（海軍工程大學(xué) 武漢 430033）

1 引言

水下無(wú)人航行器（Unmanned Undersea Vehicle，UUV）發(fā)展迅速，其機(jī)動(dòng)靈活，可搭載各種類(lèi)型的傳感器，深入我方領(lǐng)海進(jìn)行抵近偵察，嚴(yán)重威脅領(lǐng)海主權(quán)[1]。UUV自身的機(jī)械噪聲小，水下聲對(duì)抗平臺(tái)對(duì)其輻射噪聲的探測(cè)較為困難[2]。但是，為了避碰和目標(biāo)成像精度，UUV多攜帶主動(dòng)聲吶，這些聲吶的工作信號(hào)為高頻脈沖信號(hào)[3]。水下聲對(duì)抗平臺(tái)可以通過(guò)對(duì)高頻聲脈沖信號(hào)的采集分析，探測(cè)發(fā)現(xiàn)敵方UUV并進(jìn)一步估計(jì)其方位等信息[4]。因此，本文設(shè)計(jì)了一種聲吶脈沖信號(hào)采集處理系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)組成

聲吶脈沖信號(hào)采集處理系統(tǒng)可以將水聽(tīng)器接收到的聲吶脈沖信號(hào)進(jìn)行調(diào)理、采集和處理，并實(shí)時(shí)估計(jì)脈沖信號(hào)的幅度、頻率等特征信息，然后將檢測(cè)結(jié)果上傳給上位機(jī)。

系統(tǒng)主要由電源管理模塊、信號(hào)接收采集模塊、處理器模塊、通信接口模塊等部分組成，其詳細(xì)組成如圖1所示。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 接收機(jī)

接收機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，先對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，再對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理，使信號(hào)特征更加清晰明顯。

前置放大器是整個(gè)采集系統(tǒng)的第一級(jí)，它接收換能器輸出的微弱信號(hào)，對(duì)該信號(hào)進(jìn)行放大。前置放大器采用低噪聲、高增益的OP放大器實(shí)現(xiàn)，放大倍數(shù)20倍，其電路原理如圖2所示。

接收機(jī)的濾波器選用4階有源帶通濾波器，類(lèi)型為巴特沃斯型，由于低頻段較低，采用高低通濾波器級(jí)聯(lián)的方式。其中高通濾波器的截止頻率為10kHz，低通濾波器的截止頻率為800kHz。

圖1 系統(tǒng)組成圖

圖2 前置放大器電路圖

信號(hào)采集系統(tǒng)中，信號(hào)變化的幅度都比較大，因此放大以后的信號(hào)幅值有可能超過(guò)A/D轉(zhuǎn)換的量程，所以必須根據(jù)信號(hào)的變化相應(yīng)調(diào)整放大器的增益。在實(shí)際采集條件下，需要能夠在程序中用軟件控制放大器的增益，或者放大器本身能自動(dòng)將增益調(diào)整到適當(dāng)?shù)姆秶ＴO(shè)計(jì)使用AD603型放大器，AD603是一款低噪聲、電壓控制型放大器，用于射頻（RF）和中頻（IF）自動(dòng)增益控制（AGC）系統(tǒng)，電路原理如圖3。AD603提供精確的引腳可選增益，90 MHz帶寬時(shí)增益范圍為-11 dB～+31 dB，9 MHz帶寬時(shí)增益范圍為+9 dB～+51 dB。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，可調(diào)增益范圍為0～40dB，通過(guò)軟件可調(diào)。

圖3 程控放大器原理圖

增益控制信號(hào)是通過(guò)DAC的輸出控制的，DAC選擇電壓輸出型的DAC，12比特輸出。

經(jīng)過(guò)濾波器濾波和放大輸出的信號(hào)為單端信號(hào)，幅度為-5V～5V之間，而ADC的輸入為差分信號(hào)，幅度為0～5V之間，因此需要在濾波器和ADC之間實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)匹配。ADC驅(qū)動(dòng)電路使用的是TI公司的THS4521全差分放大器。該放大器實(shí)現(xiàn)單端信號(hào)轉(zhuǎn)化為差分信號(hào)，并使輸出信號(hào)偏移到合適的參考電平上，ADC驅(qū)動(dòng)電路原理如圖4所示。

