蔡侃侃

（第七一五研究所，杭州，310023）

聲吶基陣中的各類(lèi)非聲學(xué)傳感器信號(hào)（如深度傳感器、航向傳感器）能夠?qū)崟r(shí)反映基陣位置及所處的水文環(huán)境，對(duì)發(fā)射陣所處環(huán)境評(píng)估及安全性監(jiān)測(cè)有重要意義。然而，不同類(lèi)型傳感器傳輸信號(hào)的數(shù)據(jù)格式和波特率各不相同[1-2]，導(dǎo)致接收信號(hào)時(shí)，不同傳感器的信號(hào)傳輸端口不可互換[3]、兼容性較差、可靠性不足[4-5]。本文提出一種傳感器信號(hào)自適應(yīng)接收傳輸方案，該方案使得不同類(lèi)型傳感器傳輸端口可任意互換，方便工程上設(shè)備安裝，快速故障定位；也可運(yùn)用端口冗余增加系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性，給水下非聲傳感器信號(hào)傳輸帶來(lái)諸多便利。

1 硬件設(shè)計(jì)

在某拖體聲吶基陣中，水下傳感器單元信號(hào)傳輸鏈路如圖1所示，該拖體需要向干端傳輸三種傳感器信號(hào)，分別是溫深傳感器信號(hào)、航向傾角傳感器信號(hào)、高度傳感器信號(hào)。

圖1 水下傳感器單元信號(hào)傳輸鏈路

圖中的三種傳感器都是使用RS422接口，分別通過(guò)三路連接器將信號(hào)發(fā)送到信號(hào)匯聚艙內(nèi)的傳感器信號(hào)匯聚板上。匯聚板共有4個(gè)信號(hào)輸入端口，其中3個(gè)端口分別用來(lái)接收三路傳感器信號(hào)，留下一個(gè)輸入端口用作備用信號(hào)傳輸。信號(hào)匯聚板上的FPGA將接收到的所有信號(hào)整理打包并通過(guò)RS422接口輸出給接收設(shè)備。所有傳感器使用相同型號(hào)的連接器和電平標(biāo)準(zhǔn)（RS422接口電平標(biāo)準(zhǔn)），且連接器的端子定義相同，從而保證了各個(gè)傳感器能夠連接任意一個(gè)輸入端口。

2 軟件設(shè)計(jì)

在本傳感器信號(hào)傳輸單元中，航向傾角傳感器輸出信號(hào)波特率為 115 200 bps，每個(gè)數(shù)據(jù)包 108 Byte，數(shù)據(jù)包發(fā)包頻率10 Hz；溫深傳感器輸出信號(hào)波特率為9 600 bps，每個(gè)數(shù)據(jù)包30 Byte，數(shù)據(jù)包發(fā)包頻率4 Hz；高度傳感器輸出信號(hào)波特率為9 600 bps，每個(gè)數(shù)據(jù)包9 Byte，數(shù)據(jù)包發(fā)包頻率8 Hz。由此可見(jiàn)，各個(gè)端口需要自適應(yīng)不同波特率、數(shù)據(jù)寬度、發(fā)包頻率。本設(shè)計(jì)自適應(yīng)識(shí)別、傳輸各類(lèi)非聲傳感器的方案如圖2所示。

圖2 非聲傳感器信號(hào)傳輸方案

在傳感器信號(hào)匯聚板上，通過(guò)FPGA內(nèi)部DCM模塊倍頻產(chǎn)生一個(gè)144 MHz的高頻時(shí)鐘，由于高頻時(shí)鐘的頻率遠(yuǎn)高于各類(lèi)傳感器輸出信號(hào)波特率，高頻采集可以快速判斷傳感器信號(hào)的邊沿變化，從而按照9 600 bps和115 200 bps完整還原出各類(lèi)傳感器的輸出信號(hào)。故可以通過(guò)高頻時(shí)鐘采集各類(lèi)傳感器輸出信號(hào)來(lái)達(dá)到波特率自適應(yīng)目的。

