徐國貴 張永超

(91388部隊 湛江 524022)

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一種基于以太網(wǎng)的分布式同步水聲數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究*

徐國貴 張永超

(91388部隊 湛江 524022)

論文研究一種以嵌入式微機HT-1150為核心、以ART2153為采集模塊的水聲數(shù)據(jù)采集平臺。主控計算機為顯示控制中心,采用以太網(wǎng)傳輸技術(shù),通過網(wǎng)絡(luò)交換機進行數(shù)據(jù)交換,采集的水聲數(shù)據(jù)還進行壓縮處理,并加入時間信息,實現(xiàn)了多通道同步采集、遠程控制,數(shù)據(jù)傳輸容量大、速度快、實時性強、接收數(shù)據(jù)同步的水聲信號監(jiān)測特點。

分布式; 同步水聲數(shù)據(jù)采集; 以太網(wǎng); 嵌入式微機

Class Number TP274.2

1 引言

在艦船輻射噪聲的測量中,為得到更加詳細的目標輻射噪聲,掌握目標特性信息,方法越來越多,在被測量艦船附近布放水聽器就是一種進行信號監(jiān)測的方法[1]。但當進行分布式同步數(shù)據(jù)采集時,由于采集設(shè)備多,且還可能分布在不同的測量船上,對采集的數(shù)據(jù)無法進行同步,特別是對海量的采集數(shù)據(jù)無法實現(xiàn)實時傳輸和顯示。本論文研究的是一種基于以太網(wǎng)傳輸?shù)姆植际?、同步?shù)據(jù)采集實時分析顯示系統(tǒng),該系統(tǒng)采用以太網(wǎng)傳輸技術(shù)進行數(shù)據(jù)傳輸[2,4],數(shù)據(jù)采集平臺和顯控計算機通過網(wǎng)絡(luò)交換機進行連接,采集平臺以嵌入式微機作為核心、顯控中心可遠程實時監(jiān)控各采集平臺的工作狀況,網(wǎng)絡(luò)通信采用TCPIP技術(shù)[3],水聲數(shù)據(jù)進行壓縮和加密處理,實現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸容量大、速度快、實時性強和同步性好的水聲信號監(jiān)測特點。該方法所使用的嵌入式微機為HT-1150工業(yè)控制板,采集卡選用由阿爾泰公司生產(chǎn)ART2153采集模塊;顯控終端由VC++開發(fā)的軟件進行采集平臺的控制、信號的處理及顯示[6～7];當采集平臺與顯控終端不在一條船上時可采用基于802.11協(xié)議的微波通信實現(xiàn)[5,8]。

2 分布式監(jiān)測控制原理

該方法主要由水聲數(shù)據(jù)采集平臺、網(wǎng)絡(luò)交換機、顯示控制終端及顯示控制軟件組成,各水聲數(shù)據(jù)采集平臺采用以太網(wǎng)方式與顯控終端實現(xiàn)連接,若水聲數(shù)據(jù)采集平臺與顯控終端不在同一船上時采用微波通信方式進行連接,數(shù)據(jù)傳輸采用TCPIP網(wǎng)絡(luò)技術(shù),確保數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)采用數(shù)據(jù)包形式在源節(jié)點與目的節(jié)點之間傳輸,數(shù)據(jù)包包括楨頭、幀類型及補碼、數(shù)據(jù)段。數(shù)據(jù)段數(shù)據(jù)進行了數(shù)據(jù)壓縮和加密處理,包含該段數(shù)據(jù)獲取時刻的時間信息,時間由軟件提供。目的節(jié)點根據(jù)傳遞的楨頭、幀類型及補碼判斷傳輸數(shù)據(jù)類型,再根據(jù)數(shù)據(jù)類型對數(shù)據(jù)段進行解碼。

圖1為工作原理圖,當水聲數(shù)據(jù)采集平臺與船載顯控終端位于同一船上時,直接通過網(wǎng)絡(luò)交換機進行連接,當不在一條船上時,通過無線電微波通信方式進行連接。水聲數(shù)據(jù)采集平臺可根據(jù)實際測量要求進行增加,各采集平臺通過設(shè)定不同IP地址進行識別。船載顯控終端通過RS232接口與一GPSBD2定位模塊相連,為其提供位置信息和時間信息。水聲數(shù)據(jù)采集平臺在收到顯控終端的命令后進行相應的操作,并及時將處理結(jié)果回復至顯控終端,當進行數(shù)據(jù)采集時將采集的數(shù)據(jù)進行壓縮處理后上傳至顯控終端;顯控終端是人機交互設(shè)備,開機后主動與GPSBD2進行時間校準,根據(jù)要求向各采集平臺下達命令,對上傳的信息進行相應處理和顯示。顯控軟件可同時顯示所有采集平臺上傳的水聲數(shù)據(jù)時域圖,還可對某個采集平臺的數(shù)據(jù)進行實時FFT分析并顯示。

