張國(guó)光

(昆明船舶設(shè)備研究試驗(yàn)中心 昆明 650051)

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采用ZigBee和模糊PID控制的水聲信號(hào)采集系統(tǒng)*

張國(guó)光

(昆明船舶設(shè)備研究試驗(yàn)中心 昆明 650051)

在水下制導(dǎo)武器的研究、開(kāi)發(fā)、外場(chǎng)試驗(yàn)中,都需要采集水聲基陣的接收信號(hào),并實(shí)時(shí)記錄采集數(shù)據(jù),根據(jù)需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)分析和實(shí)時(shí)或離線處理。研究水聲信號(hào)采集系統(tǒng)對(duì)有效提高制導(dǎo)武器的數(shù)據(jù)分析性能具有重要意義。提出一種基于ZigBee和模糊PID控制的水聲信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,通過(guò)ZigBee識(shí)別模型中的識(shí)別器獲取ZigBee水聲信號(hào),進(jìn)行信號(hào)濾波和中頻放大設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾噪聲的有效抑制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有較好的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理性能,通過(guò)模糊PID控制提高信號(hào)檢測(cè)性能,系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和人機(jī)交互性好,在水聲信號(hào)處理和信息采集等領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用價(jià)值。

ZigBee; 模糊PID控制; 水聲信號(hào); 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

Class Number TN911

1 引言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展,對(duì)電子測(cè)量和儀器技術(shù)的要求越來(lái)越高,采用自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)(Automated Test System,ATS)成為必然的選擇。隨著信息與信號(hào)處理技術(shù)的不斷發(fā)展以及現(xiàn)代海戰(zhàn)對(duì)高精度制導(dǎo)武器的需求,對(duì)制導(dǎo)武器的精度提出了更高的要求。在水下制導(dǎo)武器設(shè)計(jì)過(guò)程中,采用新一代自動(dòng)測(cè)試儀器,開(kāi)發(fā)一套水聲基陣信號(hào)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)回放及其現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng),這對(duì)水下制導(dǎo)武器的研制、調(diào)試和外場(chǎng)試驗(yàn)都具有重大意義。

ZigBee作為一種新興的近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù),廣泛適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域,可以嵌入各種設(shè)備[1]。本文利用ZigBee短距離、低功耗的無(wú)線通信性能,結(jié)合模糊PID技術(shù),設(shè)計(jì)了基于ZigBee和模糊PID控制的水聲信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。論文首先建立水聲信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)模型,然后采用模糊PID控制算法,對(duì)水聲信號(hào)采集系統(tǒng)的信號(hào)接收機(jī)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì),最后通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行性能驗(yàn)證,展示了本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)和算法的優(yōu)越性能。

2 基于ZigBee水聲信號(hào)采集分析系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 水聲信號(hào)采集工作原理與系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)基于ZigBee的水聲信號(hào)采集系統(tǒng),ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議,根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,ZigBee技術(shù)是一種短距離、低功耗的無(wú)線通信技術(shù)。本文設(shè)計(jì)的水聲信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)一般由五個(gè)主要部分構(gòu)成,包括:發(fā)射天線、接收天線、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、控制器等。ZigBee信號(hào)采集階段需要采用ZigBee技術(shù)獲取水聲基陣信號(hào)的方位和噪聲特征,通過(guò)支持向量機(jī)方法識(shí)別信號(hào)特征,最終完成對(duì)水聲信息的準(zhǔn)確識(shí)別。

用戶應(yīng)用層軟件主要包括水聲陣列信號(hào)采集及記錄和陣列信號(hào)分析處理兩大模塊。陣列信號(hào)采集及記錄實(shí)現(xiàn)硬件資源采集設(shè)置、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)記錄、采樣控制等。通過(guò)ZigBee識(shí)別模型中的識(shí)別器獲取ZigBee水聲信號(hào),通過(guò)K均值聚類算法對(duì)ZigBee信號(hào)中的特征值進(jìn)行聚類分析,通過(guò)特征提取進(jìn)行歸類后當(dāng)成支持向量機(jī)算法的輸入特征向量,本文開(kāi)發(fā)了基于VXI總線的32通道水聲基陣信號(hào)采集及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng),并對(duì)采集的數(shù)據(jù)作通用線列陣陣列信號(hào)分析處理。綜上分析,得到水聲信號(hào)采集工作原理與系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 水聲信號(hào)采集系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)模型

