计同样提高了芯片对共模噪 声的免疫力，也改善了总谐波失真( d ) 。 全差分放大器是差分输入差分输出，而差分放大器一般是差分输入单 端输出。两者的区别示于图2 。7 ： d i f r m e n t i a l ，l l r 叫j 6 ” 两 1 1 - i s 4 3 x 呐d i l l a r a r t t m l 嘲0 1 i t i e l 锣芝毒泛 图2 7 差分放大器与全差分放大器 下面简要介绍一下t h s 4 1 3 1 的主要特性和功能： 土1 5 v 供电时的3 d b 带宽为1 5 0 m h z ； 转换速度为5 1 v u s ； 2 5 0 k h z 时的三次谐波失真为- 1 0 0 d b ； 输入电压噪声仅为1 3 n v 上岔； 差分输入差分输出，可消除共模噪声，减少二次谐波失真； 哈尔滨工程大学硕七学位论文 单电源供电( 5 v 3 0 v ) 或双电源供电( 土2 5 v 土1 5 v ) ； 输出额定电流1 5 0 m a ； 输入阻抗高，输出阻抗低； 主要应用于单端到差分转换、差分a d 转换器驱动、差分抗混迭、 差分发送器接收器、输出电平转换： s o 8 封装。 嗍 斟 d i ) 6 1 1 ，o r l 3 , 6 k 眦嘲燃 p 刚l v h 懒 v i n n c v 珏 r o o t - 图2 8t h s 4 1 3 1 的管脚图 t h s 4 1 3 1 全差分放大器工作在差分和单端输入两种模式下，因此 t h s 4 1 3 1 可用来作为实现信号的单端到双端的转换。图2 9 说明了采用 t h s 4 1 3 1 实现这种转换的电原理图以及对应不同增益所需的外围电阻阻值。 图2 9 单端到差分电路的实现 对于图2 9 所示的电路，若增益为1 ，则输出的差分信号为： v 。一= ；i v 。+和、，o + = 一三v 。+ 除了对共模干扰近乎完美的抵抗力以外，上述电路的另外一个优势在于它能 哈尔滨工程大学硕士学位论文 够提供两倍于单端输出放大器的动态范围【6 l 。例如，要将2 v ( 峰峰值) 的信号 作为1 v ( 峰峰值) a d 转换器的输入，选用单端输出放大器则无法实现，但如 果采用t h s 4 1 3 1 这样的全差分放大器，将2 v 信号分解成两个反相的1 v 信号， 便可以作为l v 的差分a d 转换器的输入。在全差分放大器的帮助下，把2 v 的信号输入到了1 v 的差分a d 转换器中，因此获得的动态范围是单端输出 放大器的两倍。图2 1 0 是全差分放大器的动态范围示意图。 一v 和佃，1 ：菲 ：蓝 图2 1 0 全差分放大器的动态范围示意图 对于全差分放大器的使用来说，阻抗匹配的问题至关重要。如果阻抗不 匹配，共模抑制比( c m r r ) 、电源抑制比( s p r r ) 以及二次谐波的抵消都会因 为电路的不平衡而变得不理想。为使电路保持最佳性能，本系统选取了精度 为1 的电阻作为t h s 4 1 3 1 的外围电阻。t h s 4 1 3 1 的供电本系统采用土5 v 。 2 2 8 电压抬升电路 经过放大、滤波和单端到双端转换后的输出信号是双极性的，而差分a d 转换器的每个输入信号却是单极性的，且它们的共模电压为2 5 v 。因此，有 必要对模拟接收机的输出信号进行电压抬升，以满足a d 输入信号的要求。 本系统采用图2 1 1 所示的电压抬升电路，直流电压2 5 v 经过一电阻直 接加到全差分放大器的两个输出端，这样输出的信号实际上是原输出信号被 被抬升了2 5 v ，然后信号直接进入到a d 的输入匹配网络。从图2 ，1 l 可以 看出此电压抬升电比较简单，但很实用，减少了电路规模，达到了电压抬升 的e l 的。 图2 1 1 中2 5 v 的直流电压是由美国a d i 公司的电压参考芯片a d r 4 3 1 a 提供的，a d r 4 3 1 a 是a d i 公司的高精度、低噪声参考电压源系列芯片 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 0 1 u f 图2 1 l 电压抬升电路 a d r 4 3 x 的一种，采用先进的x f e t ( e x l mi m p l a n t e dj u n c t i o nf e t ) 技术和温 漂曲线校正技术，使得电压随温度变化的非线性尽可能减小。