石靖鵬，彭東立，朱安玨

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OMAP平臺(tái)嵌入式聲學(xué)多普勒流速剖面儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

石靖鵬，彭東立，朱安玨

(中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所東海研究站，上海 200032)

在TI公司OMAP-L137雙核平臺(tái)的基礎(chǔ)上，對(duì)嵌入式聲學(xué)多普勒測(cè)流系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)測(cè)流精度和性能進(jìn)行驗(yàn)證。先通過(guò)中頻正交采樣構(gòu)建回波復(fù)包絡(luò)信號(hào)，再采用復(fù)相關(guān)算法檢測(cè)信號(hào)的頻移進(jìn)行流速測(cè)量。在文中對(duì)算法進(jìn)行了研究和原理分析。OMAP中的DSP核主要負(fù)責(zé)回波處理，系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)通信、信號(hào)處理等。結(jié)合仿真測(cè)試，并通過(guò)某湖水下實(shí)驗(yàn)對(duì)設(shè)備進(jìn)行了精度和性能驗(yàn)證，獲得了良好的測(cè)流效果并且系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)定性，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)指標(biāo)。對(duì)于嵌入式平臺(tái)水聲設(shè)備的研制有一定的參考價(jià)值。

開(kāi)放式多媒體應(yīng)用平臺(tái)；復(fù)相關(guān)測(cè)頻；中頻正交采樣；

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)在水資源環(huán)保和利用的投入加大，以及高性能小型化的水聲設(shè)備研發(fā)技術(shù)的進(jìn)步，聲學(xué)多普勒流速剖面儀(Acoustic Doppler Current Profiler, ADCP)有著廣泛的應(yīng)用前景。開(kāi)放式多媒體應(yīng)用平臺(tái)(OMAP)是一種為滿足移動(dòng)多媒體信息處理及無(wú)線通信應(yīng)用開(kāi)發(fā)出來(lái)的高性能、高集成度嵌入式處理器，通常包括一個(gè)或多個(gè)ARM構(gòu)架處理器和專用協(xié)處理器，為研發(fā)人員提供了一個(gè)可擴(kuò)展、高性能的超低功耗平臺(tái)，既改善了DSP的外部控制能力的不足，也彌補(bǔ)了普通ARM處理器無(wú)法快速處理大量數(shù)據(jù)的不足。

寬帶多普勒測(cè)流(BroadBand Acoustic Doppler Current Profiler, BBADCP)關(guān)鍵是對(duì)多普勒頻移的測(cè)量，通常發(fā)射和接收信號(hào)之間的頻率變化很小，快速傅里葉變換由于其頻率分辨力的影響，不適合在低信噪比情況下測(cè)頻?；谧V矩理論的復(fù)相關(guān)算法[1]可以在低信噪比情況下快速精確地進(jìn)行測(cè)頻。本文在OMAP-L137平臺(tái)基礎(chǔ)上，對(duì)寬帶多普勒測(cè)流系統(tǒng)中的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，主要介紹DSP端的信號(hào)采集以及處理模塊設(shè)計(jì)，ARM作為主控端，負(fù)責(zé)對(duì)DSP的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行后處理以及系統(tǒng)控制等。

1 基本原理

1.1 復(fù)相關(guān)測(cè)頻

由維納-辛欽定理可知，信號(hào)的功率譜密度函數(shù)和自相關(guān)函數(shù)互為一對(duì)傅里葉變換對(duì)，即：

將式(4)、(5)同時(shí)代入式(2)，可得

即可得頻率為

1.2 數(shù)字中頻正交采樣

復(fù)相關(guān)測(cè)頻方法中，對(duì)信號(hào)做復(fù)相關(guān)之前需要構(gòu)造測(cè)頻信號(hào)的復(fù)包絡(luò)表達(dá)形式，這可以采用正交調(diào)制的方法，文中采用數(shù)字中頻正交采樣[2]的方法構(gòu)造復(fù)包絡(luò)信號(hào)。

兩路正交分量由采樣信號(hào)交替抽取得到，時(shí)間上相差一個(gè)采樣周期，但在信號(hào)處理時(shí)需要兩路信號(hào)在同一時(shí)刻的值，故對(duì)其可以采取時(shí)域的插值或者頻域的濾波，文中采取時(shí)域插值法以簡(jiǎn)化計(jì)算，采樣率中取2，具體框圖如圖1所示。

