郭 靜，張國軍，韓建軍，王續(xù)博,張文棟

(中北大學(xué)，儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西太原 030051)

?

應(yīng)用于海底觀測(cè)網(wǎng)的矢量水聽器信號(hào)采集系統(tǒng)

郭 靜，張國軍，韓建軍，王續(xù)博,張文棟

(中北大學(xué)，儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西太原 030051)

基于中北大學(xué)研制的納機(jī)電矢量水聽器，設(shè)計(jì)一套應(yīng)用于深海海底觀測(cè)網(wǎng)的矢量水聽器信號(hào)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)以FPGA為控制核心實(shí)現(xiàn)對(duì)納機(jī)電矢量水聽器矢量聲場(chǎng)信號(hào)的預(yù)處理、采集、編碼、存儲(chǔ)及傳輸，同時(shí)可讀取水聽器姿態(tài)信息和溫度信息以實(shí)時(shí)了解水聽器環(huán)境狀況，便于后續(xù)算法處理。最后進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試，結(jié)果表明該系統(tǒng)可成功實(shí)現(xiàn)其功能，且具有低功耗，滿足應(yīng)用于海底觀測(cè)網(wǎng)的需求。

矢量水聽器；FPGA；信號(hào)采集；AD轉(zhuǎn)換；低功耗

0 引言

隨著人們對(duì)海洋資源的需求不斷增加，海洋活動(dòng)范圍從沿岸、近海逐步擴(kuò)展到更遠(yuǎn)更深的海域。對(duì)深海的長(zhǎng)期實(shí)時(shí)觀測(cè)通常需要建立海底實(shí)時(shí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)[1-3]，通過大量的傳感器來實(shí)現(xiàn)。目前，遠(yuǎn)離大陸的深海大洋的觀測(cè)系統(tǒng)采用自帶電池電源的方式進(jìn)行觀測(cè)，數(shù)據(jù)通訊采用衛(wèi)星浮標(biāo)通訊或AUV機(jī)器人定時(shí)采集信息[4-5]。觀測(cè)系統(tǒng)的主要觀測(cè)工具是傳感器及相應(yīng)的信息處理單元。其中，低功耗是設(shè)計(jì)海洋觀測(cè)系統(tǒng)的重要內(nèi)容之一。

中北大學(xué)研制的納機(jī)電矢量水聽器將MEMS技術(shù)、壓阻效應(yīng)與仿生原理[6]結(jié)合于一體。采用壓阻原理的微結(jié)構(gòu)矢量水聽器可以實(shí)現(xiàn)傳感器尺寸微型化，并且探測(cè)靈敏度優(yōu)于傳統(tǒng)的壓電陶瓷式水聽器。同時(shí)，基于壓阻效應(yīng)的傳感器可以測(cè)量低頻范圍信號(hào)，適用于遠(yuǎn)距離低頻信號(hào)探測(cè)[7-8]。此外，納機(jī)電矢量水聽器具有微功耗、高靈敏度，抗壓能力強(qiáng)，良好的“8”字型指向性等優(yōu)點(diǎn)。基于此，將納機(jī)電矢量水聽器應(yīng)用于海底長(zhǎng)期觀測(cè)網(wǎng)，在提高我國深海環(huán)境的探測(cè)和建模、海洋科學(xué)研究、海底資源的開采、海洋目標(biāo)的水下探測(cè)和識(shí)別等方面的研究中將發(fā)揮重要作用，有重要的科學(xué)意義和廣泛的應(yīng)用前景。

1 納機(jī)電矢量水聽器

中北大學(xué)研制的納機(jī)電矢量水聽器將MEMS技術(shù)、壓阻效應(yīng)與仿生原理[6]結(jié)合于一體，其敏感單元由四梁微結(jié)構(gòu)和剛性柱體組成，壓敏電阻模仿魚類感覺器官中的感覺細(xì)胞，剛性柱體模仿可動(dòng)纖毛，如圖1所示。矢量水聽器的探測(cè)基理為：聲音的傳播即介質(zhì)的振動(dòng)，水下聲信號(hào)的傳播會(huì)引起水介質(zhì)的振動(dòng)，這種振動(dòng)可傳至仿生纖毛，仿生纖毛在水質(zhì)點(diǎn)的作用下向某一側(cè)偏轉(zhuǎn)，壓敏電阻接收到這種壓力的變化并將其轉(zhuǎn)化為電阻值得變化，由壓敏電阻構(gòu)成的惠斯通電橋?qū)㈦娮柚档淖兓敵鰹橄鄳?yīng)電壓值的變化，從而信號(hào)可被實(shí)時(shí)測(cè)得。

