唐偉杰

(中國船舶重工集團公司 第七一五研究所，浙江 杭州 310023)

基于 CS3308 的多通道 TVG 控制設(shè)計與實現(xiàn)

唐偉杰

(中國船舶重工集團公司 第七一五研究所，浙江 杭州 310023)

多波束測深聲吶是用于測量海底地形地貌的設(shè)備，作為主動聲吶，抗混響是其關(guān)鍵技術(shù)之一。本文提出抗混響的 TVG 控制方案，設(shè)計基于 CS3308 的多通道 TVG 控制電路，具備固定增益設(shè)定、常用 TVG 曲線固化模式和實時 TVG 曲線下載等功能。與以往的設(shè)計方法相比，該方案具有設(shè)計簡單、體積小、控制靈活等特點。試驗結(jié)果表明，文中設(shè)計的 TVG 控制電路工作穩(wěn)定可靠，增益調(diào)節(jié)范圍–96 dB～+ 22 dB，步進 1/2 dB 或 1/4 dB 可選。

多波束測深聲吶；海底混響；CS3308；TVG

0 引 言

利用聲波對水下目標(biāo)進行探測、定位、跟蹤、識別以及利用水下聲波進行通信、導(dǎo)航、制導(dǎo)、武器的射擊指揮及對抗等方面的水聲設(shè)備稱為聲吶，按照其工作原理和工作方式分為主動聲吶和被動聲吶[1]。作為主動聲吶設(shè)備，多波束測深聲吶發(fā)射基陣主動發(fā)射水聲信號，經(jīng)由水下傳播及反射等途徑，接收基陣接收其回波信號。接收基陣具有一定的動態(tài)范圍，回波信號的強度隨著傳播距離的改變而變化，然而在近距離的回波中混響是主要的影響因素。在聲吶接收機前端模擬信號調(diào)理中，時間-增益控制（TVG）模塊是有效的抗混響措施[2–3]。

聲吶回波信號隨距離的改變而變化，然而其變化規(guī)律不是一成不變。對于不同的海底環(huán)境，不同的測量時間，TVG 曲線各不相同[4]，所以對應(yīng)的增益控制電路設(shè)計要滿足不同的 TVG 曲線的實現(xiàn)。多波束測深聲吶具有 128 路接收基陣單元，文中提出的基于 FPGA（Field Programmed Gate Array）可控編程 + 外接 SPI接口的 CS3308 的 TVG 調(diào)控方案，能很好地滿足多波束測深聲吶多通道 TVG 控制的設(shè)計要求。其具有硬件規(guī)模小、控制靈活等特點，并具有固定增益設(shè)定、常用曲線固化模式及實時曲線下載等功能。

1 多波束測深原理

利用聲波探測海底時，向海底發(fā)射聲波，聲吶接收機接收到該聲波的海底回波信號，通過測得發(fā)射與接收的傳播時延差，并已知海水中的聲速，根據(jù)距離等于時間乘以速度的原理，即可計算得到水深[5]。

多波束測深聲吶的發(fā)射和接收換能器具有一定的指向性，形成互相正交的扇面，收發(fā)指向性的乘積即為測深的波束角，其原理如圖 1 所示。發(fā)射基陣將電信號轉(zhuǎn)換為聲信號，輻射至海底形成條形區(qū)域，即為發(fā)射波束，接收陣接收到海底的回波水聲信號，轉(zhuǎn)換為電信號，空間濾波形成與發(fā)射波束垂直的多個波束，即為接收波束。發(fā)射與接收結(jié)合，一次海底掃描即可獲取多個不同位置的深度數(shù)據(jù)。

圖1 多波束測深原理Fig.1 The principle of multi-beam bathymeter

2 硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)原理框圖

多波束測深聲吶具有 128 路接收基陣單元，TVG控制電路的硬件組成主要有 FPGA 模塊、TVG 模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換、網(wǎng)絡(luò)模塊等部分[6]，其系統(tǒng)原理如圖 2 所示。多波束測深聲吶接收基陣輸出信號經(jīng)前端模擬信號調(diào)理，送入 TVG 控制電路的信號輸入端，由 FPGA接收上位機命令，實時調(diào)控 TVG，后由模數(shù)轉(zhuǎn)換單元采集該組信號，送入 FPGA 并經(jīng)由千兆以太網(wǎng)上傳至上位機顯控，實時監(jiān)控系統(tǒng)運行。

圖2 TVG 控制電路原理框圖Fig.2 Schematic diagram of TVG control

2.2 主要芯片選型

系統(tǒng)硬件放置在水下基陣艙內(nèi)，受限于空間體積。系統(tǒng)芯片選型遵循小型化、低功耗、低噪聲等原則，綜合考慮選擇 Cirrus Logic 公司的 8 通道芯片CS3308 及 Altera 公司 FPGA 主控芯片 EP3C120。系統(tǒng)電路原理圖設(shè)計完成，最終 PCB 布局布線尺寸約為120 mm × 250 mm。