2.2 基于ZigBee技術(shù)水聲信號(hào)數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計(jì)

在上述進(jìn)行系統(tǒng)總體模型構(gòu)建設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,進(jìn)行基于ZigBee技術(shù)水聲信號(hào)數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計(jì),采用水聲換能器進(jìn)行水聲信號(hào)的原始數(shù)據(jù)采集,水聲換能器物理結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 水聲換能器物理結(jié)構(gòu)

在獲得的原始信號(hào)中,含有大量的噪聲需要進(jìn)行濾波處理,采用ZigBee技術(shù)進(jìn)行特征值分析,對(duì)信號(hào)的類型進(jìn)行識(shí)據(jù),輸入特征向量主要是ZigBee水聲通信信號(hào),并將特征聚類結(jié)果當(dāng)成支持向量機(jī)識(shí)別算法的依據(jù)。詳細(xì)的過(guò)程為:

1) 通過(guò)RFID射頻識(shí)別技術(shù)獲取水聲信號(hào)。

2) 對(duì)各個(gè)屬性的不同取值使用K均值聚類算法進(jìn)行聚類分析。

3) 將不同屬性的聚類結(jié)果當(dāng)成支持向量機(jī)識(shí)別模型中各個(gè)屬性的不同取值,按照支持向量機(jī)算法獲取水下制導(dǎo)系統(tǒng)的識(shí)別規(guī)律,實(shí)際運(yùn)行中采用該規(guī)律識(shí)別水下目標(biāo)。當(dāng)前的技術(shù)都是以ZigBee射頻信噪比為基礎(chǔ),以過(guò)濾的思想去除干擾,本文利用ZigBee技術(shù)進(jìn)行水聲通信來(lái)實(shí)時(shí)水下目標(biāo)速度、距離等信息的采集。

設(shè)置采集參數(shù),包括輸入通道、采樣率、耦合方式、觸發(fā)、采集時(shí)間等參數(shù)設(shè)置,構(gòu)建水聲通信系統(tǒng),依據(jù)802.15.4標(biāo)準(zhǔn),在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)車輛間的自主通信,以接力的方式通過(guò)無(wú)線電波將數(shù)據(jù)從一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳到另一個(gè)節(jié)點(diǎn),提高通信效率?；谏鲜龇治?設(shè)計(jì)基于ZigBee技術(shù)水聲信號(hào)數(shù)據(jù)采集軟件,設(shè)計(jì)流程如下:

用VI_TRUE和VI_FALSE標(biāo)記數(shù)據(jù)采集通道組,初始化輸入通道、測(cè)量初始化和測(cè)量循環(huán)、采集時(shí)間等參數(shù)。調(diào)用函數(shù)hpe1432_setTriggerSlope(ViSession vi,ViInt32 group,ViInt32 trigSlope)設(shè)置觸發(fā)源觸發(fā)方向,創(chuàng)建傳輸單元和儀器會(huì)話,由此實(shí)現(xiàn)儀器驅(qū)動(dòng)程序。儀器驅(qū)動(dòng)代碼為:

export KBUILD_BUILDHOST := $(SUBARCH)

ARCH ?= $(SUBARCH)

CROSS_COMPILE ?=

通過(guò)下載busybox1.14,使用tar zxvf busybox-1.14.tar.bz2命令進(jìn)行文件解壓。

觸發(fā)源信號(hào)進(jìn)入觸發(fā)區(qū)間時(shí),調(diào)用hpe1432_getGroupInfo()函數(shù)獲取通道組的信息,觸發(fā)電平的大約為-125%～+12%,一些塊數(shù)據(jù)需要在緩沖區(qū)中排隊(duì)。測(cè)量初始化和測(cè)量循環(huán),每個(gè)階段又包括幾個(gè)狀態(tài)。從一個(gè)狀態(tài)到下一個(gè)狀態(tài)都引起Sync/Trigger線(VXI背板總線的一條TTLTRG觸發(fā)線)的變化,采用HP E1562E接收局部總線上的高速數(shù)據(jù)流。