圖1 納機(jī)電矢量水聽器微結(jié)構(gòu)仿生原理

2 信號(hào)采集系統(tǒng)

整個(gè)信號(hào)采集系統(tǒng)主要由微弱信號(hào)調(diào)理電路、電源供電電路、FPGA控制器、A/D轉(zhuǎn)換器及接口電路[9-10]組成。系統(tǒng)以FPGA為控制核心對(duì)傳感器聲信息進(jìn)行采集、編碼、傳輸。信號(hào)采集系統(tǒng)除來自納機(jī)電矢量水聽器的水下聲信號(hào)外，還有讀取水聽器水下姿態(tài)信息的三維電子羅盤信號(hào)以及檢測(cè)水聽器工作環(huán)境溫度的溫度傳感器信號(hào)。系統(tǒng)的輸出信號(hào)可實(shí)時(shí)傳輸至岸站進(jìn)行處理，其中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度數(shù)據(jù)有助于在高溫等不正常溫度狀態(tài)下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行及時(shí)關(guān)斷等處理。

2.1 微弱信號(hào)調(diào)理電路

納機(jī)電矢量水聽器的內(nèi)部敏感單元可等效為由壓敏電阻構(gòu)成的兩路惠斯通全橋電路，如圖2所示。在敏感單元受到應(yīng)力時(shí)，輸出電壓表達(dá)式為[11]：

(1)

式中:Vcc為供電電壓值，V;R為壓阻阻值,Ω;ΔR為阻值的變化量,Ω。

則壓敏電阻的變化率為[11]：

(2)

式中：σl為縱向應(yīng)力，Pa;σt為橫向應(yīng)力，Pa;πt為縱向壓阻系數(shù)；πt為橫向壓阻系數(shù)。

圖2 微結(jié)構(gòu)惠斯通電橋

由以上分析可知，矢量水聽器接收水下聲信號(hào)可通過惠斯通電橋輸出電壓測(cè)得。但在實(shí)際應(yīng)用中，一方面，納機(jī)電矢量水聽器輸出的信號(hào)非常微弱，其信號(hào)幅度一般為級(jí)甚至級(jí)；另一方面，由于工藝限制，無法保證惠斯通電橋中壓敏電阻阻值完全一致。因此，在設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路時(shí)須提高信號(hào)信噪比、消除惠斯通電橋不平衡影響。另外，由于傳感器輸出帶負(fù)載能力有限，所以信號(hào)調(diào)理電路的另一個(gè)作用是實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。微弱信號(hào)調(diào)理流程圖如圖3所示。

圖3 微弱信號(hào)調(diào)理流程圖

對(duì)于微弱信號(hào)提取，其信噪比太低則信號(hào)完全淹沒在噪聲之中，因此需采用專用前置放大電路進(jìn)行放大，并在放大后進(jìn)行濾波處理[12-14]。本設(shè)計(jì)中采用精密儀表放大器AD8429實(shí)現(xiàn)所需的放大功能，設(shè)置增益300倍，采用超低噪聲的放大器AD8599實(shí)現(xiàn)四階有源低通濾波，通頻帶范圍為0.1Hz～2kHz。在差分信號(hào)進(jìn)入儀表放大器之前設(shè)計(jì)電容用于隔直，消除惠斯通電橋不平衡的影響，同時(shí)配置適當(dāng)?shù)碾娮铇?gòu)成RC高通濾波。

為測(cè)試信號(hào)調(diào)理電路的本底噪聲及其與傳感器的匹配性，一方面，將調(diào)理電路輸入端短接并接地，等效為零輸入狀態(tài)，用頻譜分析儀測(cè)量其輸出端信號(hào)頻譜分量即電路的電噪聲；另一方面，將納機(jī)電矢量水聽器敏感單元接入信號(hào)調(diào)理電路并置于安靜駐波桶中，用頻譜分析儀測(cè)量其輸出端信號(hào)頻譜分量即傳感器本底噪聲。測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

圖4 噪聲測(cè)試曲線

測(cè)試結(jié)果表明，在通頻帶內(nèi)，頻率大于100Hz后，微弱信號(hào)調(diào)理電路自身輸出電噪聲為-120dBVpk/rtHz，接入傳感器敏感單元后其輸出本底噪聲為-110dBVpk/rtHz。