音量控制器 CS3308 是一款基于 SPI 模式的數(shù)字控制音量的芯片，內(nèi)部包含 8 個通道，由 1 組 SPI 信號控制。其增益動態(tài)范圍：–96 ～+ 22 dB，步進 1/2 dB 或 1/4 dB可選，單位增益帶寬 5 MHz，通道間的隔離有 120 dB，芯片尺寸約 9 mm × 9 mm，功耗在 300 mW 左右。

FPGA 芯片選用的 Altera 公司的 Cyclone III 系列的EP3C120 型號，芯片內(nèi)部具有 119 k 的邏輯單元，288個 18bit × 18bit 的乘法器以及 4 個 PLL 模塊，片內(nèi)RAM 達到 3.88 Kbits，其 I/O 接口多達 596 個[7]。

模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片采用的是 TI 公司的 ADS8568，內(nèi)部包含 8 個同步采樣通道，其采樣率為 190 kSPS，16 位有符號數(shù)據(jù)，參考電壓 5 V，功耗為 200 mW。

2.3 通信協(xié)議控制

CS3308 芯片與主控 FPGA 的接口協(xié)議為 SPI 格式，為串行接口數(shù)據(jù)流，包含復(fù)位信號 RESET、片選CS、串行時鐘 CCLK 和數(shù)據(jù)位 MOSI，如圖 3 所示。

圖3 SPI 協(xié)議格式Fig.3 The SPI protocol

增益設(shè)置：N = 2 × Gain + 210，其中 GAIN 為增益值，N 為對應(yīng)的 8 位增益碼。對應(yīng) 8 位數(shù) N 的值，在時鐘頻率 CCLK 下進行并串轉(zhuǎn)換，串行數(shù)據(jù)流寫入CS3308 內(nèi)部寄存器，從而控制模擬信號量的大小。

2.4 多通道控制設(shè)計

在本系統(tǒng)中，多波束測深聲吶的接收機共有 128個模擬通道，每片 CS3308 具有 8 個通道，共需要 16個芯片。對應(yīng)多通道的應(yīng)用，芯片手冊提供菊花鏈的擴展連接模式[8]。在實際應(yīng)用中，盡管能用到較少的FPGA 的 IO 口資源，但是增加了布線的難度，而且也容易引入干擾，造成時序上的跳變。綜合考慮，設(shè)計中采用一組 SPI 控制線上掛載 4 片 CS3308，共 4 組SPI 信號，在 FPGA 內(nèi)部由同一 TVG 控制邏輯例化產(chǎn)生，實現(xiàn)多通道接收機的 TVG 同步接收控制，其連接框圖如圖 4 所示。

3 軟件設(shè)計

3.1 軟件環(huán)境

系統(tǒng)以 Altera 公司 FPGA 的 Cyclone 系列 EP3C120為主控芯片，多通道的 TVG 控制軟件運行其中。運用

Verilog 硬件語言 + IP 核的編程方式，在 Altera 的專用Quartus II 編程環(huán)境下，編譯生成目標(biāo)代碼，燒寫至FPGA 的配置芯片 FLASH 中。

圖4 基于 SPI 的多通道 TVG 控制框圖Fig.4 Multi-channel TVG control based on SPI

當(dāng)系統(tǒng)上電時，F(xiàn)PGA 內(nèi)部固有引導(dǎo)程序從 FLASH中將目標(biāo)代碼加載至 FPGA 內(nèi)部，系統(tǒng)軟件程序開始執(zhí)行；當(dāng)系統(tǒng)掉電時，F(xiàn)PGA 內(nèi)部恢復(fù)空白的可編程狀態(tài)，以便程序的修改和升級；這樣實現(xiàn) FPGA 可編程的靈活性[9]。

3.2 軟件架構(gòu)

根據(jù)系統(tǒng)軟件功能的要求，具備固定增益設(shè)定、TVG 曲線調(diào)控及實時 TVG 曲線下載等功能要求，系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)接口命令實時操作 TVG 的調(diào)控。系統(tǒng)上電，復(fù)位 CS3308 芯片使其寄存器保持初始化狀態(tài)，并對芯片地址、靜音、步進、低功耗等寄存器進行配置。在寄存器配置完成后，等待網(wǎng)絡(luò)命令，執(zhí)行 TVG的固定增益控制或曲線控制狀態(tài)，執(zhí)行指令完畢，返回等待網(wǎng)絡(luò)命令狀態(tài)，繼續(xù)下一次操作，具體的軟件流程如圖 5 所示。

