（水声工程专业论文）基于pc104计算机的水声数据采集系统设计与实现.pdf

哈尔滨丁程大学硕士学位论文 i 宣i i 暑宣暑宣；i i m i m i 宣；葛；i i i ；i 宣i 宣i i i ；i i ；i 宣i ；昌i i 高 a b s t r a c t a c o u s t i cd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mp l a y sak e yr o l ei nu n d e r w a t e ra c o u s t i c e x p e r i m e n t s t h e r ea r ea d v a n t a g e so fa p p l y i n gt h i ss y s t e m ，s u c ha st h el o w e r b a c k g r o u n di n t e r f e r e n c ea n dl o n g e ro b s e r v a t i o nd u r a b i l i t y ac o m p r e h e n s i v ed a t a a c q u i s i t i o ns y s t e ms h o u l dc o n t a i n sf o l l o w i n gf e a t u r e s ：s i g n a lp r e c o n d i t i o n i n g f u n c t i o n ；s i g n a la c q u i s i t i o na n ds t o r a g ec a p a b i l i t i e s ；b e i n ga b l et oc o m m u n i c a t e b e t w e e nc o m p a s sa n dg p s ；w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n c a p a b i l i t i e sa n dp o w e r m a n a g e m e n tf u n c t i o n s i nt h i sp a p e r , t h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mi sm a i n l yd e v e l o p e df o ra c q u i r i n g s i g n a l sf r o mt h ev e c t o rh y d r o p h o n e c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o na r r a y s ，t h es i n g l e v e c t o rh y d r o p h o n ei ss m a l l e ri ns i z e ，l i g h t e ri nw e i g h ta n de a s i e rt od e p l o y i ti s m o r es u i t a b l ef o rv a r i o u su n d e r w a t e ra c o u s t i ce x p e r i m e n t s t h e p a p e r c o n s i s t so fh a r d w a r e d e s i g n , s o f t w a r ed e v e l o p m e n ta n d e x p e r i m e n t a lv a l i d a t i o n t h ep c10 4c o m p u t e ri sa d o p t e da st h ec o r eo ft h e c o l l e c t o r i th a st h ea d v a n t a g ei nd e v e l o p m e n tc y c l e i ti se a s yt o d e v e l o pa p o w e r f u ld a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mi nas h o r tp e r i o do ft i m ew i t ht h eh e l po fp c10 4 t h ed e v e l o p m e n tc o s ta n dd i f f i c u l t i e sa r er e d u c e da sw e l l f u r t h e r m o r e ，i ti sv e r y c o n v e n i e n tt om a k ee x p a n s i o n sa n du p g r a d e as i g n a l c o n d i t i o n i n ga n dd a t a a c q u i s i t i o nt a s k i s c o m p l e t e dw i t hm u l t i c h