王玉巧, 劉軍鋒, 劉曉林

(1. 黃河科技學(xué)院, 河南 鄭州 450006; 2. 中船重工昆船設(shè)計(jì)研究院, 云南 昆明 650236)

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一種多用途水聲應(yīng)答器設(shè)計(jì)

王玉巧1, 劉軍鋒2, 劉曉林2

(1. 黃河科技學(xué)院, 河南 鄭州 450006; 2. 中船重工昆船設(shè)計(jì)研究院, 云南 昆明 650236)

介紹一種多用途水聲應(yīng)答器的設(shè)計(jì)。該水聲應(yīng)答器系統(tǒng)采用雙DSP模塊協(xié)同控制處理的思想，雙DSP模塊是一塊基于ADSP-BF533芯片的M序列碼生成板和一塊基于TMS320VC5509芯片的信號控制處理板組成，兩者之間采用RS232方式通信，整個硬件系統(tǒng)采用低功耗設(shè)計(jì)，并給出相應(yīng)的軟件流程圖；該水聲應(yīng)答器系統(tǒng)配有標(biāo)準(zhǔn)的USB接口，可直接與PC的終端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。經(jīng)海上試驗(yàn)證明該系統(tǒng)具有良好的可靠性、可移植性、可擴(kuò)展性和較高的性價比，符合未來水下通信技術(shù)發(fā)展的方向。

水聲應(yīng)答器; M序列碼; DSP信號處理板; 低通濾波

0 引 言

水聲應(yīng)答器作為海洋資源勘探與開發(fā)和海洋環(huán)境監(jiān)測現(xiàn)代水聲設(shè)備[1]，主要用于模擬水下目標(biāo)的目標(biāo)強(qiáng)度，可用于水下定位、潛艇的導(dǎo)航和跟蹤，監(jiān)控水下施工，傳遞水下遙測系統(tǒng)各水文參數(shù)訊號等[1-6]。本文設(shè)計(jì)的多用途水聲應(yīng)答器除了以上功能外，還可水下布網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信、用0.5～1 kHz的頻率實(shí)時監(jiān)測存儲海洋環(huán)境噪聲和海況信息數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)可通過系統(tǒng)自帶的USB接口導(dǎo)入PC機(jī)進(jìn)行分析。國外的水聲應(yīng)答器比較先進(jìn)、功能強(qiáng)大[2，4]，價格偏高，國內(nèi)自主研發(fā)的產(chǎn)品較少，市場上基本是進(jìn)口產(chǎn)品[3]。

1 水聲應(yīng)答器的電路組成及工作原理

水聲應(yīng)答器的硬件原理框圖如圖1所示，主要由DC-DC電源板、發(fā)射功放板、信號接收板、M序列碼解調(diào)板、DSP信號處理板和聲系統(tǒng)等幾部分組成。

圖1 水聲應(yīng)答器硬件原理框圖

接收換能器和發(fā)射換能器組成的聲系統(tǒng)都是經(jīng)過軸向密封的水密接口連接到電子倉內(nèi)，電子倉包含37 V電池組、電源板、M序列碼解調(diào)板、DSP信號處理板、功放發(fā)射板和接收板。整個應(yīng)答器靠電子倉外的硬質(zhì)泡沫浮在特定的水位。

水聲應(yīng)答器入水后，由軸向密封入水電源開關(guān)接通電源，電源板上輸出線性相互隔離的5路+5 V，其中4路可控+5 V分別送功放板、接收板、DSP信號處理板和硬盤供電電路，剩余一路設(shè)計(jì)成不可控直接送M序列碼解調(diào)板，M序列碼解調(diào)板得電初始化后，功放板和DSP信號處理板電源，等待接收母船發(fā)出的擴(kuò)頻信號命令[7-8]。當(dāng)M序列碼解調(diào)板解調(diào)出有效控制命令，控制電源板給功放板和DSP信號處理板通電，回發(fā)擴(kuò)頻應(yīng)答信號；并經(jīng)RS232串口給DSP板發(fā)送模式選擇控制命令，使應(yīng)答器進(jìn)入相應(yīng)工作模式。當(dāng)M序列碼解調(diào)板解調(diào)出無效控制命令，等待母船繼續(xù)發(fā)命令，該過程中應(yīng)答器一直處于低功耗狀態(tài)[7]。