2.2 電源管理

為采集系統(tǒng)提供的供電電源為24V，考慮到系統(tǒng)散熱、芯片功率等問題， 對(duì)電源采用兩級(jí)穩(wěn)壓實(shí)現(xiàn)24V到5V的降壓轉(zhuǎn)換。先將24V通過開關(guān)穩(wěn)壓器LM2576穩(wěn)壓到7V，實(shí)現(xiàn)一級(jí)穩(wěn)壓。由于一級(jí)穩(wěn)壓后的電壓噪聲較大，采用低噪聲線性穩(wěn)壓器LT1965將7V穩(wěn)壓到5V輸出，實(shí)現(xiàn)二級(jí)穩(wěn)壓。同時(shí)，由于信號(hào)調(diào)理電路的雙電源供電需求，采用微功耗穩(wěn)壓器LT1111將5V電壓反向降壓為-5V輸出。LM2576在指定輸入電壓和輸出負(fù)載條件下保證輸出電壓的±4%誤差，且在故障狀態(tài)下提供完全保護(hù)的熱關(guān)斷功能，保證了系統(tǒng)的安全可靠性。根據(jù)LM2576的輸出電壓公式：

(3)

取R1=1 kΩ，R2=4.7 kΩ，則Vout=7.01 V；LT1965的輸出電壓公式為:

(4)

式中：IADJ為芯片ADJ管腳的偏置電流，設(shè)計(jì)中IADJ=1.3 μA。

取R1=4.7 kΩ，R2=15 kΩ，則Vout=5.05 V。

LT1111的輸出電壓公式為：

(5)

取R1=1.6 kΩ，R2=4.7 kΩ，則Vout=4.92 V。經(jīng)測(cè)試，輸出電壓實(shí)驗(yàn)值與理論值基本吻合，各穩(wěn)壓模塊均可實(shí)現(xiàn)其功能。

2.3 信號(hào)采集模塊

信號(hào)采集模塊的主控單元采用了XC3S100E，可實(shí)現(xiàn)AD 轉(zhuǎn)換、潛標(biāo)姿態(tài)和溫度信息獲取以及與上位機(jī)軟件進(jìn)行通訊等功能，它的低功耗特點(diǎn)正符合潛標(biāo)系統(tǒng)的要求。如圖5所示，AD轉(zhuǎn)換模塊芯片采用16bit輸入200 ksps串行輸出的微功耗采樣ADC——AD7606來完成對(duì)納機(jī)電矢量水聽器輸出的模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換。本設(shè)計(jì)中設(shè)置采樣率為5kHz，由60MHz晶振提供時(shí)鐘周期。

圖5 信號(hào)采集系統(tǒng)組成框圖

納機(jī)電矢量水聽器輸出的微弱模擬信號(hào)先經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行預(yù)處理后經(jīng)AD采樣處理，再將采集的數(shù)字信號(hào)送入FPGA進(jìn)行處理。姿態(tài)傳感器采用高精度三維電子羅盤DCM250B，提供傳感器的三維姿態(tài)信息，其數(shù)據(jù)輸出格式為RS232，需先經(jīng)電平轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換后送入FPGA進(jìn)行處理。溫度傳感器的輸出數(shù)據(jù)在幀同步協(xié)議下直接送入FPGA處理。以上數(shù)據(jù)在FPGA中進(jìn)行整合編碼，以非易失存儲(chǔ)器NAND-Flash作為存儲(chǔ)介質(zhì)，最后通過RS422 接口電路實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的數(shù)據(jù)及命令傳輸。

3 系統(tǒng)調(diào)試

為驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)中信號(hào)采集系統(tǒng)性能，對(duì)系統(tǒng)的可行性及功耗特性進(jìn)行了電路測(cè)試。首先驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性，連接信號(hào)采集系統(tǒng)，固定電子羅盤的方位，傳感器置于駐波桶中并接收不同頻率信號(hào)。以200 Hz正弦信號(hào)為例，采樣20 min，接收的數(shù)據(jù)為16進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，其幀格式為:幀開頭、水聽器矢量聲信號(hào)、姿態(tài)數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)、校驗(yàn)位、幀結(jié)束。由測(cè)試結(jié)果可知，姿態(tài)傳感器輸出的俯仰角、橫滾角和磁北角數(shù)值穩(wěn)定且分別為-2°、-1°和182°，溫度數(shù)據(jù)從上電時(shí)刻開始由27 ℃逐漸升溫為32 ℃最終穩(wěn)定輸出，對(duì)采集到的水聽器矢量聲信號(hào)通過Matlab軟件進(jìn)行處理得到如圖6所示結(jié)果。

圖6 水聽器矢量聲信號(hào)

由圖6可知，聲信號(hào)每個(gè)周期采樣點(diǎn)數(shù)25，符合5 kHz采樣200 Hz正弦信號(hào)的結(jié)果，并且水聽器的兩路信號(hào)具有明顯的指向性。