a n n e la n a l o gf i l t e r i n ga n dd a t a a c q u i s i t i o nc a r d ，a sw e l la st h ep c10 4 t h es o f t w a r ep a r ti sc o m p l e t e db yu s i n g v c + + s o f t w a r eb a s e do nt h em f c t h ep a p e rf o c u s e so nd e m o n s t r a t i n gt h ec o r e i d e ao fs o f t w a r ep r o g r a m m i n g t h em u l t i - t h r e a d i n gt e c h n o l o g yi s a p p l i e di no r d e r t o i m p r o v et h es o f t w a r ep e r f o r m a n c e t h u sf u n c t i o n so fd a t at r a n s m i s s i o na n d p o w e rm a n a g e m e n ta r er e a l i z e dw i t ht h ew i r e l e s sc o m m u r t i c a t i o nm o d u l e f u n c t i o n a lt e s t sa n de x p e r i m e n t sa r ei m p l e m e n t e dt op r o v et h a tt h es y s t e m m e e t si n d i c a t o r s r e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e ms a t i s f i e si n d i c a t o r sa n dt a r g e t s b a s i c a l l y k e yw o r d s ：u n d e r w a t e r a c o u s t i cb u o y ；p c 10 4c o m p u t e r ；d a t a a c q u i s i t i o ns o f t w a r e ； m u l t i t h r e a d ；v e c t o rh y d r o p h o n e 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，均己在文中以明确方式 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) ：儒旃狄 日期： 1 7 年1 月沙日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 曲在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：嘭黟澎厶导师( 签字) ：吲周| f 耖 日期：仂渊年弓月沪日年月 日。 哈尔滨 _ 程大学硕七学位论文 第1 章绪论 1 1 论文研究背景和意义 水下目标测量主要依赖于水声测量设备来实现，而浮标测量系统是一种 有效的技术手段，它拓展了观测范围和领域，改进了传统的研究方法。 浮标采集系统就是将数据采集器按特定要求安装在浮标电子舱内，实现 智能化的水声数据采集与分析。其中数据采集是科学实验的重要手段，数据 采集就是将要获取的信息通过传感器转换为信号，并经过信号调理、采样、 量化、编码和传输等步骤，最后送到计算机系统中进行处理、分析、存储和 显示。 浮标测量系统摆脱了舰船自噪声的影响，可以获得高信噪比的优质实验 数据，特别是用于海洋环境噪声和船舶噪声的测量、分析和研究，其优越性 尤其显著；由于系统相对较低的成本和布放灵活的特点，可以在一次实验中 多点布放数个浮标接收系统进行同步实验测量，完成声传播、声学层析等研 究工作m 1 。 浮标系统本身均可以直接或经改进后推广应用到海洋环境参数的监测、 海洋资源探测、水中目标定位和识别以及建立海洋g p s 系统、海上预警系统 等多种民用、军用领域，在国民经济和国防建设中都有广泛的应用前景和极 大的潜力p 1 。浮标一般由飘浮机构、天线、电子线路、电池、水听器、电缆 和减震阻尼机构和简体等构成h 1 。 声呐浮标种类较多，主要分主动和被动两大类，本论文研究的就是被动 形式。大多数浮标的工作参数都是投放前人工设定的，比较先进的则可以在 浮标投放后，根据需要遥控设定。除了用于目标探测的主动或被动浮标外， 还有各种各样的用于辅助用途的浮标：常见的有海洋环境噪声测量浮标、温 度深度测量浮标、通信浮标等 5 1 1 6 1 。 近年来，随着海洋技术开发的应用，业务范围广泛，尤其在浮标技术应 用、海洋工程勘察与论证、海洋环境影响评价、海洋规划与开发、汇演环境 监测、海洋测绘、海洋学基础研究、海洋灾害评估等方面具有相当强的技术 优势。