圖1 數(shù)字中頻正交采樣框圖

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文基于OMAP-L137平臺(tái)[3]進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，OMAP-L137為雙核芯片，包含一個(gè)ARM926EJ-S和一個(gè)TMS320C674x DSP芯片。在軟件架構(gòu)中，ARM核為系統(tǒng)的主控端，負(fù)責(zé)外設(shè)控制、系統(tǒng)狀態(tài)的檢查、數(shù)據(jù)的后處理以及數(shù)據(jù)交互等工作；DSP核負(fù)責(zé)信號(hào)采集、復(fù)相關(guān)測(cè)頻以及數(shù)據(jù)處理等，具體的架構(gòu)框圖如圖2所示。下面著重介紹DSP端的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

圖2 數(shù)字信號(hào)處理架構(gòu)圖

2.1 DSP系統(tǒng)平臺(tái)

DSP上的信號(hào)處理系統(tǒng)基于TI的DSP/BIOS實(shí)時(shí)內(nèi)核，它具有很多實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)的功能，如任務(wù)調(diào)度、任務(wù)間的同步和通信、內(nèi)存管理、實(shí)時(shí)時(shí)鐘管理、中斷服務(wù)管理等。DSP/BIOS分為很多個(gè)模塊，提供的所有API函數(shù)都按照模塊分類，以模塊名加下劃線開(kāi)頭來(lái)命名。同時(shí)，DSP/BIOS還需要配置相應(yīng)的tcf文件，配置文件中包括內(nèi)存分配、時(shí)鐘、任務(wù)管理、中斷等相應(yīng)的設(shè)置。

DSP啟動(dòng)后首先進(jìn)行一些初始化工作，main函數(shù)執(zhí)行完之后退出，隨后DSP/BIOS啟動(dòng)接管系統(tǒng)。DSP/BIOS配置文件中共創(chuàng)建了五個(gè)任務(wù)：

(1) FPGA觸發(fā)信號(hào)控制；

(2) D/A數(shù)據(jù)輸出；

(3) 回波信號(hào)采集；

(4) 回波信號(hào)處理；

(5) 空閑循環(huán)任務(wù)；

任務(wù)的調(diào)度是由時(shí)鐘進(jìn)行控制的，在配置文件中設(shè)置好時(shí)鐘周期，每隔一段時(shí)間觸發(fā)一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，DSP開(kāi)始執(zhí)行信號(hào)的采集以及數(shù)據(jù)處理工作，信號(hào)處理完成后將結(jié)果數(shù)據(jù)再回傳給ARM端進(jìn)行后處理。當(dāng)沒(méi)有任務(wù)需要執(zhí)行時(shí)，DSP/BIOS會(huì)執(zhí)行空閑循環(huán)任務(wù)，直至軟硬件中斷搶占Idle循環(huán)得到執(zhí)行。

2.2 信號(hào)的采集控制

DSP端主要負(fù)責(zé)回波信號(hào)的處理，寬帶調(diào)制信號(hào)的編碼工作由一塊FPGA芯片完成，DSP端收到ARM端的執(zhí)行命令后便向FPGA產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)，并給出相應(yīng)的信號(hào)編碼號(hào)，F(xiàn)PGA隨即產(chǎn)生相應(yīng)的編碼信號(hào)至換能器輸出。

2.3 數(shù)據(jù)通信

軟件系統(tǒng)中的通信分為進(jìn)程間通信和內(nèi)核間通信兩種。進(jìn)程間通信通過(guò)信號(hào)量(Semaphore)以及郵件(Mailbox)兩種方式實(shí)現(xiàn)，信號(hào)量用來(lái)傳遞同步信號(hào)，主要是根據(jù)時(shí)鐘來(lái)控制，以保證進(jìn)程間邏輯的有序性。內(nèi)核間通信是指ARM與DSP雙核之間的通信，用來(lái)傳輸系統(tǒng)指令和測(cè)流的計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)。

文中雙核通信是基于DSPLINK機(jī)制[4]來(lái)完成，作為GPP端的ARM核可以使用一套通用的API函數(shù)完成，而在DSP端的API函數(shù)是基于DSP/BIOS內(nèi)核上的SIO、GIO、MSGQ模塊實(shí)現(xiàn)。雙核之間數(shù)據(jù)傳輸采用內(nèi)存共享機(jī)制，MSGQ發(fā)送的是共享的內(nèi)存區(qū)的地址指針。ARM為DSP分配相應(yīng)的readbuf和writebuf數(shù)據(jù)區(qū)，DSP收到消息后首先去讀取readbuf獲取控制指令，執(zhí)行完信號(hào)處理后將數(shù)據(jù)寫(xiě)入writebuf，再通過(guò)MSGQ通知ARM核讀取數(shù)據(jù)。無(wú)論何種工作模式下，雙核間的通信每個(gè)時(shí)鐘周期都會(huì)進(jìn)行一次，以保證系統(tǒng)狀態(tài)和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，通過(guò)內(nèi)存共享的通信可以避免傳輸大量數(shù)據(jù)導(dǎo)致的通信阻塞，從而保證DSP端的進(jìn)程穩(wěn)定。