3 模糊PID控制算法和水聲信號(hào)采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

在實(shí)現(xiàn)原始的水聲信號(hào)采集的基礎(chǔ)上,需要設(shè)計(jì)基于模糊PID控制的信號(hào)接收機(jī),進(jìn)行水聲信號(hào)處理,水聲信號(hào)接收機(jī)的輸入調(diào)諧回路信號(hào)表示為

(1)

加性高斯色噪聲干擾背景下確知信號(hào)下水聲信號(hào)接收機(jī)信號(hào)接收問(wèn)題描述為

(2)

式中,E為基帶信號(hào)混頻信號(hào)能量,并有:

(3)

假設(shè)存在一個(gè)白化濾波器hw(t),可以將高斯色噪聲n(t)白化為高斯白噪聲w(t),一般來(lái)說(shuō),這個(gè)白化濾波器采用模糊PID控制算法進(jìn)行噪聲干擾抑制濾波,此時(shí)得到基帶信號(hào)的中頻放大濾波輸出為

w(t)=n(t)*hw(t)

(4)

通過(guò)上述中頻放大,式(2)描述的水聲信號(hào)采集的中頻接收機(jī)基陣接收問(wèn)題就轉(zhuǎn)化為

(5)

式中

x′(t)=x(t)*hw(t),s′(t)=s(t)*hw(t)

(6)

水聲信號(hào)接收機(jī)通過(guò)天線得到的高頻信號(hào),經(jīng)過(guò)輸入調(diào)諧回路,進(jìn)入混頻器,通過(guò)抗干擾抑制得到足夠的增益,采用模糊PID控制方法,實(shí)現(xiàn)信號(hào)x′(t)和s′(t)均預(yù)白化處理,從而提高接收機(jī)的靈敏度和穩(wěn)定性。本文采用改進(jìn)的基于可變論域的模糊PID控制干擾抑制方案,提高對(duì)水聲信號(hào)采集系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的檢測(cè)性能。此時(shí)ZigBee射頻電源輸出功率PE及負(fù)載功率PL分別為

(7)

式中,VCE為運(yùn)放管壓降,它與運(yùn)放輸出電流大小有關(guān),VCE隨電流的增大而增大。在額定電流時(shí),VCE一般在10V左右,通過(guò)模糊PID抗干擾抑制,得到水聲基帶信號(hào)的中頻放大濾波輸出,此時(shí)VCE=0.2VS,有:

(8)

(9)

對(duì)具有M個(gè)陣元任意配置的基陣,遠(yuǎn)場(chǎng)中有d個(gè)信號(hào)源si(t)(i=1,2,…,d),采用預(yù)白化濾波加互相關(guān)接收機(jī)的方式,經(jīng)交流放大后在鑒頻器中進(jìn)行解調(diào),改善輸出信號(hào)波形。綜上分析,得到本文設(shè)計(jì)的改進(jìn)的基于ZigBee和模糊PID控制的水聲信號(hào)采集接收機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 改進(jìn)后的水聲信號(hào)接收機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