图2 1 2 为 a d r 4 3 x 管脚图： 图2 1 2a d r 4 3 x 管脚图 其基本的参考电压源电路如图2 1 3 所示； 紫删器落鬻裟昌 图2 1 3 参考电压源电路 图2 1 3 中的接+ 5 v 直流电源，输出2 5 v 的稳定直流电压a 为保证输 出电压的稳定，在输出管脚上接了0 1 心的去藕电容。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 9a d 接口电路 对于一个采集系统来说a d 芯片的选择至关重要，a d 转换器的种类很 多，其分类方法也很多，可按速度、精度、位数等来分，近年来较常用的分 类方法是按工作原理来分。若从量化是一种比较过程这个概念出发，则无论 a d 转换器怎么多种多样，按怎样比较来看工作原理，归根结底只是两种类 型。即直接比较型和间接比较型。直接比较型是将输入的采样模拟量直接与 作为标准的基准电压相比较，得到可按数字编码的离散量或直接得到数字量。 这种类型包括连续比较、逐次逼近、斜波( 或阶梯波) 电压比较等，其中最 常用的是逐次逼近型。这类转换是瞬时比较，抗干扰能力差，但转换速度较 快，现有市面上能卖到的这类a d 转换速度一般能达几百k 甚至上兆。间接 比较型是输入的采样模拟量不是直接与基准电压比较，而是将二者都变成中 间物理量再进行比较，然后将比较得到的时间或频率进行数字编码。由于间 接比较是先转换后比较，因此形式更加多样，如有双斜式、脉冲调宽型、积 分型、三斜率型、自动校准积分型等。这类转换为平均值响应，抗干扰能力 强，但速度较慢，现有市面上能卖到的这类a d 转换速度一般最高只能达到 几十k t n 。a d 按接1 ：3 分可分为串行和并行，串行a d 转换速度一比较慢， 但功耗比较低，电路设计简单。并行a d 转换速度一比较快，但功耗较高， 电路上设计起来要复杂一些。 在多路数据采集系统中，对多路输入信号进行采样的模数转换电路，a d 接口电路可采用多种电路结构形式，这要结合系统自身的特点和要求来决定 选择何种电路结构。本系统中的a d 接口电路结构选用每通道拥有自己的独 立的a d 转换器的结构形式，虽说在成本上有所增加，但电路设计得到了简 化和系统性能上得到了提高旧。 经过反复论证和比较，以及考虑到系统性能、电路结构、系统功耗、可 扩展性及片源等多方面的因素，本系统选用了美国n 公司的a d s 8 3 2 3 作为 a d 转换器，构成四路a d 采集通道，每路有自己的独立的a d 转换器。 a d s 8 3 2 3 是一款逐次逼近型并行16 b i t 的a d 转换芯片，其主要的技术指标 如下嗍： 单电源供电+ 5 v 供电： 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 片内2 5 v 参考电压； 低噪声性能：6 0 i x v ( 有效值) ； 模拟输入端采用双极性、全差分方式，共模抑制比为7 0 d 8 ( 典型值) ； 两个模拟输入端的额定输入电压范围均为0 v 5 v ； 两种工作模式：单端模式和差分模式； 最高采样率为5 0 0 k s p s ； 低功耗8 5 m w ( 在5 0 0 k s p s 时) 。 考虑到共模干扰对输出信号的影响，模拟接收机的输出端采用差分模式 与a d s 8 3 2 3 接口，因此，a d s 8 3 2 3 也工作于差分模式。a d s 8 3 2 3 直接采用 片上2 5 v 参考电压，这样电路设计起来比较简单。四片a d s 8 3 2 3 的控制线、 数据线是接到两片电平转换芯片2 4 5 上，再接到f p g a 上以完成a d 的采集。 2 3 数字部分 数字部分主要完成对a d 采集的控制、a d 7 1 1 1 a 增益码的设置、g p s 和罗经仪数据的读取、对采集到的数据进行存储和转发以及处理来自船基或 岸基的命令。数字部分功能的实现主要由一片d s p 、一片f p g a 和一片以太 网控制器来完成，d s p 起主控作用，由它分别完成对f p g a 和以太网控制器 的控制。下面本文将根据功能逐一论述各个子部分。 2 3 1 主控制器 一个系统的主控制器的选择非常重要，这关系到系统设计的成功与否。 选择好系统的主控制器要考虑诸多方面的因素，如主控制器的开发难易度、 外围资源是否丰富以及外围资源能否充分地被系统所利用、功耗是否能满足 系统的需要、控制能力是否强、处理能力是否能满足系统的要求、片源问题 以及价格问题等等，这些因素在设计一个系统之前都应该充分地进行调研、 论证和评估，以得出最佳的设计方案。 