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 2 国内外现状 美国1 9 4 1 年研制出声压梯度水听器，并且开始关注振速传感器在声纳中 的应用，最早将多偶极子用于声纳浮标，美国专利介绍了将声压梯度水听器 应用于航空声纳、浮标声纳等轻型被动测向装置中的技术方案。美国海军物 理实验室( m p l ) 研制了两套组合传感器系统，1 9 9 0 年，海军物理实验室在佐 治亚州以东的大西洋海域使用s w a l l o w 浮标装置进行了海上试验，对 0 5 2 0 h z 的次声波声场进行了研究。美国s c r i p p s 海洋技术研究所舰船物理 实验室在加利福尼亚附近海域利用s w a l l o w 浮体和矢量水听器测量水下次声 ( 低于2 0 h z ) 。 矢量水听器体积小，重量轻，布放方便，适合于声纳浮标的要求。并且 浮标自噪声较低，其实际性能甚至优于某些舰载系统。美国和俄罗斯都发展 了基于矢量水听器的无线电声纳浮标系统，美国早在五十年代就研制了基于 矢量传感器的航空无线电声纳浮标d i f a r ( d i r e c t i o n a lf r e q u e n c ya n a l y s i sa n d r e c o r d i n g ) 系统a n s s q 5 3 ，v l a d ( v e r t i c a l l i n e a r r a yd i f a r ) 系统 a n s s q 7 7 b 和俄罗斯的p f b 2 6 系统p 1 。 现代数据采集系统具有以下几个特点： 1 、现代数据采集系统一般都内含有计算机系统，这使得数据采集的质量 和效率等大为提高，同时显著节省了硬件投资。 2 、软件在数据采集系统中的作用越来越大，增加了系统设计的灵活性。 3 、数据采集与数据处理相互结合得日益紧密，形成了数据采集与处理相 互融合的系统，可实现从数据采集、处理到控制的全部工作。 4 、速度快，数据采集过程一般都具有实时特性。对于通用数据采集系统 一般希望有尽可能高的通用性，以满足更多的应用环境。 5 、随着微电子技术的发展，电路集成度的提高，数据采集系统的体积越 来越小，可靠性越来越高，甚至出现了单片机采集系统。 6 、总线在数据采集系统中的应用越来越广泛，总线技术对数据采集系统 结构的发展起着重要作用。 目前数据采集系统一般都使用计算机进行控制，因此数据采集系统又叫 做计算机数据采集系统。其中硬件部分分为：传感器、前置放大器、滤波器、 2 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 多路模拟开关、采样保持器、模数转换器。 p c 1 0 4 是一种专门为嵌入式控制而定义的工业控制总线，是由美国加州 的a m p r o 公司1 9 8 0 年首先开发的，近年来在国际上广泛流行。1 9 9 2 年被i e e e 协会定义为i e e e p 9 9 6 1 。i e e e p 9 9 6 是p c 和p c a t 工业总线规范，从p c 1 0 4 被定义为i e e e p 9 9 6 1 就可以看出，p c 1 0 4 实质上是一种紧凑型的 i e e e p 9 9 6 。其型号定义和p c a t 基本一致，但电气和机械规范却完全不同， 是一种优化的，小型堆栈式结构的嵌入式控制系统。 p c 1 0 4 总线已广泛用于雷达、声呐、工业控制等数据采集系统，其优势 愈见明显。在硬件方面，p c 1 0 4 嵌入式系统模块以针孔堆叠方式组成，具有 结构紧凑、抗震性好等优点，可以工作在恶劣的工作环境下，与p c i 标准兼 容，适于高速数据传输口1 。 1 3 采集器功能要求和技术指标 通过利用矢量水听器测量空间一点处的声压和三个正交方向的振速的特 性，就可得到目标的空间方位的全部信息，这对水声学测量有重要意义。本 论文数据采集系统就是配合矢量水听器进行水声数据采集。而且单个矢量水 听器具有体积小、重量轻、布放简便易行等优点，适合声纳浮标的要求。 研制一台性能良好、功能齐全的水声数据采集系统是本论文要达到的目 的，采集器的功能要求如下： 对水听器信号进行预调理； 对水听器信号的采集以及存储功能： 有串口功能，实现罗经和g p s 通信； 拥有无线通信能力和电源管理功能。 本论文提出系统是基于p c 1 0 4 计算机的多功能水声数据采集器。矢量水 听器输出的4 路信号传递给前置放大器，接入模拟板经过放大、衰减、滤波 进入数据采集卡，在数据采集卡上经过a d 变换成为数字信号，通过p c 1 0 4 总线送入计算机中，并保存在附带的磁盘上。由于使用到了矢量水听器，就 必须知道水听器的姿态，必须配合罗经一起使用，罗经通过电缆与p c 1 0 4 计算机连接，其数据也一并存入磁盘，如图1 1 所示。 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 图1 1 浮标采集器工作框图 以上的采集过程应由软件控制，软件包括的功能主要是信号采集、数据 存盘和罗经数据记录。 软件功能的实现是在p c 1 0 4 计算机中使用w i n d o w s 操作系统进行控制， 而数据采集软件是运行在操作系统下的实时优先级应用程序。