圖5 TVG 控制軟件流程圖Fig.5 The flow of TVG control software

4 實驗結(jié)果

對該電路進行電聯(lián)調(diào)測試驗證，系統(tǒng)預(yù)存 4 條TVG 曲線在 FPGA 的內(nèi)存中。根據(jù)上級相應(yīng)指令可以讀取內(nèi)存中 TVG 曲線值或者固定增益值，寫入CS3308 芯片內(nèi)部，從而控制模擬信號量的大小。同時，也可以根據(jù)現(xiàn)場試驗環(huán)境，仿真得到 TVG 曲線，實時下載至 CS3308 芯片內(nèi)部。

測試時，在模擬信號輸入端加載頻率 200 kHz、幅值 1V（pp）的標(biāo)準(zhǔn)信號源，TVG 曲線設(shè)置為 100 個點，–40 ～ 10 dB，步進 0.5 dB，周期 300 ms。模數(shù)轉(zhuǎn)換器為有符號數(shù) 16 位，采樣率為 260 KSPS，參考電平 5 V，TVG 控制得到的模擬信號時域波形如圖 6 所示，符合設(shè)計要求。

圖6 TVG 控制的時域信號Fig.6 The time domain diagram after TVG control

按理論計算：增益最大 10 dB，折合放大倍數(shù)約 3倍，信號源放大至 3V（pp），則放大后的數(shù)字量為。比較圖 6 中實際測得的最大幅度相對值，符合理論計算。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計的基于 CS3308 + FPGA 的多通道 TVG 控制電路，已經(jīng)成功應(yīng)用于水下自主無人航行器載體上的多波束測深聲吶中，其具備固定增益設(shè)定、常用TVG 曲線固化及實時 TVG 曲線下載等功能。試驗表明，該 TVG 調(diào)控方案可行，電路工作穩(wěn)定可靠，更可以根據(jù)現(xiàn)場試驗環(huán)境在線實時調(diào)控。與以往方案相比，具有控制靈活、小型化、低功耗等特點。

[1]田坦, 劉國枝, 孫大軍. 聲吶技術(shù)[M]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué)出版社, 2000: 1–7.

[2]盧逢春, 張殿倫, 張宏宇. 多波束條帶測深儀的增益控制方案

[J]. 海洋工程, 2003, 21(1): 90–93. LU Feng-chun, ZHANG Dian-lun, ZHANG Hong-yu. Gain control ways for swath bathymeters[J]. The Ocean Engineering, 2003, 21(1): 90–93.

[3]李啟虎. 數(shù)字式聲吶設(shè)計原理[M]. 合肥: 安徽教育出版社, 2002: 150–157.

[4]楊康, 楊成, 夏偉杰. 成像聲吶TVG/AGC電路的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 電子測量技術(shù), 2014, 37(3): 5–9. YANG Kang, YANG Cheng, XIA Wei-jie. Design and realization of sonar amplifier circuit with time variable gain and automatic gain control[J]. Electronic Measurement Technology, 2014, 37(3): 5–9.

[5]馮森. 便攜式多波束測深系統(tǒng)信號采集與控制平臺[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué), 2013. FENG Sen. Data acquisition and control system platform on portable multi-beam echo-sounder[D]. Harbin: Harbin Engineering University, 2013.

[6]廖小滿, 徐翔. 多波束側(cè)掃聲吶的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 電聲技術(shù), 2012, 36(3): 47–52, 65. LIAO Xiao-man, XU Xiang. Design and implementation of multibeam sidescan sonar[J]. Audio Engineering, 2012, 36(3): 47–52, 65.

[7]Altera Corporation. Cyclone Ⅲ device handbook[Z]. Altera Corporation, 2009: 3–10.

[8]CIRRUS LOGIC Corporation. 8-channel analog volume control: CS3308 datasheet[Z]. CIRRUS LOGIC Corporation, 2006: 20–25.

[9]吳厚航. FPGA 設(shè)計實戰(zhàn)演練[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2015: 3–10.

The design of multi-channel TVG control based on CS3308

TANG Wei-jie
(The 715 Research Institute of CSIC, Hangzhou 310012, China)

The multi-beam bathymeter sonar is a seafloor mapping device. As an active sonar, it is one of important technique to suppress reverberation. The design of TVG multi-channel controlling based on CS3308 is proposed to resist seabed reverberation in the paper. A certain gain or usual TVG control line can be set and real-time TVG line can be loaded. Comparing with the previous design, it has features of simple, small size and flexible control. The result of test showed that the TVG control cir works stably and reliably. It has wide adjustable volume range from –96 dB to + 22 dB in 1/2 dB or 1/4 dB steps.

multi-beam bathymeter sonar；sea-bed reverberation；CS3308；TVG

U 666.7

A

1672 – 7619(2016)11 – 0116 – 04

10.3404/j.issn.1672 – 7619.2016.011.024

2016 – 04 – 22；

2016 – 05 – 17

國家“863”計劃資助項目 (2011AA09A107)

唐偉杰(1982 – )，男，碩士，工程師，主要從事水聲信號預(yù)處理的研究。