2.4 信號(hào)處理

軟件系統(tǒng)中信號(hào)處理任務(wù)被設(shè)計(jì)成獨(dú)立的線程，根據(jù)收到的ARM指令去執(zhí)行復(fù)相關(guān)測(cè)頻算法，為保證測(cè)流數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，系統(tǒng)每個(gè)時(shí)鐘周期會(huì)讀取壓力、溫度以及姿態(tài)傳感器的數(shù)據(jù)。聲波在水中不同深度和溫度下的傳播速度都不一樣，測(cè)量壓力、溫度用來(lái)估算出聲速。一般ADCP都采用了Janus配置，可以測(cè)量出三維的流速數(shù)據(jù)，但船體的搖晃會(huì)影響波束的方向，系統(tǒng)測(cè)量的姿態(tài)數(shù)據(jù)用來(lái)校正波束角，以提高測(cè)流的精度。

C674x是一塊浮點(diǎn)DSP，可直接采用C語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)中的時(shí)鐘周期設(shè)置為0.5 s，為提高數(shù)據(jù)的處理效率，軟件設(shè)計(jì)中對(duì)算法的流程進(jìn)行了一定的優(yōu)化，例如將濾波器的參數(shù)預(yù)設(shè)進(jìn)程序，不同發(fā)射信號(hào)的參數(shù)制成預(yù)設(shè)查找表，對(duì)公式計(jì)算進(jìn)行等效替換減小計(jì)算量，優(yōu)化程序邏輯結(jié)構(gòu)等。信號(hào)處理進(jìn)程在啟動(dòng)后一直執(zhí)行，大致流程如圖3所示。

圖3 信號(hào)處理線程工作流程圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

ADCP設(shè)備的工作頻率為300 kHz，設(shè)計(jì)指標(biāo)為測(cè)量相對(duì)誤差<1%，且OMAP的雙核特性保證了ADCP可以在處理數(shù)據(jù)的同時(shí)，能夠與PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)和控制交互，且不影響測(cè)流的穩(wěn)定性。為驗(yàn)證測(cè)流精度以及嵌入式系統(tǒng)的穩(wěn)定性，先后進(jìn)行了算法軟件仿真，設(shè)備模擬電聯(lián)調(diào)和某湖水下實(shí)驗(yàn)。湖試中利用GPS標(biāo)定船速以及航跡，由于該湖為人工湖，水體流動(dòng)性差，觀測(cè)水深約為水下20 m處，上層水體的流動(dòng)以及水中氣泡等影響較小，可近似認(rèn)為ADCP測(cè)得水速即為船速，再以GPS數(shù)據(jù)為參考進(jìn)行對(duì)比，統(tǒng)計(jì)測(cè)流的精度值。

實(shí)驗(yàn)船正常航速在4~11 kn之間，在不同船速和層厚下進(jìn)行了對(duì)水測(cè)速。若層厚為2 m，設(shè)定船速為8 kn，在同一水域進(jìn)行“順逆順”三次測(cè)量，最后計(jì)算該水域的綜合測(cè)量結(jié)果。湖試前，在Matlab上進(jìn)行了仿真，設(shè)定水流為4 m/s，不考慮設(shè)備噪聲以及回波自噪聲等干擾，只模擬單列回波信號(hào)，加高斯白噪聲進(jìn)行仿真，信噪比為20 dB，連續(xù)400次測(cè)試并記錄瞬時(shí)速度以及數(shù)據(jù)平滑后的速度。仿真得瞬時(shí)速度平均值為4.024 m/s，瞬時(shí)標(biāo)準(zhǔn)差為0.004 m/s，均方根誤差為0.0245 m/s，均滿足指標(biāo)要求，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 400次仿真速度曲線

以實(shí)驗(yàn)中設(shè)定船速為8 kn的一次測(cè)量為例，采用與上述仿真相同的發(fā)射信號(hào)，GPS測(cè)得船速平均為7.917 kn，約4.07 m/s，ADCP測(cè)得20 m深水層流速曲線如圖5所示，從圖中可見(jiàn)，實(shí)際水文環(huán)境下測(cè)量得到的瞬時(shí)速度曲線波動(dòng)性比仿真結(jié)果大。