圖1 分布式水聲采集原理圖

3 采集平臺硬件設(shè)計

3.1 工控機HT-1150及采集卡ART2153介紹

工控機HT-1150模塊,它是一種嵌入到機器設(shè)備、控制系統(tǒng)、儀器儀表、智能產(chǎn)品、軍事裝備中的計算機,具有PC104總線接口,CPU為AMD LX800處理器,主頻500MHz,板上提供一個筆記本內(nèi)存插槽,最大支持1G內(nèi)存,擁有一個高速CF卡插槽和IDE接口,可以方便安裝擴展外接存儲設(shè)備。此外,該主板集成了標準的10/100Mbase-T以太網(wǎng)RJ45接口,還提供了兩個RS232串口,四個USB接口。它功耗低、可靠性高、功能強大,具有很高的性能價格比且與標準PC全兼容,采用與標準PC相同的硬件結(jié)構(gòu)、軟件操作系統(tǒng)和軟件開發(fā)平臺。

采集系統(tǒng)采用的是阿爾泰公司推出的ART2153模塊,它是一款基于PC104總線的數(shù)據(jù)采集卡,與嵌入式微機HT-1150通過PC104接口連接。該采集卡轉(zhuǎn)換精度16位,單通道采樣頻率最高可達250kHz,模擬量輸入方式有單端模擬輸入或雙端模擬輸入可選,模擬輸入阻抗10MΩ,AD轉(zhuǎn)換時間1.25μs,程控增益1、2、4、8倍可設(shè),數(shù)據(jù)緩存8k。該采集卡運行參數(shù)通過與之相連的嵌入式微機運用軟件進行初始化設(shè)置。

3.2 采集平臺設(shè)計

該系統(tǒng)所用采集平臺主要由水聽器、水聲采集設(shè)備、嵌入式微機、存儲設(shè)備組成,如圖2所示。

圖2 信號采集平臺結(jié)構(gòu)圖

該系統(tǒng)中,為使采集卡擁有高采樣率和抗干擾能力,采用單通道、雙端差分輸入方式,軟件觸發(fā)模式、半滿條件下進行讀取數(shù)據(jù)。在嵌入式微機上使用大容量CF卡進行系統(tǒng)的加載、運用程序的運行及數(shù)據(jù)存儲。嵌入式微機上將運行應用軟件,完成系統(tǒng)狀態(tài)查詢、采集卡設(shè)置、通信協(xié)議、數(shù)據(jù)壓縮和數(shù)據(jù)加密等功能。操作系統(tǒng)采用廣泛使用且資源豐富的Windows XP操作系統(tǒng),節(jié)省采集系統(tǒng)軟件的開發(fā)周期;應用程序采用VC++進行編寫。采集平臺開機后嵌入式微機將調(diào)用以上單元的驅(qū)動程序,自動與顯控終端進行連接。

4 軟件設(shè)計

4.1 采集平臺軟件

嵌入式微機主要完成對顯控終端下達指令的處理及向顯控終端回傳工作信息。應用程序采用VC++6.0進行編寫,顯控終端下達的指令有采集平狀態(tài)查詢指令,包括存儲卡容量查詢、采集卡參數(shù)查詢;存儲卡數(shù)據(jù)清除指令,主要用于清除存儲卡內(nèi)的采集數(shù)據(jù);參數(shù)設(shè)置指令,主要用于設(shè)置采集卡的數(shù)據(jù)采樣率、放大倍數(shù)等;時間校準設(shè)置指令,主要用于將采集平臺當前時間校準為顯控終端統(tǒng)一下發(fā)的時間;開始采集或停止采集指令,主要是使能采集卡開始工作或停止工作。采集平臺軟件流程圖如圖3所示。

圖3 采集平臺軟件流程

各采集平臺上電后采集卡自動進行初始化設(shè)置,通過網(wǎng)絡(luò)交換機自動與船載終端建立連接,等待船載終端下發(fā)指令并進行相應處理。各采集平臺在收到顯控終端的時間校準命令時統(tǒng)一進行時間校準,同時將結(jié)果回復至顯控終端;當收到開始采集命令時,系統(tǒng)開始計時,每次上傳4096個數(shù)據(jù),當系統(tǒng)接收4096個數(shù)據(jù)時讀取當前時間,同時將減去4096個數(shù)據(jù)所需的時間(即40.96ms)后作為該幀數(shù)據(jù)的起始時刻,將該時刻連同水聲數(shù)據(jù)一同打包后進行相應壓縮處理,之后調(diào)用通信協(xié)議上傳至顯控終端。