当前可供选择作为主控处理器的处理器芯片种类很多，有单片机、d s p 芯片、a r m 芯片和f p g a ( 现场可编程阵列) 芯片等。这些芯片在诸多方面各 有其侧重点，这要根据系统的需要进行合理地选择。单片机的控制功能比较 强，具有较多外围控制器，但主频较低，计算能力弱，一般适用于任务比较 单一没有太复杂的计算的控制应用场合。d s p 芯片一般用于做数字信号处理 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 算法的专用芯片，运算能力较强，主频较高，但控制能力一般要弱一些。a r m 芯片处理能力比较强，控制能力强，功耗较低，但计算能力一般较弱。f p g a 芯片也可以用来作为主控处理器，f p g a 芯片是一种可编程的逻辑芯片，它 的外围控制器可根据系统的需要来进行定制，可以使用现成的i p 核或自己编 制，运用起来比较灵活，但开发难度比较大、开发周期一般较长。单片机、 d s p 芯片和a r m 芯片都是专用集成电路芯片的一种，都有自己的开发工具、 仿真工具、操作系统和应用方面的支持，开发起来难度一般不是很大，在很 多系统中得到了广泛的应用。有时在一个系统中只使用一种专用集成电路芯 片不能完成系统的需要，这时一般采用以上几种类型芯片的组合，取各自的 长处来共同完成系统的功能。 本系统所选用的主控处理器是美国t i 公司的t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a ， t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 ad s p ( 以后简称c 5 5 0 9 a ) 是美国德州仪器公司生产的 t m s 3 2 0 系列d s p 芯片中的一种。t m s 3 2 0 系列包括定点( f i x e d - p o i n t ) 、浮 点( f l o a t i n g p o i n t ) 和多处理器( m u l t i p r o c e s s o r ) 等3 种类型的数字信号处理 器( d s p ) 。它的结构是专门针对实时( r e a l t i m e ) 信号处理而设计的，具有 指令灵活、可操作性强、速度快以及支持并行运算和c 语言等特点，是一类 性价比较高的d s p ，在通信设备中得到了广泛的应用。 c 5 0 0 0 系列的d s p 在移动通信终端中应用广泛，其中c 5 4 x 最为成熟， 它采用改进的哈佛结构，并集成有丰富的硬件逻辑和外部接口资源，不仅提 高了性能，也降低了成本和体积。c 5 5 x 是在c 5 4 x 的基础上发展起来的，具 有c 5 4 x 的全部优点，而且是目前功耗最低的新产品。c 5 5 x 低功耗的这一特 点正符合浮标电子系统的低功耗要求。选用c 5 5 0 9 a 作为主控处理器另外一 个优势是c 5 5 0 9 a 具有s d f m m c 卡控制器，这为开发本系统的数据存储部分 的设计带来许多方便。 2 ，3 1 11 m s 3 2 0 v c 5 5 x d 8 p 的硬件结构 t m s 3 2 0 c 5 5 x 是在c 5 4 x 的基础上发展起来的，能够与c 5 4 x 兼容。c 5 5 x 通过增加功能单元，增强了d s p 的运算能力，而且性能更好，功耗更低，是 目前t m s 3 2 0 家族中最省电的芯片。 t m s 3 2 0 c 5 5 x 由c 5 5 x 处理器( c p u ) 、接口控制器、存储器和多种接口 哈尔滨工程大学硕士学位论文 电路构成，c 5 5 xd s p 的c p u 结构示意图如图2 1 4 所示。图中，c 5 5 x 由i 条3 2 位的程序数据总线( p b ) ，5 条1 6 位的数据总线( b b 、c b 、d b 、e b 、 f b ) 和6 条2 4 位的程序地址总线及数据地址总线分别与c p u 相连。这些总 线可通过存储器接口单元( m ) 与外部程序总线和外部数据总线相连，实现 图2 1 4t m s 3 2 0 c 5 5 xd s p 的c p u 结构示意图 c p u 对外部存储器的访问。这种并行的多总线结构，是c p u 能在一个c p u 周期内完成1 个3 2 位程序代码的读、3 个1 6 位数据的读和2 个1 6 位数据的 写。c 5 5 x 根据功能的不同将c p u 分为4 个单元，即指令缓冲单元( i ) 、程 序流程单元( p