圖5 20m深水層ADCP測(cè)量結(jié)果曲線

綜合該水域三次測(cè)量，統(tǒng)計(jì)平均結(jié)果如表1所示。以GPS速度為標(biāo)準(zhǔn)，單次測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)誤差在0.04 kn左右，去除水流影響后綜合平均誤差為0.013 kn，相對(duì)誤差都在1%以內(nèi)。

水下測(cè)試會(huì)受到水文環(huán)境多樣性的影響，瞬時(shí)速度曲線可能會(huì)表現(xiàn)出抖動(dòng)較大，結(jié)果數(shù)據(jù)的輸出應(yīng)對(duì)瞬時(shí)速度進(jìn)行平滑降噪處理，以減小數(shù)據(jù)的抖動(dòng)。特別在層厚較大的情況下，層內(nèi)某一深度的水文波動(dòng)可能會(huì)影響到這一層的測(cè)流結(jié)果。

表1 同一水域測(cè)速統(tǒng)計(jì)平均結(jié)果

某一組在8 m分層厚度，設(shè)定船速4 kn的測(cè)試中，同樣觀測(cè)20 m水深為中心的水層，瞬時(shí)速度值在某一時(shí)刻出現(xiàn)了較大的突變，而整體速度曲線相對(duì)比較平穩(wěn)，可以判定速度突變點(diǎn)為野點(diǎn)，在統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)采用合適的平滑算法降低個(gè)別野點(diǎn)對(duì)整體數(shù)據(jù)變化的影響。該組數(shù)據(jù)GPS測(cè)得平均速度為4.34 kn，約2.23 m/s，若不對(duì)野點(diǎn)進(jìn)行處理，統(tǒng)計(jì)得到流速標(biāo)準(zhǔn)誤差為0.091 m/s，相對(duì)誤差達(dá)到了4%。采用平滑算法后，極大地降低了野點(diǎn)對(duì)整體數(shù)據(jù)的影響，速度曲線相對(duì)比較平穩(wěn)，統(tǒng)計(jì)得到平滑后的輸出流速標(biāo)準(zhǔn)誤差為0.014 m/s，相對(duì)誤差降為0.6%，該組實(shí)驗(yàn)測(cè)量速度曲線圖如圖6所示。

圖6 包含野點(diǎn)數(shù)據(jù)速度曲線變化

此外，在其他船速和層厚下，采用不同的發(fā)射信號(hào)同樣對(duì)ADCP的性能進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，測(cè)量相對(duì)誤差均能夠達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，且設(shè)備能夠連續(xù)正常地工作，驗(yàn)證了嵌入式系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

本文對(duì)寬帶多普勒測(cè)流基本算法原理進(jìn)行了研究分析，并在OMAP-L137平臺(tái)上設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了信號(hào)處理系統(tǒng)，著重對(duì)DSP端的系統(tǒng)架構(gòu)和功能模塊進(jìn)行了介紹。通過(guò)算法的仿真以及設(shè)備湖試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明設(shè)備在實(shí)際水文環(huán)境中的測(cè)量誤差可以滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，驗(yàn)證了測(cè)頻算法的性能，同時(shí)也驗(yàn)證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對(duì)嵌入式水聲設(shè)備研發(fā)有一定的參考價(jià)值。

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LI Yilu. Design of ADCP system on embedded processor and signal optimization[D]. Dalian: Dalian University of Technology. 2007. 10.

Design and implementation of embedded acoustic Doppler current profiler system based on OMAP platform

SHI Jing-peng, PENG Dong-li, ZHU An-jue

(Shanghai Acoustics Laboratory, Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200032, China)

The embedded Acoustic Doppler Current Profiler (ADCP) system has been developed on the basis of TI OMAP-L137 dual-core platform, and the measurement precision and performance are verified by experiments. Building complex echo signal first through intermediate frequency quadrature sampling, and then deriving water velocities by detecting the frequency shifts with complex correlation algorithm, and the principle of the algorithm is studied in the paper. The DSP core of OMAP is mainly responsible for echo processing, system design including system control, data communication, signal processing, etc. Combining the simulation tests, precision and performance of the equipment are verified by underwater experiment in Qian Dao Lake. Good results of flow measurement and stability of system are obtained, and the desired design index is achieved, which has a certain reference value for the development of the embedded platform sonar equipment.

OMAP; complex correlation algorithm; quadrature sampling of intermediate frequency signal

TB556

A

1000-3630(2014)-03-0199-05

10.3969/j.issn1000-3630.2014.03.003

2014-03-28;

2014-05-02

石靖鵬(1990-), 男, 江蘇揚(yáng)州人, 碩士研究生, 研究方向?yàn)樾盘?hào) 與信息處理。

石靖鵬, E-mail: sjpstone@126.com