4.2 顯控軟件分析

顯控終端主要由網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備、GPSBD2定位模塊、顯控計算機及顯控軟件組成,顯控軟件主要完成對各通道采集平臺的控制及對接收數(shù)據(jù)的處理及顯示,采用VC++6.0軟件進行編寫,與各通道采集平臺通信基于以太網(wǎng)的TCPIP技術(shù),與各采集平臺通信通過線程進行實現(xiàn),采用雙緩沖進行數(shù)據(jù)讀取與處理,對各通道接收數(shù)據(jù)在解壓后,進行時域波形顯示及FFT頻域處理顯示,軟件可以同時顯示多個通道的時域波形,并可對某個通道波形進行FFT分析并顯示;軟件可對所有采集平臺下達操作命令,也可對指定采集平臺下達操作命令。GPSBD2定位模塊主要用于對顯控計算機進行時間校準。

軟件流程如圖4所示。船載顯控終端開機后,軟件運行并進行初始化設(shè)置,在GPSBD2定位模塊進入導航模式后自動進行時間校準;連接各采集平臺后查詢各采集平臺工作狀態(tài),下達操作命令。對各采集平臺上傳的數(shù)據(jù)進行處理,根據(jù)各采集平臺上傳采集數(shù)據(jù)進行解壓后根據(jù)時間信息進行同步顯示,以下達“開始采集”命令時刻為0時刻進行逐步顯示。圖5為在實驗室測試過程中操作軟件界面及四個采樣平臺采集信號顯示。

圖4 顯控軟件流程

圖5 顯控軟件界面

4.3 數(shù)據(jù)傳輸

該系統(tǒng)所用的數(shù)據(jù)傳輸方式采用以太網(wǎng)連接的TCPIP協(xié)議,該協(xié)議成熟可靠,適用性和通用性強。包括控制指令、回復信息、實時監(jiān)測數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)量大,重復周期短,需要進行無差錯的傳輸。浮標通過IP地址來區(qū)分網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)包是否屬于自己,從而進行相應的接收。網(wǎng)絡(luò)通信采用Socket編程。其一般的工作流程如圖6所示,其中顯控終端為服務器端,各采集平臺作為客戶機端。

圖6 TCP工作的流程圖

數(shù)據(jù)傳輸分上行數(shù)據(jù)和下行數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)傳輸格式為幀類型及補碼、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)段,幀類型及補碼用于表示不同的命令。

水聲數(shù)據(jù)采用ADPCM數(shù)據(jù)壓縮算法進行數(shù)據(jù)壓縮[9～10]。ADPCM是一種針對16bit聲音波形數(shù)據(jù)的有損壓縮算法,它將聲音流中每次采樣的16bit數(shù)據(jù)以4bit存儲,壓縮比為4∶1。ADPCM通過保存波形的變化情況來達到描述整個波形的目的,即ADPCM記錄的量化值不是每個采樣點的幅值,而是該點的幅值與前一個采樣點幅值之差。本采集程序ADPCM壓縮算法在基本不影響數(shù)據(jù)質(zhì)量的情況下可以有效降低數(shù)據(jù)量,對于16k個數(shù)據(jù)點的壓縮時間可以控制在幾十個毫秒量級,不會影響實時的數(shù)據(jù)傳輸。

5 結(jié)語

該分布式同步采集及系統(tǒng)分別用了嵌入式微機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù),所用的采集模塊采集精度高,采樣頻率寬,采樣率高,利用嵌入式微機的軟件計時方法實現(xiàn)采集信息的同步;各采集平臺與顯控終端采集網(wǎng)絡(luò)進行傳輸,傳輸容量大、速度快;并且系統(tǒng)開發(fā)周期短,成本相對較低,在海上試驗中具有很高的應用價值。

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Distributed Synchronous Underwater Acoustic Data Acquisition System Based on Ethernet

XU Guogui ZHANG Yongchao

(No. 91388 Troops of PLA, Zhanjiang 524022)

The paper studies a kind of underwater acoustic data acquisition platform based on buoy, that embedded microcomputer HT-1150 as the core and ART2153 as acquisition module. The master computer for signal display and control center, using microwave communication transmission and Ethernet technology, through a network switch for data exchange, the acquired data has been compressed and put in the precise time information before transmission. Ths system can realize the multi-channel synchronous acquisition, remote control, large capacity、high speed data transmission, strong real-time performance, receiving data synchronization characteristics of underwater acoustic signal monitoring.

distributed, underwater acoustic data synchronal sampling, Ethernet, embedded microprocessor

2015年3月7日,

2015年4月27日

徐國貴,男,工程師,研究方向:水聲信號處理。張永超,男,碩士,助理工程師,研究方向:水聲信號處理。

TP274.2

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.09.039