方案串口總線(xiàn)上傳輸每個(gè)字節(jié)用 10位表示。依次是1位起始位、8位數(shù)據(jù)位、1位停止位。起始位為“0”（低電平），停止位為“1”（高電平）。當(dāng) 144 MHz的高頻時(shí)鐘檢測(cè)到串口起始位的下降沿后，分別在起始位時(shí)間段內(nèi)按照不同波特率分別均勻采集5次起始位信息（即以一個(gè)144 MHz時(shí)鐘周期為1節(jié)拍，對(duì)于波特率9 600 bps，每隔3 000節(jié)拍采集一次；對(duì)于波特率115 200 bps，每隔250節(jié)拍采集一次）。若5次采集中有4次采集電壓均為低電平，則判斷起始位有效。之后按照兩種不同波特率采集串口上每一位信息。當(dāng)采集到字節(jié)終止位時(shí)，為防止匯聚板上時(shí)鐘與傳感器內(nèi)部時(shí)鐘的頻率或相位累加偏差過(guò)大，輸出需要進(jìn)行字節(jié)對(duì)齊操作，即串口輸出字節(jié)的停止位（高電平）與下一字節(jié)的起始位（低電平）之間必然會(huì)有一個(gè)下降沿，可以通過(guò)跟蹤該下降沿校準(zhǔn)匯聚板上本地時(shí)鐘與傳感器內(nèi)部時(shí)鐘的頻率或相位偏差。本方案的具體做法是運(yùn)用 144 MHz的高頻時(shí)鐘檢測(cè)前字節(jié)停止位與后字節(jié)起始位之間的下降沿，在下降沿后即判斷后一字節(jié)已經(jīng)開(kāi)始。若在當(dāng)前字節(jié)停止位出現(xiàn)后高頻時(shí)鐘連續(xù) 3 bit時(shí)間范圍內(nèi)均采集不到下一字節(jié)的起始位信號(hào)，則判斷當(dāng)前數(shù)據(jù)包結(jié)束。

圖3 串口字節(jié)數(shù)據(jù)幀格式

為防止總線(xiàn)信號(hào)抖動(dòng)產(chǎn)生亂碼，分別按照波特率9 600 bps和115 200 bps存儲(chǔ)3 Byte（共30位數(shù)據(jù)）。若接收有效信號(hào)，則該信號(hào)必然符合串口協(xié)議，即該信號(hào)第1、11、21位均為低電平信號(hào)、第10、20、30位均為高電平信號(hào)。若接收信號(hào)不符合串口協(xié)議，則丟棄。

在符合串口協(xié)議的基礎(chǔ)上，檢查傳感器輸出信號(hào)與協(xié)議是否一致。三種輸出信號(hào)協(xié)議格式見(jiàn)表1。輸出數(shù)據(jù)均含有固定不變的字節(jié)信息，如航向傾角傳感器及溫深傳感器都有固定不變的數(shù)據(jù)幀頭、高度傳感器第3、7、8、9字節(jié)為固定字節(jié)。以9 600 bps及115 200 bps波特率分別獲取傳感器輸出的前9 Byte，包含協(xié)議中固定不變的字節(jié)信息，將它們與傳感器信號(hào)傳輸協(xié)議對(duì)比，從而識(shí)別該數(shù)據(jù)為何種傳感器的發(fā)送數(shù)據(jù)。流程如圖4所示。

圖4 判別傳感器類(lèi)型流程圖

判別傳感器類(lèi)型后，為保證傳輸信號(hào)的可靠性，需要判斷傳感器輸出信號(hào)的字節(jié)數(shù)是否與表 1中的協(xié)議字節(jié)總數(shù)一致，按照?qǐng)D3示意方案每次捕捉到1 Byte后，F(xiàn)PGA內(nèi)部計(jì)數(shù)器加1。當(dāng)數(shù)據(jù)包結(jié)束時(shí)，內(nèi)部計(jì)數(shù)器可以統(tǒng)計(jì)該數(shù)據(jù)包的字節(jié)數(shù)。將該字節(jié)數(shù)與表1協(xié)議中相應(yīng)傳感器的字節(jié)總數(shù)對(duì)比，判斷當(dāng)前傳感器輸出數(shù)據(jù)包的字節(jié)總數(shù)是否正確，若其字節(jié)總數(shù)與協(xié)議不一致，則將該數(shù)據(jù)包丟棄。

