一种多用途水声应答器设计.docx

一种多用途水声应答器设计王玉巧1 刘军锋2 刘晓林2（1黄河科技学院，河南郑州 450006；2中船重工昆船设计研究院，云南昆明 650236）摘要：介绍一种多用途水声应答器的设计。该水声应答器系统采用双DSP模块协同控制处理的思想，双DSP模块是一块基于ADSP-BF533芯片的M序列码生成板和一块基于TMS320VC5509芯片的信号控制处理板组成，两者之间采用RS232方式通信，整个硬件系统采用低功耗设计，并给出相应的软件流程图；该水声应答器系统配有标准的USB接口，可直接与PC终端的实现数据传输，经南海海上试验证明该系统具有良好的可靠性、实用性、可扩展性和较高的性价比，符合未来水下通信技术发展的方向。关键词：水声应答器；M序列码；DSP信号处理板；低通滤波；中图分类号:TP368 文献标识码: A 文章编号：One Kind Of Multipurpose Underwater Acoustic Response Device System Design Wang Yu-qiao1，Liu Jun-feng2，Liu Xiao-lin2(1.CSIC Kunming Ship Design And Research Institute, Kunming 650236 China; 2. Huanghe Science & Technology College，Henan 450006 China)Abstract：This paper discussed a kind of multipurpose underwater acoustic response device system design, which adopted new thought of double DSP modules to cooperate and control systems process. Dual DSP modules are composed of a piece of the ADSP-BF533 chips as the core in the M series code generated board and a piece of the TMS320VC5509 chips as the core in the signal processing board, Two pieces of the DSP processing board communicated through RS232 port. This entire hardware system used low power consumed design and gave the corresponding software flow chart, Underwater acoustic response device system equipped with standard USB port, Which is transmissed of the data to PC terminal, The Nanhai Sea test conformed that the entire system has fire reliability, real-time nature and high cost performance. Underwater acoustic response device Meet the future design direction of underwater communication. Key words：Underwater acoustic response device；M series code；DSP signal processing board；Lower Pass Filter；1 引言随着水声通信技术的发展，实现海洋信息观察、海洋资源勘探与开发是当今热点问题1，水声应答器主要用于模拟水下目标的目标强度，可用于水下载体的导航和跟踪，帮助钻探船准确寻找井口位置，监控水下施工，传递水下遥测系统各水文参数讯号等2 4 10。本文设计的多用途水声应答器除了以上功能外，还可以水下布网，实现远距离通信、用500Hz1kHz的频率实时监测存储海洋环境噪声和海况信息数据。该数据可以通过系统自带的USB接口导入PC机进行分析。国外的水声应答器比较成熟，多用于通信和定位 3 6，价格偏高，国内自主研发的产品较少，市场上基本是进口产品5。2 水声应答器的电路组成及工作原理水声应答器的硬件原理框图如图1所示，主要由DC-DC电源板、发射功放板、接收板、M序列码解调板、DSP信号处理板和声系统等几部分组成。图1 水声应答器硬件原理框图Fig.1 The diagram of acoustic response device hardware system接收换能器和发射换能器组成的声系统都是经过轴向密封的水密接口连接到电子仓内，电子仓包含37V电池组、电源板、M序列码解调板、DSP信号处理板、功放发射板和接收板。整个应答器靠电子仓外的硬质泡沫浮在特定的水位。水声应答器入水后，由轴向密封的入水电源开关接通电源，电源板上电输出线性相互隔离的五路+5V，其中四路可控+5V分别送功放板、接收板、DSP信号处理板和硬盘供电电路，剩余一路设计成不可控直接送M序列码解调板，M序列码解调板得电初始化后，关功放板和DSP信号处理板电源，等待接收母船发出的扩频信号命令9。当M序列码解调板解调出有效的控制命令，控制电源板给功放板和DSP信号处理板上电，回发扩频应答信号；并经RS232串口给DSP板发送模式选择控制命令，使应答器进入相应的工作模式。当M序列码解调板解调出无效控制命令，则一直等待母船继续发命令，该过程中应答器一直处于低功耗状态7。当电池电源电压低于设定值或硬盘空间不足时，DSP信号处理板给母船发送电源电压低或移动硬盘空间不足扩频信号，并关断电源板电源。2.1 DC-DC-LDO电源板考虑到电源变换效率和功耗，采用开关电源芯片把电池组输出高压降压滤波后，分五路进行线性稳压滤波输出相互隔离的+5V，其中四路设计成可控输出给功放发射板、接收板、DSP信号处理板和硬盘使用，另外一路设计成不可控，送M序列码解调板8。2.2 功放发射板为了提高功放发射板的效率和缩小体积,减小功耗和波形的线性度等因素，功放发射板采用D类音频功率放大器，功放发射板原理框图如图2所示。