由于w i n d o w s 并不是一个实时操作系统，如果想要实现连续不问断采集、大容量存盘的数 据采集功能，使用多线程编程技术是必然的，而且本论文中使用了二级缓存 写盘技术，将数据采集和磁盘存储分为两个线程，在内存中开辟一部分数据 空间，使数据写盘过程不影响数据采集，但又保证数据空间的内容完整的写 入硬盘。只要掌握了这个核心过程就可以将该套采集器应用在不同的场合。 由于p c 1 0 4 计算机外设丰富，可以用于普通的浮标型采集系统，使用无 线通信模块，随时控制浮标的工作状态，和上位机进行数据传输：通过电缆 或光纤，也可以和上位机进行有线通信；可以当做潜标使用，将组装好的采 集系统沉入水底，采用定时采集的方式获取水声数据。从以上不同使用方式 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 得出，用p c 10 4 计算机不但开发周期短而且很容易扩展。本论文详细介绍了 潜标这种应用方式，在外场实验中也是使用的潜标工作方式。 将p c 1 0 4 数据采集器放入水密罐中，矢量水听器悬挂在上方的框架上使 之成为一个整体，配合罗经可以实现浮标或者潜标的功能，水密要求可达水 深3 0 米。 采集器硬件技术指标要求刚1 0 1 ： 模拟通道数：4 路； 模拟通道增益：8 0 d b ，4 0 d b 可调； 接收机接收信号频率：2 0 h z - 3 k h z ； 采样频率：4 0 h z - 1 0 0 k h z ； 采集电压范围：一5 v + 5 v ； 工作时间：电池供电，大于2 4 小时。 采集软件要求： 能够完成多通道数据的实时采集，连续不问断存盘： 方便对采集器配置，人性化操作界面： 完成采集控制，定时采集和远程控制采集； 实现对罗经、g p s 等数据的完整数据记录。 1 4 本论文主要研究内容 水声浮标数据采集器是获得水声科学实验的重要方法，根据系统的指标， 设计实现正确合理的、符合实验需求的采集器是本文的研究内容。 本论文各章节结构如下： 第一章绪论，介绍了论文的研究背景，介绍了浮标在水声数据采集中的 必要性，提出了实验迫切需要的浮标采集器的系统方案设计。 第二章水声浮标系统的硬件设计，根据系统指标设计了整体数据采集器 的结构，并详细阐述了4 通道模拟信号调理电路的设计原理，介绍了p c 1 0 4 计算机、数据采集卡、无线通信模块和罗经，并对整个浮标系统的电源管理 部分做了论述。 第三章水声浮标系统的软件设计，本采集软件是应用在p c 1 0 4 计算机中 的w i n d o w s 操作系统之上。这章讲述了采集软件几个关键的编程技术，分 哈尔滨工程大学硕士学位论文 别是运用实时优先级的多线程技术以及运用二级缓存的线程间同步技术；还 介绍了w i n i n i 文件操作以及m s c o m m 串口编程；本章还简要叙述了m s p 4 3 0 单片机的编程要点。 第四章浮标数据采集系统的测试，介绍了采集器的装配结构，并在水池 进行了联机调试的实验，给出采集系统的部分指标。最后介绍了2 0 0 8 年8 月在外场实验的过程，以及实验结果。 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章数据采集系统的硬件设计 采集器电路部分是完成采集功能的基础，采集器的性能完全取决于硬件 电路设计。本章介绍了采集器电路部分的设计思想、器件选择等。信号调理 电路板是对模拟信号的调理，包括放大、衰减和低通滤波等；采集器核心是 使用p c 1 0 4 计算机和p c 1 0 4 总线的数据采集卡；无线通信模块和罗经扩展 了数据采集器的性能。 这些模块构成了数据采集器基本的结构框架，水听器的信号经过信号调 理板送到采集卡，经采样量化变成数字信号，通过p c 10 4 总线送入计算机， 并存储在硬盘中。罗经是通过串口与计算机通信，并将数据存储在硬盘中， 在此期间采集系统的状态可以由无线通信模块控制。 2 1 四通道信号调理板电路设计 p c 1 0 4 结构是一种小尺寸、电路板堆叠式的总线结构1 ，为了做到p c 1 0 4 结构要求的机械尺寸，专门设计了4 通道模拟滤波放大电路。该电路板前端 连接矢量水听器前置放大器的输出信号，后端连接数据采集卡，主要是实现 对信号进行预调理的作用，结构框图如图2 1 。因为矢量水听器可以同时接收 空间两种物理量，声压和振速，声压p 是标量，振速v 是矢量，有v x ，v y ， v z ，所以模拟板要有四个通道。由于水声信号频率比较低，而矢量水听器的 接收信号频率更是在2 0 i - i z - 3 k h z 之间，因此需要设计一个低通滤波器滤除不 关心频率的信号。一般水听器接收到的信号电压幅度在毫伏级以下，所以放 大电路是必须有的，为了控制放大量，电路中增加了衰减模块。 图2 1 模拟电路结构框图 p c 10 4 结构的机械尺寸定义是9 0 x 9 6 m m 2 ，而且定位孔有严格要求，为 了实现电路系统的堆叠式组成，则需要把模拟滤波板做成相应大小，因此对 于电路设计、元器件选择和p c b 布线提出一定要求。 哈尔滨工程大学硕士学1 1 i ) ：论文 2 1 1 放大电路和集成运放 本文采用的放大电路实际是一个反向比例电删幢1 。