由以上分析可知，當(dāng)匯聚板完整接收到數(shù)據(jù)包后，即可判斷該數(shù)據(jù)包對(duì)應(yīng)的傳感器類(lèi)型。按照?qǐng)D1的硬件連接傳感器信號(hào)傳輸單元，由于匯聚板上FPGA與每一個(gè)端口相連的引腳各不相同，通過(guò)FPGA引腳的物理分布即可判斷發(fā)包傳感器連接的端口號(hào)。FPGA抓取每個(gè)數(shù)據(jù)包中的傳感器信號(hào)，并將這些信號(hào)按照表2所示的輸出協(xié)議將所有信號(hào)打包上傳。分別用單字節(jié)11、22、33、44（十六進(jìn)制數(shù)）代表信號(hào)匯聚艙的端口1、端口2、端口3、端口 4。通過(guò)匯聚板信號(hào)輸出協(xié)議，可以在信號(hào)接收端了解到各個(gè)傳感器信號(hào)連接的端口位置。若某種傳感器信號(hào)未連接或該傳感器信號(hào)發(fā)送數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，匯聚板在當(dāng)前幀中將該傳感器數(shù)據(jù)置零。

表1 傳感器輸出信號(hào)協(xié)議

表2 匯聚板信號(hào)輸出協(xié)議 Byte

實(shí)現(xiàn)的時(shí)序控制邏輯如圖5所示，采用同源高頻時(shí)鐘作為時(shí)鐘信號(hào)，在其上升沿判斷3路傳感器信號(hào)的串口協(xié)議、數(shù)據(jù)協(xié)議、字節(jié)總數(shù)是否符合要求。當(dāng)被判定符合要求后，在該時(shí)鐘上升沿將數(shù)據(jù)寫(xiě)入寄存器。同源時(shí)鐘經(jīng)過(guò)分頻得到周期為0.1 ms的低頻時(shí)鐘，在該低頻時(shí)鐘上升沿將寄存器中數(shù)據(jù)輸出給串口。

圖5 時(shí)序控制邏輯

3 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

按照?qǐng)D1的端口連接方法，在串口調(diào)試助手軟件上測(cè)得的數(shù)據(jù)如圖7所示。為了驗(yàn)證本文提出的非聲傳感器信號(hào)自適應(yīng)傳輸方案的可實(shí)現(xiàn)性，按照?qǐng)D6的端口連接方法，將航向傾角傳感器連接到端口 2，溫深傳感器連接到端口 3，高度傳感器連接到端口1，測(cè)得的數(shù)據(jù)如圖8所示。

圖6 水下傳感器單元輸入信號(hào)更改后的傳輸鏈路

圖7 第1組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

圖8 第2組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

對(duì)比圖7及圖8可知，無(wú)論匯聚板輸入端口連接何種傳感器，無(wú)論匯聚板輸入端口波特率、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)協(xié)議有何不同，匯聚板均可按表2所示的協(xié)議將接收的所有傳感器數(shù)據(jù)打包上傳，即實(shí)現(xiàn)了非聲傳感器信號(hào)的自適應(yīng)傳輸。

4 總結(jié)

本方案通過(guò)傳感器信號(hào)自適應(yīng)傳輸技術(shù)增加了電路單元的兼容性、易操作性與可維修性。通過(guò)串口格式檢測(cè)、串口協(xié)議檢測(cè)和數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度檢測(cè)增加了單元的可靠性。實(shí)驗(yàn)室及項(xiàng)目實(shí)際驗(yàn)證，該方案可實(shí)現(xiàn)傳感器信號(hào)的自適應(yīng)傳輸，且工作穩(wěn)定、可靠性高。在硬件接口通用的條件下，本方案可推廣用于輸出信號(hào)協(xié)議、波特率、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度等各異的信號(hào)傳輸體系。