ADC采用LT公司的LTC2311-16，該ADC為16位，最高采樣率為5Msps，其電路原理如圖5所示。

3.2 處理器

由于需要實(shí)現(xiàn)多通道采集和信號(hào)處理，一般處理器采用并行能力強(qiáng)，接口豐富的FPGA實(shí)現(xiàn)[5～6]。FPGA選用ALTERA公司的EP4CE15F17I7，其封裝為FBGA256，擁有180多個(gè)通用IO接口，以及豐富的邏輯單元和內(nèi)存，可以滿足多通道數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)囊蟆?/p>

圖4 ADC驅(qū)動(dòng)電路原理圖

圖5 ADC電路原理圖

圖6 接口處理板電路圖

3.3 接口

接口處理板的網(wǎng)絡(luò)主要用于數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)和協(xié)議轉(zhuǎn)換，接口處理板電路如圖6所示。網(wǎng)絡(luò)芯片選用TI公司的以太網(wǎng)收發(fā)器（PHY）DP83867。其主要特點(diǎn)：?jiǎn)我蕴W(wǎng)物理層芯片；支持10 BASE-T和100 BASE-TX；媒體無(wú)關(guān)接口（MII接口）；TQFP100表貼封裝。FPGA通過(guò)GMII接口與DP83867進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

高頻采集系統(tǒng)與上位機(jī)之間采用RS232通信，RS232和LVTTL接口轉(zhuǎn)換芯片選用美信公司的MAX3226，這是一款低功耗的高速RS232電平轉(zhuǎn)換芯片，具有自動(dòng)進(jìn)入省電模式功能，在省電模式下消耗電流僅為1uA，最高數(shù)據(jù)率可達(dá)1Mbps，其應(yīng)用電路如圖7所示，主要特點(diǎn)有：1）穩(wěn)定數(shù)據(jù)率為250Kbps；2）超低功耗，在省電模式下消耗電流僅為1uA；3）具有+15kV靜電保護(hù)功能；4）電源電壓：+2.5V～5.5V。

圖7 MAX3226應(yīng)用電路圖

4 軟件設(shè)計(jì)

信號(hào)處理的軟件主要完成對(duì)信號(hào)的接收采集，然后進(jìn)行數(shù)字平滑濾波、并進(jìn)行檢測(cè)，估計(jì)脈沖信號(hào)的主要參數(shù)，把結(jié)果送給上位機(jī)進(jìn)行顯示。信號(hào)處理任務(wù)由FPGA實(shí)現(xiàn)，信號(hào)處理程序是利用FP?GA內(nèi)部的邏輯資源、乘加DSP模塊、存儲(chǔ)器等實(shí)現(xiàn)各種功能。開(kāi)發(fā)環(huán)境為QUARTUS ii 15.0，仿真環(huán)境為MODELSIM 6.5，開(kāi)發(fā)工具為USB BLASTER，開(kāi)發(fā)語(yǔ)言為VERILOG 語(yǔ)言/VHDL語(yǔ)言[7]。

FPGA程序按照功能進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，包括接口模塊和處理功能模塊[8～9]。接口模塊包括時(shí)鐘模塊、ADC接口模塊、DAC接口模塊、串口接口模塊、網(wǎng)絡(luò)接口模塊。功能模塊主要為時(shí)域?yàn)V波、FFT處理模塊、信號(hào)檢測(cè)、判決模塊，以及測(cè)試信號(hào)生成模塊等[10]。

時(shí)域信號(hào)處理是在時(shí)域?qū)π盘?hào)進(jìn)行濾波，然后對(duì)濾波后的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)得信號(hào)的幅度和脈寬。首先對(duì)信號(hào)進(jìn)行去直流處理，對(duì)信號(hào)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間積分求得信號(hào)的直流分量，信號(hào)減去該直流分量，再求信號(hào)的包絡(luò)，對(duì)信號(hào)取絕對(duì)值，然后對(duì)該信號(hào)進(jìn)行平滑，得到信號(hào)的包絡(luò)，最后對(duì)信號(hào)包絡(luò)進(jìn)行檢測(cè)，信號(hào)檢測(cè)的門(mén)限是噪聲幅度的4倍，當(dāng)包絡(luò)幅度連續(xù)大于門(mén)限后，則判決有信號(hào)，脈沖的幅度為包絡(luò)的最大值，信號(hào)的脈沖寬度為過(guò)門(mén)限區(qū)間。