4 系統(tǒng)測(cè)試與仿真實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的ZigBee和模糊PID控制的水聲信號(hào)采集系統(tǒng)在進(jìn)行水聲信號(hào)采集和處理中的性能,進(jìn)行系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)。仿真實(shí)驗(yàn)中,軟件開(kāi)發(fā)采用ANSI C語(yǔ)言編寫(xiě)程序,以提高并行執(zhí)行效率,使用4通道任意波形發(fā)生器作信號(hào)源,調(diào)用GPCTR_Control啟動(dòng)計(jì)數(shù)器,采集信道參數(shù)為四個(gè)輸入通道為四塊采集卡的任意通道,分別接信號(hào)源的輸出。實(shí)驗(yàn)將4通道信號(hào)源分別接到不同的四塊HP E1433A任意通道上,測(cè)試各板卡之間的同步采集、觸發(fā)測(cè)試、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)記錄測(cè)試、數(shù)據(jù)流盤(pán)測(cè)試等。由PXI總線水下目標(biāo)模擬器模擬,并由VXI總線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集,作相應(yīng)的陣列信號(hào)分析處理。設(shè)置0°、15°、-15°的三個(gè)相干源目標(biāo),也是陣列信號(hào)分析處理調(diào)試中所使用的參數(shù)設(shè)置。得到本文設(shè)計(jì)的水聲信號(hào)采集系統(tǒng)的控制界面如圖4所示。

圖4 水聲信號(hào)采集與信號(hào)處理系統(tǒng)運(yùn)行界面

從圖4結(jié)果可見(jiàn),數(shù)字觸發(fā)調(diào)試時(shí),使用另一個(gè)信號(hào)源產(chǎn)生TTL電平的脈沖,接到任意HP E1433A的前面板“ExTrig”端。分析信號(hào)處理結(jié)果得出,采用本文設(shè)計(jì)的水聲信號(hào)采集與信號(hào)處理系統(tǒng),具有較好的人機(jī)交互性,通過(guò)水聲換能器采集得到水聲信號(hào)經(jīng)過(guò)本文設(shè)計(jì)的模糊PID控制接收系統(tǒng),進(jìn)行信號(hào)濾波和中頻放大,實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾噪聲的有效抑制,信號(hào)采集的實(shí)時(shí)性好,提高了信號(hào)檢測(cè)性能,同時(shí)減少數(shù)據(jù)量,也便于分析處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示了本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的優(yōu)越性能。

5 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)代海戰(zhàn)以智能武器和信息技術(shù)為主導(dǎo),研究水下制導(dǎo)武器的核心要實(shí)現(xiàn)對(duì)水聲信號(hào)的有效采集和處理。在水下制導(dǎo)武器的研究、開(kāi)發(fā)、外場(chǎng)試驗(yàn)中,都需要采集水聲基陣的接收信號(hào),并實(shí)時(shí)記錄采集數(shù)據(jù),根據(jù)需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)分析和實(shí)時(shí)或離線處理。本文提出一種基于ZigBee和模糊PID控制的水聲信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)模型,分析得出,本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有較好的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理性能,通過(guò)ZigBee技術(shù)提高了水聲信號(hào)的傳輸通信性能,通過(guò)模糊PID控制提高信號(hào)檢測(cè)性能,實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示了本文系統(tǒng)的優(yōu)越性和實(shí)用性。

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Underwater Acoustic Signal Acquisition System Based on ZigBee and Fuzzy PID Control

ZHANG Guoguang

(Kunming Shipborne Equipment Research and Test Center, Kunming 650051)

In the research of underwater guidance weapons development and field test, it needs to receive the signal acquisition of underwater acoustic array, records the data for collection. According to the need, field data analysis and real-time or offline processing are taken. It is important to analyze performance data to effectively improve guided weapons research of underwater acoustic signal acquisition system. An underwater acoustic signal acquisition system is proposed based on ZigBee and fuzzy PID control. The underwater acoustic signal is obtained with the ZigBee recognizer and identification model, signal filtering and intermediate frequency amplifier design are taken, and the effective suppression of interference noise is obtained. The experimental results show that the system has real-time data acquisition performance, and signal processing performance is good, to improve the signal detection performance through the fuzzy PID control. Human-computer interaction performance is good, and it has good application value in underwater acoustic signal processing and information acquisition and other fields.

ZigBee, fuzzy PID control, acoustic signal, system design

2015年3月4日,

2015年4月25日

張國(guó)光,男,碩士,助理工程師,研究方向:水下信號(hào)處理。

TN911

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.09.040