當(dāng)電池電源電壓低于設(shè)定值或硬盤空間不足時，DSP信號處理板給母船發(fā)送電源電壓低或移動硬盤空間不足擴(kuò)頻信號，并關(guān)斷電源板電源。

1.1 DC-DC-LDO電源板

為了提高電源變換效率和降低功耗，采用開關(guān)電源芯片把鋰電池組輸出37 V電壓降壓濾波后，分5路進(jìn)行線性穩(wěn)壓濾波輸出相互隔離的+5 V，其中1路設(shè)計(jì)成不可控，送M序列碼解調(diào)板；另外4路設(shè)計(jì)成可控輸出給功放發(fā)射板、接收板、DSP信號處理板和其他設(shè)備使用[10]。

1.2 功放發(fā)射板

考慮功放發(fā)射板的高效率和減小發(fā)射板體積,降低功耗和提高波形線性度等因素，功放發(fā)射板采用D類音頻功率放大器，功放發(fā)射板原理框圖見圖2。

圖2 功放發(fā)射板原理框圖

當(dāng)需要功放發(fā)射板發(fā)射信號時，M序列碼板或DSP信號處理板的IO控制信號控制電源板上開關(guān)電源芯片，控制發(fā)射可控+5 V輸出給功放發(fā)射板，并開啟直流高壓(電池組提供)送功放板芯片。發(fā)射完成后，M序列碼板或DSP信號處理板的IO控制信號撤銷控制信號切斷發(fā)射功放板的高、低壓電源，實(shí)現(xiàn)功放發(fā)射板零功耗待機(jī)。

1.3 接收板

為了使換能器接收輸入阻抗匹配、降低噪音和降低功耗，接收板的前放與阻抗匹配部分采用低噪音、低功耗的儀表放大器轉(zhuǎn)差分信號為單端輸出信號，該信號經(jīng)4階Butterworth濾波[10]和后置放大驅(qū)動輸出接收信號，該接收信號分別送M序列碼和DSP信號處理板的16位A/D電路。為了保證接收帶寬增益的動態(tài)范圍，后置放大增益設(shè)為多級可調(diào)增益電路，接收板原理框圖如圖3所示。

圖3 接收板原理框圖

1.4 DSP信號處理板

DSP信號處理板主要由DC-DC-LDO電源變換、兩路16位A/D采集、一路D/A信號輸出、EMP240接口電路、信號調(diào)理、外擴(kuò)FLASH和SDRAM電路、串口RS232接口、JTAG接口、USB主機(jī)接口控制CH375電路、看門狗復(fù)位電路和抗干擾電路等幾部分組成。

DSP信號處理板的核心處理芯片采用TMS320VC5509芯片，該芯片具有低功耗、低噪聲和高速處理能力[11-12]，通過RS232標(biāo)準(zhǔn)接口與M序列碼解調(diào)板通訊。兩路16位A/D和一路16位D/A芯片經(jīng)過EPM240接口電路轉(zhuǎn)換送給DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)采集[13-15]。

1.5 M序列碼解調(diào)板

M序列碼板主要由DC-DC-LDO電源變換、一路16位A/D采集、一路D/A信號輸出、串口RS232接口、JTAG接口、信號調(diào)理、看門狗復(fù)位電路和抗干擾電路等幾部分組成。

M序列碼板的核心處理芯片采用ADSP-BF533芯片，該芯片具有低功耗、低噪聲和高速處理能力等特點(diǎn)[13-14]，A/D和D/A芯片也采用高速、低功耗、低噪聲的16位串行芯片。M序列碼板收到接收信號，通過A/D解調(diào)出CON控制命令，如果CON為有效信號，則開啟功放發(fā)射板回發(fā)M序列碼應(yīng)答信號，如果CON控制命令是記錄模式或應(yīng)答模式，則控制電源板開啟DSP信號處理板，并通過RS232串口把CON控制命令傳給DSP信號處理板，應(yīng)答器工作在相應(yīng)模式下[12]。