图2 功放发射板原理框图Fig.2 The principle diagram of power amplifier board当需要功放发射板发射信号时，M序列码板或DSP信号处理板的IO控制信号控制电源板上开关电源芯片，控制发射可控+5V输出给功放发射板，并开启直流高压（电池组提供）送功放板芯片。发射完成后，M序列码板或DSP信号处理板的IO控制信号撤销控制信号切断发射功放板的高、低压电源，实现功放发射板零功耗待机。2.3 接收板考虑输入阻抗匹配、低噪音、增益带宽乘积和低功耗等因素，接收换能器把接收到的声信号送接收板，由接收板根据设定增益对收到的信号进行前置放大和阻抗匹配电路，该电路采用低噪音、低功耗的仪表放大器转差分信号为单端输出信号，并采用低阻设计；再经四阶Butterworth滤波8和后置放大输出接收信号。该接收信号分别送M序列码和DSP信号处理板的16位A/D电路。为了保证接收通道宽的动态范围，后置放大增益设为多级可调增益电路，接收板原理框图如图3所示。图3 接收板原理框图Fig.3 The principle diagram of receiver board2.4 DSP信号处理板 DSP信号处理板主要由电源变换、两路16位A/D采集、一路D/A信号输出、信号调理、EMP240接口电路、外扩FLASH和SDRAM电路、串口RS232接口、JTAG接口、USB主机接口控制CH375电路、看门狗复位电路和抗干扰电路等几部分组成。DSP信号处理板的核心处理芯片采用TMS320VC5509芯片，该芯片具有低功耗、低噪声和高速处理能力等特点12 13，通过RS232标准接口与M序列码解调板通讯。两路16位A/D和一路16位D/A芯片经过EPM240接口电路转换送给DSP进行数据采集 12 13 14。2.5 M序列码解调板 M序列码板主要由电源变换、一路16位A/D采集、一路D/A信号输出、信号调理、串口RS232接口、JTAG接口、看门狗复位电路和抗干扰电路等几部分组成。M序列码板的核心处理芯片采用ADSP-BF533芯片，该芯片具有低功耗、低噪声和高速处理能力等特点12 13，A/D和D/A芯片也采用高速、低功耗、低噪声的16位串行芯片。M序列码板接收到有效的扩频信号，解调出CON控制命令，开启功放发射板回发M序列码应答信号16；如果CON控制命令是记录模式或应答模式，则控制电源板开启DSP信号处理板，并通过RS232串口把CON控制命令传给DSP信号处理板，应答器工作在相应模式下11。3 软件设计DSP信号处理板和M序列码板都采用C语言编写，M序列码板程序流程图如图4所示，流程图中的N=0，1，2.，开机上电由入水电源开关控制，休眠模式时，功放板和DSP信号处理板供电关闭，只有接收板和M序列码板工作，整个系统处于低功耗状态。DSP信号处理板的程序流程图如图5所示，M序列码板控制电源板给DSP信号处理板上电，DSP系统初始化分为CSL库函数初始化、EMIF接口初始化、串口初始化、McBSP口初始化、USB主机接口初始化和硬盘初始化；运行模式分为应答模式、记录仪模式和休眠模式；应答文件以FAT32格式固定为4K字节容量存储，记录文件以FAT32格式固定为10M字节容量存储，如果在存储过程中有新的CON命令送来，则存储文件根据实际文件大小（小于4K字节或10M字节）来存盘 15 16。图 4 M序列码程序流程图Fig.4 The program flow chart of M series code board图 5 M序列码程序流程图Fig.5 The program flow chart of DSP signal processing board4 实验结果2011年8月份，在中国南海进行了海上试验，试验存盘记录数据完整、回放信号清晰，抗多途干扰能力强，实现了模拟水下目标的目标强度和500Hz1Kz的海洋环境监测。并且利用三台水声应答器组成定点网络，在海深7m、声源级175dB760Hz，传输距离8500m，无误码，试验过程中接受功耗145mW，发射功耗10W。实现水下无线组网的可靠通信。参考文献 1M.Stojanovic. Underwater acoustic communicationJ. IEEE Oceans,San Diego，1995: 435-440P2Sozer E M, Stojanovic M,Proakis J G. Underwater acoustic networksJ. IEEE Journal of oceanic engineering, 2000,25(1):72-833Kilfoyle D B, Baggeroer A B. The state of the art in Underwater acoustic telemetryJ. IEEE Journal of oceanic engineering, July 2000,vol25(1):4-274Ethem M.Sozer.Underwater Acoustic NetworksJ. IEEE Journal of oceanic engineering, January 2010,vol25.NO.1:72-83p5M.Siderius, M.B.Porter and VK.McDonald, Experiments study underwater acoustic communications, Sea techM.2004(5):42-466 许肖梅著. 水声通信与水声网络的发展与应用J. 北京：科学出版社，2002,12（3）:1-13.7白鑫，钱志博，陈洁.一种水声应答器电子系统的设计.电子测量技术J. 2009,10:8-11.8李钟慎，洪剑.基于改进型Butterworth传递函数的高阶低通滤波器的由原设计.电子测量与仪器学报J. 2008,22(1): 86-899查光明，熊贤祚著.扩频通信M. 西安：西安电子科技大学出版社,1990: 28-3610 景志宏,赵俊渭,林钧清,林良骥.高性能水下目标识别系统及其实验研究J. 1999,04 (1):11-1511 申敏,邓矣兵,郑建宏. DSP原理及其在移动通信中的应用M. 北京： 人民邮电出版社,2001:113-11612 汪春梅,孙洪波,任治刚. TMS320C500系列DSP系统设计与开发实例M. 北京： 电子工业出版社,2004:91-11913 A.V.奥本海姆,R.W.谢弗著. 董士嘉等译.数字信号处理M. . 北京： 科学出版社,1981: 27-6114