可用集成运放和电阻 组成负反馈电路实现反向比例放大。基本反向比例电路如图所示： r f 、o 卜 图2 2 反向放大电路 由于输入电压阢加在反相端，故输出电压玑与输入电压u ，反相位。如 图2 2 所示，输入回路电阻冠与信号源相串联，其作用与信号源内阻r 相似。 输入端平衡电阻r 满足r = r ，i ir ，。因集成运放的输入级由差动放大电路组 成，要求两个输入端的输入回路参数对称，即从集成运放反向输入端和地两 点向外看的等效电阻r 。应等于从集成运放同相输入端和地两点向外看的等 效电阻r p ，既r 。= r ， 式中r 。= r 1i ir r ，r ，= r 。 反向比例放大电路的电压放大倍数么。为 小皆一鲁。 其中，负号表示输出电压与输入电压变化方向相反。对于正弦信号，两 者相位相反；对于直流信号，两者的正负极性相反。 三级的放大电路都采用这种反向放大方式。为防止信号过大导致限幅， 而且容易跟前置放大器连接，第一级只放大5 倍。第二级反馈电阻使用滑动 变阻器，放大倍数可调在5 1 3 倍之间。第三级放大2 0 倍，经射随进入数据 采集卡。 本论文使用的集成运放是l i n e a r 公司的l t 6 0 1 4 3 ”1 4 1 。它是低噪声、高 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 精度、可以单电源供电的运算放大器，1 6 m 增益带宽积，它的温度漂移电压 低至0 8 a v o c ，非常适用于温度变化较大的场合，在水下电子舱内能够保持 良好的工作状态。 2 1 2 模拟滤波器的设计 尽管数字滤波技术已得到广泛应用，但模拟滤波在接收机信号调理电路 中仍然是不可完全替代的，所有数字系统的前端，一般需要一个对微弱信号 预处理的部分，在对信号抽样量化处理之前，需要一个对信号最高频率进行 限制的处理，这只能使用模拟滤波器。本节所讨论的内容即属于模拟滤波的 范畴。 本采集器主要用于外场实验进行水声数据采集，在实验所关心的频带以 外的海洋噪声对接收信号是有影响的，需要滤除。电路噪声可以近似为白噪 声，对各个频率的信号都有影响，而本论文设计的采集器是放置在水密罐中 运行，其中p c 1 0 4 计算机会辐射很大的电路噪声。在a d 转换之前必须进 行抗混迭滤波，否则高频的信号会对低频的信号产生不可恢复的干扰。 根据滤波器的选频作用，可以将其分为四种类型：低通、高通、带通和 带阻。本论文关心的只是低频水声信号，低通滤波器更符合设计要求q 而滤波电路可分为无源滤波和有源滤波5 1 。无源滤波是由电阻、电容或 电感、电容组成，电阻和电容的精度是决定滤波器各参数精度的重要因素， 其特点是结构简单、价格低廉，但是稳定性差、带负载能力低。有源滤波器 又分为两种，一种是由运放和电阻、电容搭建；另一种是用现成的集成滤波 器芯片。考虑到板卡的实际大小，用运放搭建可能无法完成四个通道的滤波， 遂采用集成滤波器芯片。用集成滤波器芯片外围电路简单，只需要少量电阻 即可完成滤波器设计。 集成滤波器分为连续时间r c 滤波器和开关电容滤波器( s c a f ) 。连续时 间滤波器其内部构造就是将经典的r c 有源滤波器大部分元件集成到芯片内 部，使得滤波器参数不容易被外界因素影响，改动外围电阻就可改变滤波器 的全部参数。而开关电容滤波器的最大优点是无需更换元件，仅通过改变时 钟频率就可在一定范围内改变滤波器的频率参数。这虽然给滤波器的设计、 使用带来极大方便，但引入了新的开关噪声和时钟噪声。本论文采用了连续 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 时间r c 滤波器，虽然功耗有所增加，但是却获得了低噪声和低开发成本的 好处。 滤波器的设计方法在实际工程中最常用的有巴特沃斯滤波器和切比雪夫 滤波器。巴特沃斯低通滤波器在靠近c o = 0 处的幅频特性最为平直，因此又称 巴特沃斯滤波器为最平响应滤波器，在频率的低端巴特沃斯滤波器的幅度特 性最接近理想，但是在接近截止频率和在阻带内，巴特沃斯滤波器则较切比 雪夫滤波器差的多。然而，巴特沃斯滤波器的相位特性却比同阶的切比雪夫 滤波器好。在模拟滤波的设计中，综合各种因素本文选择巴特沃斯低通滤波 器对输入的信号进行滤波。 巴特沃斯滤波器是一种全极点滤波器，其传递函数的通式为： 以曲2 万瓦万i 而而( 2 - 1 ) 这里k 为常数，归一化为c o c = l r a d s ，若疗= 2 , 4 ，6 ，传递函数可以 分解为下列形式： 日( s ) = h 了= l - ( 2 2 ) 8 1s + a k s + 吼 若r l = 3 ，5 ，7 传递函数可以分解为： 耶) = 熹( n 县- o b o 他志a k s ( 2 - 3 ) s + k 2 1 s + + b k 在上述两种情况下，设定b o = 1 ，并令k = 1 , 2 ，则各项系数如下式 a k ：2 s i n ( 2 k _ - 1 ) n ，b k ：1 ( 2 - 4 ) 显而易见，巴特沃斯滤波器的增益即为式( 2 1 ) 中的常数k ，如果滤波器 为级连方式组成，式( 2 2 ) 和式( 2 3 ) 中各个因式的系数a 。