基于四路同步水声信号记录仪设计方案

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该方案设计开发了一种水声信号记录仪，实现对水声信号4路24bit同步采集与存储，动态范围高达100dB，采样率可达100kS/s.测试结果表明，该方案中所设计的记录仪精度高、动态范围大、功耗低、存储容量大，工作稳定可靠，可完成30kHz以下的水声信号采集记录。
       
        一、引言
       
        水声信号是实现水下探测、定位、导航、通信的主要信息载体，对水下目标回波及其辐射噪声的原始信号进行分析、处理和研究可获得大量的目标特性信息，这就需要一种多路同步的高精度水声信号采集记录装置来采集记录水下目标的原始信号。
       
        传统的水声采集系统常采用单路16bit以下A/D转换器和单片机为核心器件，采样精度低，采集存储速度慢，处理能力弱，通用性不强。因此，文中采用24bit高精度A/D转换器ADS1274、超低功耗数字信号处理芯片TMSVC5509A和CF卡为主存储介质，设计开发了一种四路同步水声信号记录仪。该记录仪精度高、动态范围大、功耗低、存储容量大，工作稳定可靠，通用性强，可完成30kHz以下的水声信号采集记录和分析处理。
       
        二、记录仪整体设计方案
       
        水声数据记录仪需要长时间工作于水下，在功能上需要满足大容量的存储、低功耗、高保真、实时采集记录的要求。鉴于水声信号频率一般不高，采样率100kHz足以满足大部分信号采集需求，四路24bit采集8个小时总的数据量不超过32G，因此采用容量为32G的Compact Flash（CF卡）就能满足系统存储要求。记录仪采样频率100kHz时，要在10μs的采样周期内完成4路24bit水声信号的采集存储，实时性要求较高，这里选用TI超低功耗数字信号处理芯片TMS320VC5509A为主控处理器，其处理速度达到400MIPS，可满足系统需求。根据系统的需要，系统硬件部分由四路信号调理（前置放大及滤波）、高精度模数转换器（AD）、主控处理器（DSP）、数据存储单元（CF卡）、PC机接口单元构成（USB），软件部分由数据采集模块、数据存储模块和数据读取模块构成。记录仪总体结构图如图1所示。
       
       
        记录仪总体结构图
       
        三、记录仪硬件设计与实现
       
        （一）信号调理部分
       
        信号调理部分的主要的功能，是完成对水听器接收到的弱信号进行放大、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。
       
       
        记录仪信号调理部分原理框图
       
        水听器的信号是微弱信号，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，这里采用了成熟的商品化前放模块。
       
        前放模块的技术指标为：输入方式：差动与单端；共模抑制比：》100dB；输入阻抗：200MΩ；噪声电压密度为3nV/ ；增益：10倍（20dB）。
       
       
        （二）A/D接口电路
       
        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TI公司的一款24位高精度AD转换器ADS1274.该AD芯片内部集成有多个独立的高阶斩波稳定调制器和FIR数字滤波器，可实现4通道同步采样，支持高速、高精度、低功耗、低速4种工作模式，具有6 2 K H z的带宽，采样频率最高可达128KS/s.该芯片采用差动输入方式，所以输入端可直接与传感器或微小的电压信号相连；可通过设置相应的输入/输出引脚选择工作模式，无需寄存器编程，其数据输出可选择帧同步或SPI串行接口，便于连接至DSP，可满足要求严格的多通道微弱信号采集应用。
       
        AD与DSP的接口电路
       
        （三）主控制器
       
        主控制器是系统的核心，本系统所选用的主控处理器是TI公司的TMS320VC5509A，该芯片是TI公司生产的TMS320C5000系列DSP芯片中的一种。C5000系列的DSP在移动通信终端中应用广泛，其中C54x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。C55x是在C54x的基础上发展起来的，具有C54x的全部优点，而且是目前功耗最低的新产品。C55x低功耗的这一特点正符合水下能量受限的电子系统的功耗要求。
       
        （四）CF卡控制器
       
        CF支持三种基本工作模式：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卡上电时自动进入。在插入CF卡之前，保证CF卡插槽的/OE管脚为低电平，即可以让CF卡进入True IDE模式。DSP与CF卡的接口电图如图4所示。
       
        CF卡接口电路图
         
       
       
        A3-A0为数据、命令或状态寄存器地址线。D15-D0为数据总线。CD1、CD2为CF卡存在性硬件检测脚，内部和地相连，当CF卡有效插入卡座时，对应卡座上的CD1和CD2拉低，可由硬件或软件判断CF卡是否存在。RDY/BSY为CF卡状态信号，当CF卡忙时，该脚置低，此时DSP不能对其访问及进行其它操作。WE、OE为读写有效信号。REG为寄存器选择信号线，-REG为高时访问数据存储器（命令或数据），为低时访问属性存储器。上电时，CF卡自动完成复位，并在缺省状态下进入memory模式，也可由外部控制器经RESET脚对CF卡重新复位。图5为记录仪的硬件电路板实物图。
       
        电路板实物图
       
       
        四、系统软件设计
       
        系统软件设计的重点是完成采集数据的存储，即完成对CF卡的读写操作。
       
        在DSP读写CF卡扇区时，首先设置起始扇区的L B A地址和扇区数目；接着设置命令寄存器，读取数据设置命令“20H”，写入数据设置命令“3 0 H”；然后读取状态寄存器，判断状态寄存器值是否为“5 8 H”，若是，则开始读写操作，若否，则继续读取状态寄存器。接下来读取状态寄存器是否为“50H”，判断CF卡操作是否完成，若否，则继续读取判断；若为是，则结束读写过程。如果在判断状态寄存器中发生了超时或出现错误，可设置超时或错误标志，以跳出读写过程。图6为CF卡读写一个扇区的流程图。
       
        CF卡读写一个扇区的流程图
       
       
        五、结语
       
        本文主要针对传统水下信息采集设备精度低和能量受限的特点，提出了基于四路同步水声信号记录仪设计方案。该方案采用ADS1274、MSVC5509A和CF卡为核心器件设计实现了4路信号的同步采集记录，设计制作的电路板大约16cm×12cm，用高能锂电池供电，整个系统轻松装入一个内径为15cm，高20cm的圆柱形密封罐内。
       
        经过某噪声测试试验证明，该方案中所设计的记录仪体积小、功耗低（2W左右）存储容量大，能稳定可靠的实时采集并存储水下环境噪声和目标辐射噪声数据，具有良好的工程应用前景。