在上述測(cè)試中，系統(tǒng)供電電壓為24V，在采集系統(tǒng)工作狀態(tài)下，使用高精度萬用表測(cè)量電路的工作功耗，測(cè)得系統(tǒng)總線工作電流為51 mA，則系統(tǒng)的總功耗為1.224 W。其中，信號(hào)調(diào)理電路的靜態(tài)工作電流約為12 mA，供電電壓為±7 V；采集存儲(chǔ)電路采集狀態(tài)下的電流約為35 mA，供電電壓為5 V。

4 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了一套應(yīng)用于深海海底觀測(cè)網(wǎng)的納機(jī)電矢量水聽器信號(hào)采集系統(tǒng)并進(jìn)行調(diào)試驗(yàn)證。結(jié)果表明，該系統(tǒng)可成功完成對(duì)納機(jī)電矢量水聽器拾取的水下矢量聲場(chǎng)信號(hào)和姿態(tài)及溫度信息的處理及傳輸，且具有低功耗特點(diǎn)，可應(yīng)用于長(zhǎng)期海底觀測(cè)網(wǎng)。

[1] WATERWORTH G.Connecting long-term seafloor observatories to the shore .Sea Technology,2004,45(9): 10-13.

[2] CHAVE A D,WATERWORTH G,MAFFEI A R,et al.Cabled ocean observatory systems.Marine Technology Society Journal,2004,38(2): 30-43.

[3] 盧漢良,李德駿,楊燦軍，等.深海海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)水下接駁盒原型系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).浙江大學(xué)學(xué)報(bào),2010,44(1):8-13.

[4] 劉軍.深海自容式傳感器數(shù)據(jù)采集器研制:[學(xué)位論文].青島:中國海洋大學(xué),2007.

[5] 劉軍,周東輝,周亞楠.一種深海長(zhǎng)期觀測(cè)低功耗數(shù)據(jù)采集裝置.數(shù)采與監(jiān)測(cè),2009,25(4):81-83.

[6] 陳麗潔,張鵬,徐興燁，等.矢量水聽器綜述.傳感器與微系統(tǒng),2006,25(6):5-8.

[7] 張文棟,熊繼軍,薛晨陽.介觀壓阻效應(yīng)及器件.機(jī)械工程學(xué)報(bào),2008,44(11):26-33.

[8] CHOI S,LEE H,MOON W.A micro-machined piezoelectric hydrophone with hydrostatically balanced air backing.Sensors and Actuators A,2010(1):60-71.

[9] 紀(jì)大偉,徐抒巖,胡軍,等.基于FPGA的多通道高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).儀表技術(shù)與傳感器,2011(12):69-71.

[10] HARMER G P,DAVIS B R.A Review of Stochastic Resonance: Circuits and Measurement.IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement,2002,51(2):299-309.

[11] 陳尚．硅微仿生矢量水聲傳感器研究:[學(xué)位論文].太原:中北大學(xué),2008.

[12] 李興武.矢量水聽器信號(hào)調(diào)理與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn):[學(xué)位論文].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2011.

[13] 黃年龍,吳明贊,李竹.微弱信號(hào)檢測(cè)電路PCB的電磁抗干擾仿真分析.電子器件,2013,36(4):572-575.

[14] 王選擇,曾志祥,范宜艷,等.基于FPGA與USB2.0的溫度數(shù)據(jù)采集與控制.儀表技術(shù)與傳感器,2014(9):44-47.

Data-collecting System of NEMS Vector Hydrophone Applied in Undersea Observatory Network

GUO Jing,ZHANG Guo-jun,HAN Jian-Jun,WANG Xu-bo,ZHANG Wen-Dong

(North University of China, Science and Technology on Electronic Test & Measurement Laboratory,Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement, Ministry of Education,Taiyuan 030051, China)

Based on the NEMS vector hydrophone detected by North University of China, a kind of data collecting system applied in undersea observatory network was designed. The system, which takes the FPGA as the key component was used to realize the preprocessing, acquisition, coding, storage and transmission of data collected by vector hydrophone. At the same time, hydrophone’s attitude information and its environmental temperature were obtained to understand real time status of the hydrophone environment to facilitate subsequent processing algorithm. At last, system debugging shows that the data collecting system can not only realize its function successfully, but with low power consumption characteristics, which meet the basic requirements of undersea observatory network.

vector hydrophone; FPGA; data collecting system; ADC; low power

國家863計(jì)劃項(xiàng)目(2013AA09A412)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61127008/F040703)。

2015-05-04

TB565.1

A

1002-1841(2015)09-0060-03

郭靜 (1989— )，碩士研究生，研究方向?yàn)镸EMS器件及信號(hào)處理。E-mail：zhangduocai11@163.com 張國軍(1977— )，副教授，博士，主要研究領(lǐng)域?yàn)镸EMS器件。E-mail：fmksaber@163.com