即为该因式对应电路 节点的增益，而滤波器的总增益应该是所有节点增益的乘积。 由于电路板面积所限，使用集成滤波器芯片更方便设计电路，而且为了 能很好地完成滤波功能，同时不对相位产生很大的影响，选用集成滤波器芯 片构成巴特沃兹低通滤波器，这种设计可减少系统中元件的数目，芯片上元 件的良好匹配性大大简化了滤波器的设计。 综合以上各种考虑，本论文使用的滤波器芯片是l t c l 5 6 3 2 ，它是凌特 公司推出的四阶低通巴特沃斯滤波器，典型应用电路如图2 3 ，它具有以下特 l o 哈尔滨工程大学硕七学位论文 点”q 7 1 ： 只需要一个电阻就可以确定截止频率，只要两个电阻就可以确定通 带增益； 截止频率范围2 5 6 h z 2 5 6 l 沮z ； 低噪声、低功耗，方便组成8 阶低通滤波器； 可以实现单电源供电； 提供相应的f i l t e r c a d 软件，节约设计时间。 3 3 v j r 1 而 乱1 l j 5 喜l 二梓 v i n 二 r r s a l p b n g n c i n v a i n v b n c n c l p a s b a g n d n c 旷丽 r r f c = 2 5 6 k h z ( 1 r o - 笋k ) r 图2 3l t c l 5 6 3 2 典型外围电路连接图 l t c l 5 6 3 有高速模式和低功耗模式，截止频率在2 5 6 k h z 以下则可以使 用低功耗模式，由1 引脚区分。l t c l 5 6 3 的典型接法电路如下，它内部是由 两个2 阶有源滤波电路组成，每个2 阶皆由三个相同阻值的电阻组成外围电 路，只要确定了阻值就确定了截止频率和带内增益。如果需要设计带内增益 是0 d b ，截止频率为厅的低通滤波器，那么就能算出外围需要的电阻阻值r ， r ：2 5 6 k 1 0 七 左 为了使用方便，凌特公司推出了f i l t e r c a d3 0 滤波器辅助设计软件，专 门用于l t c 系列滤波器的设计，使用该软件只要输入截止频率、带内增益、 带外衰减等参数，即可给出所设计滤波器的参考外围电路和频响曲线，并且 它给出的电阻是比较接近标称值的。 根据给定指标，带内增益为0 d b ，截止频率为3 k h z ，带外衰减2 0 d b ， 托一佰一一他一他一一伯一9 l i i厂手 一j r 一 0 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 过渡带为l k h z ，通过f i l t e r c a d 软件得到，需要两片l t c l 5 6 3 2 组成8 阶巴 特沃斯低通滤波器。 、 、 、 、 、 图2 4 滤波器频响曲线图 图2 4 为软件设计的滤波器的频响曲线，满足预定的滤波器指标。 在实际应用电路中使用了高精度的固定电阻，精度为0 1 o ，该电阻是受 温度影响很小的电阻，使电阻性能对滤波器的性能影响到最小，保证了滤波 电路在水下工作的稳定性。 2 1 3 衰减电路 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，是由于收机距离辐射源可以有很大的变 化，声波在水中传播明显的衰落现象，使得作用在接收机的输入端的信号强 度有很大的变化和起伏。而在数据采集过程中有信号限幅或者信号小到无法 分析，那么采集的数据就只能作废，一次实验也许就失败了。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； 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 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： 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。 通过查阅可变增益控制芯片资料引，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 集成芯片满足设计要求，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 1ll 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c s 、写入端w r 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 到一8 8 5 d b 。典型电路如图2 5 所示，数 据每增加1 ，信号衰减0 3 7 5 d b 。 v b or 2 v l w r c s 图2 5a d 7 1 1 1 典型外围电路连接图 该电路的传输函数可表示为： v o ：一v n , 1 0 e x p 一0 3 下7 5 n 或 t 厂i i 考生i 如= 一0 3 7 5 n ，n 是增益码。当n 为大于2 4 0 和小于2 5 5 的数时，输出 j ，i 不变。图2 5 中r l 用来调整精确的零分贝，即当d 7 , - 一d 0 为0 0 0 0 0 0 0 0 时， 调节r 1 ，使v o = 。