2 軟件設(shè)計(jì)

DSP信號處理板和M序列碼板都采用C語言編寫，M序列碼板程序流程圖如圖4所示，流程圖中的N=0，1，2,…，開機(jī)上電由入水電源開關(guān)控制，休眠模式時，功放板和DSP信號處理板供電關(guān)閉，只有接收板和M序列碼板工作，整個系統(tǒng)處于低功耗狀態(tài)。

圖4 M序列碼程序流程圖

DSP信號處理板的程序流程圖如圖5所示，M序列碼板控制電源板給DSP信號處理板上電，DSP系統(tǒng)初始化分為CSL庫函數(shù)初始化、EMIF接口初始化、串口初始化、McBSP口初始化、USB主機(jī)接口初始化和硬盤初始化；運(yùn)行模式分為應(yīng)答模式、記錄儀模式和休眠模式；應(yīng)答文件以FAT32格式固定為4 Kb容量存儲，記錄文件以FAT32格式固定為10 Mb容量存儲，如果在存儲過程中有新的CON命令送來，則存儲文件根據(jù)實(shí)際文件大小(小于4 Kb或10 Mb)來存盤[6]。

圖5 M序列碼程序流程圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2011年8月份，在中國南海進(jìn)行了海上試驗(yàn)，試驗(yàn)存盤記錄數(shù)據(jù)完整、回放信號清晰，抗多途干擾能力強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了模擬水下目標(biāo)的目標(biāo)強(qiáng)度和0.5～1 kHz的海洋環(huán)境監(jiān)測。并且利用3臺水聲應(yīng)答器組成定點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，在海深7 m、聲源級175 dB、760 Hz，傳輸距離8 500 m，無誤碼，試驗(yàn)過程中接受功耗145 mW，發(fā)射功耗10 W。實(shí)現(xiàn)水下無線組網(wǎng)的可靠通信。

4 結(jié)語

基于雙DSP模塊協(xié)同控制的水聲應(yīng)簽器具有功耗低、功能完善和多用途廣泛等特點(diǎn)，該產(chǎn)品應(yīng)用實(shí)際中，產(chǎn)品運(yùn)行穩(wěn)定可靠，更適合整個水聲技術(shù)發(fā)展的需求！

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Design of Multipurpose Underwater Acoustic Response Device System

WANGYu-qiao1,LIUJun-feng2,LIUXiao-lin2

(1. Huanghe Science & Technology College, Zhengzhou 450006, China; 2. CSIC Kunming Ship Design and Research Institute, Kunming 650236, China)

This paper discussed a kind of multipurpose underwater acoustic response device system design. It adopted new thought of double DSP modules to cooperate and control system's process. Dual DSP modules were composed of a piece of the ADSP-BF533 chips as the core in the M series code generated board and a piece of the TMS320VC5509 chips as the core in the signal processing board. Two pieces of the DSP processing board communicated through RS232 port. This entire hardware system used low power consumed design and gave the corresponding software flow chart. The acoustic response device system equipped with standard USB port, and could transmit the data to PC terminal. The entire system has fire reliability, software transplanted and high cost performance through the experiment in South China Sea. Underwater acoustic response device meets the future design direction of underwater communication.

underwater acoustic response device; M series code; DSP signal processing board; lower pass filter

2015-10-16

河南省科技廳重點(diǎn)科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(142102210550)；鄭州市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室——電子信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目(ZZLG201414)

王玉巧 (1980- ), 女, 河南鄭州人, 碩士, 講師，研究方向: 電子信息工程。 Tel.:15515801518; E-mail: 12825693@qq.com

TP 368

A

1006-7167(2016)05-0067-04