一般r 1 取l k o 的电位器。 2 1 4 前放模块 本论文的采集系统接收的是矢量水听器的信号，由于矢量水听器本身输 出阻抗较高，对前置放大器提出很高要求，如低噪声、高输入阻抗等。而前 哈尔滨工程大学硕十学位论文 置放大对抑制噪声起到至关重要的作用，是否能有效抑制各种噪声，是本系 统是否成功的关键。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 ； ( 3 ) 输入阻抗：2 0 0 兆欧；( 4 ) 频响：4 h z - - 一2 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 d b o c t ； ( 7 ) 最大输出电压：5 v ； ( 8 ) 电源：5 v 1 8 y 矗( 1 5 矿，+ _ 5 m a ) ； ( 9 ) 外形尺寸：3 4 x 1 2 x 8 m m 3 ；( 1 0 ) 精度：0 5 。 本系统前放模块采用单端输入方式，5 v 供电。 2 2p c 10 4 计算机p f m 5 4 0 i 随着计算机技术的飞速发展，计算机嵌入式越来越受到业界的关注。 p c 1 0 4i e e e 国际标准广泛满足了嵌入式领域的要求，正在迅速成长为主流 的嵌入式计算机。该系统计算机一般采用超大规模、极低功耗的c m o s 、i c 电路，综合了高抗干扰电磁兼容技术、高抗震的叠层栈接技术，超小型高精 度多层板技术，高精密双面s m t 技术。由于其体积小、功能强、可靠性高、 温度范围广等特点，广泛地应用于通讯、医疗、电子、机械等行业，及智能 仪器仪表、便携式设备、数据采集等各个方面9 1 例。 p c 10 4 总线产品在软件上与p c a t 完全兼容。而在硬件上与p c a t 主 要存在着以下几方面不同：小尺寸结构，标准模块的机械尺寸为：3 6 x 3 8 英 寸( 9 6 x 9 0 m m ) ；堆栈式，“针”、“孔 总线连接，即p c 1 0 4 总线模块之间总 线的连接是通过上层的针和下层的孔相互咬合相连，有极好的抗震性；4 m a 总线驱动既可使模块正常工作，低功耗，减少元件数量；自我堆栈式连接， 无须母板。 采用p c 1 0 4 计算机作为采集器的核心具有以下的优越性： 更小的体积； 实时，正确无误地采集大量的各种数据，并方便保存和显示结果； 更高抗震性，能抗较高的冲击和振动； 更宽的工作温度范围； 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 具有丰富的可扩展性，使用灵活： 丌发方便，缩减开发周期，大大降低开发成本。 p f m - 5 4 0 i 采用a m dg e o d e t ml x 8 0 0 处理器，与市场上其他p c 1 0 4c p u 模块相比更经济。该模块主频5 0 0 m h z ，支持d d rs o d i m m 内存，d d r 3 3 3 最大支持1 g b ，d d r 4 0 0 最大支持5 1 2 m b 。尽管p f m 一5 4 0 i 身材小，它可以 提供用户所需要的全部功能。板载的a m dl x 8 0 0 和c s 5 5 3 6 芯片组是 p f m 5 4 0 i 实现高性能的保障。该款产品支持1 个1 0 1 0 0 b a s e - t x 以太网接口、 4 个u s b2 0 、2 个串口、1 个并口、i i 己接口、看门狗定时器和p c 1 0 4 扩展 接口，图2 6 是其正面图。 图2 6p f m 5 4 0 i 主机 p f m ，5 4 0 1 的c p u 主频为5 0 0 m h z ，配合5 1 2 m b 的内存完全能达到采集 功能；它的两个串口可以用于罗经和g p s 的数据通信；四个u s b 接口可以 接各种丰富的外围设各，在磁盘中存储的数据也可由u s b 口导出；以太网接 口可咀连接无线网桥等设备等。超小尺寸、单+ 5 v 供电、宽工作温度范围， 这都使p f m 一5 4 0 i 与p c 1 0 4 采集卡一起成为设计本论文数据采集器的理想方 案。 i_篁氨。”罄委嚣鬻 ij*：。l一一呐w一 舅一0，磊一 专0。一。，。簿一纛 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 3a r t 2 0 0 1 数据采集卡 数据采集卡是本采集器重要的部件，它的性能直接导致采集结果的好坏， 本文选用了阿尔泰公司新研发的一款数据采集卡a r t 2 0 0 1 。它是基于p c 1 0 4 总线的高性能、高精度、小体积的a i d 数据采集卡。板上拥有最高采样速率 为4 0 0 k 的高精度1 4 位a d 转换器；a d 转换器输入信号范围：+ 5 v 、士1 0 v ， 提供了单端3 2 路双端1 6 路的模拟信号输入通道；输入信号幅度可以经程控 增益仪表放大器调整到合适的范围，保证最佳转换精度。程控增益可根据实 际要求选择1 、2 、4 、8 ( p g a 2 0 3 ) 或1 、1 0 、1 0 0 、1 0 0 0 ( p g a 2 0 2 ) 倍p 卅；还配 有两片( 共8 k b y t e ) f i f o 存储器，增大了存储容量，更保证数据的完整性；具 有两种数据采集模式：伪同步采集模式和分频采集模式，转换时间2 5 u s 。 a r t 2 0 0 1 板支持内触发和外触发，支持软件查询、d m a 、中断三种数据传输 方式。 模拟滤波电路截止频率在3 k h z ，根据乃奎斯特定律只要采样频率达到 6 k h z 就可以无失真的采样以及还原信号。a r t 2 0 0 1 最大采样频率为4 0 0 k h z ， 足够承担采集工作。 a r t 2 0 0 1 采集卡自带时钟和定时器，在设定首、末通道号后，模拟量从 3 7 芯d 型接口输入后，经过八选一模拟开关选择通道进入放大器，由放大器 输出到a d 转换器，开始数据转换，a d 转换结果数据写入f i f o ，最后经 a r t 2 0 0 1 卡的p c 10 4 总线将数据送入p f m 5 4 0 i 计算机。该采集卡采集过程 并不是同步采集，也就是采集到的各通道的数据并不是同一时刻的。如果k 为一次转换的输入通道数量，那么k 个通道的转换时间t = 5 k ( u s ) ，可以 通过这个时间修正采集到的数据。 2 4m s p 4 3 0 单片机和无线通信模块 在实际应用中，实验操作人员需要实时掌握采集器的工作状态，并根据 实际情况对采集器做出调整和对采集器电源的管理，把指令发送给采集器， 这就需要将采集器和操作人员通信。为了增加系统的使用灵活性，应用了无 线通信模块。通过使用单片机和无线通信模块，用于对采集系统的无线控制 和数据传输，如图2 7 所示。 1 6 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 串口1 1卜、 m s p 4 3 0 f 1 4 9 m g 8 1 5 + j e 串1 ：3 2 职 2 建 图2 7 通信模块连接框图 2 4 1c d m a 无线通讯模块m g 8 15 + 对采集器进行无线控制需要无线通信模块，采用了m g 8 1 5 + 是中兴通讯 公司生产的c d m a 无线通讯模块【2 1 1 。 码分多址c d m a 是i s 一9 5 描述的一种蜂窝技术，它在蜂窝领域里比g s m 技术更具优势，现在已有多种变化，众所周知的c d m a o n e 是早期的c d m a 技术，最初由高通公司提出并由其它多家公司所完善。c d m a 以数字扩谱技 术和独特的编码方式为特征，具有高容量、低小区半径的特点。 m g 8 1 5 + 模块提供的峰值数据传输率高达1 5 3 k b p s ，无须为了数据性能而 牺牲语音性能，它的容量接近于以前的c d m a 系统容量的两倍( 比t d m a 和 g s m 更好) ，且具有待机时间长的特点。m g 8 1 5 + 是基于高通6 0 2 5 平台的工 业级c d m a 模块，支持语音、数据、短信等功能。m g 8 1 5 + 模块有多种应用， 如：可用在基于c d m a 技术的车船载、无线终端、数据卡、数据传输、实时 监控、实时图像等领域。 通过这个模块的短信功能控制电源模块的继电器来达到控制采集器电源 的目的，并且可以通过短信或者无线网络实现对采集器状态的实时监控。 2 4 2m s p 4 3 0 单片机及其特点 对于m g 8 1 5 + 的控制需要用微控制器，选择了t i 公司的m s p 4 3 0 f 1 4 9 。 m s p 4 3 0 单片机是t i 公司推出的一款1 6 位超低功耗的混合信号处理器 ( m i x e ds i g n a lp r o c e s s o r ) 。该系列单片机自1 9 9 6 年问世以来，以其卓越的性 能成为众多单片机系列中一颗耀眼新星。它有以下特点：( 1 ) 具备强大的处理 能力，可编制出高效率的源程序。采用精简指令集( 融s c ) 结构，具有丰富的 1 7 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 寻址方式、简洁的2 7 条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片 内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令。( 2 ) 具备高效的 运算速度和灵活的运算方法。m s p 4 3 0 系列单片机能在8 m h z 晶体的驱动下， 实现1 2 5 n s 的指令周期；1 6 位的数据宽度以及多功能的硬件乘法器相配合， 能实现数字信号处理的某些算法；中断源较多，并且可以任意嵌套，使用时 灵活方便，当系统处于省电的备用状态时，用中断请求将它唤醒只用6 u s 。( 3 ) 系统可以稳定可靠的工作。系统稳定上电复位后，首先由d c o c l k 启动c p u ， 以保证程序从正确的位置开始执行，使晶体振荡器有足够的起振及稳定时间； 然后软件可设置适当的寄存器的控制位来确定最后的系统时钟频率；如果晶 体振荡器在用做c p u 时钟时发生故障，d c o 会自动启动，以保证系统正常 工作；如果程序跑飞，可用看门狗将其复位。( 4 ) 丰富的片内外设