頻域信號(hào)處理是在頻率域?qū)π盘?hào)幅度進(jìn)行判決，判斷信號(hào)的頻率。首先，對(duì)ADC輸入的信號(hào)進(jìn)行“乒乓”緩存，當(dāng)信號(hào)存滿1024后，把這些數(shù)據(jù)送給FFT運(yùn)算模塊。FFT模塊接收到信號(hào)后，開(kāi)始對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傅立葉變換運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)束后輸出運(yùn)算結(jié)果。頻域信號(hào)處理流程圖如圖8所示。

圖8 頻域信號(hào)處理流程圖

頻率累加器和相位累加器，通過(guò)改變頻率累加器的頻率控制字就可以控制輸出的波形頻率，改變相位累加器的相位控制字就可以控制輸出波形的相位。而幅值的改變是將ROM里面讀出的數(shù)據(jù)進(jìn)行等比例的縮減，改變縮減倍數(shù)就可以改變輸出波形的幅值（0～3.3V），改變的過(guò)程是使用外部的按鍵進(jìn)行改變。

5 通信協(xié)議

高頻信號(hào)采集系統(tǒng)使用網(wǎng)絡(luò)和串口通信兩種方式與上位機(jī)進(jìn)行通信。

高頻信號(hào)采集系統(tǒng)與上位機(jī)之間采用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行命令、數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息傳送，通信內(nèi)容包括上行數(shù)據(jù)和下行數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)通信信息交換采用IEEE802.3U標(biāo)準(zhǔn)局域?qū)Φ纫蕴W(wǎng)（100BASE-TX）和TCP/IP協(xié)議族，網(wǎng)絡(luò)傳輸層選用TCP/IP協(xié)議中的UDP協(xié)議[11]。上位機(jī)IP地址：192.168.1.30，端口：12345；高頻采集系統(tǒng)IP地址：192.168.1.100，端口：12345。網(wǎng)口通信協(xié)議格式如表1所示。

表1 網(wǎng)口通信協(xié)議格式

數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為幀頭、長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)類(lèi)型、數(shù)據(jù)內(nèi)容的總字節(jié)數(shù)；數(shù)據(jù)內(nèi)容占用2個(gè)字節(jié)時(shí)，先發(fā)低位，再發(fā)高位。

高頻信號(hào)采集系統(tǒng)與上位機(jī)之間采用RS232串口通信進(jìn)行命令、狀態(tài)信息傳送，通信內(nèi)容包括上行數(shù)據(jù)和下行數(shù)據(jù)。串口波特率115200，無(wú)校驗(yàn)，8比特。串口通信協(xié)議格式如表2所示。

表2 串口通信協(xié)議格式

數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為幀頭、長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)類(lèi)型、數(shù)據(jù)內(nèi)容的總字節(jié)數(shù)；數(shù)據(jù)內(nèi)容占用2個(gè)字節(jié)時(shí)，先發(fā)低位，再發(fā)高位。

6 測(cè)試結(jié)果

對(duì)高頻信號(hào)采集系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，主要測(cè)試對(duì)象為：頻率采樣范圍，采樣率，采樣精度，不失真動(dòng)態(tài)范圍，數(shù)據(jù)處理功能，輸出接口等[12]。

圖9 檢測(cè)結(jié)果圖

首先，檢測(cè)頻率采樣范圍、采樣率、采樣精度，由信號(hào)發(fā)射器輸入脈沖信號(hào)，脈沖間隔為1s，幅值為100mVpp，經(jīng)過(guò)檢測(cè)，頻率從10kHz～500kHz頻率范圍內(nèi)都能檢測(cè)到，滿足要求。采樣率，采樣精度，數(shù)據(jù)處理功能均滿足要求。圖9為檢測(cè)時(shí)采樣結(jié)果。

其次，檢測(cè)失真動(dòng)態(tài)范圍，把信號(hào)源輸出的幅度調(diào)整到100mV，通過(guò)衰減器把信號(hào)衰減40dB，然后接到信號(hào)源輸入端，再逐漸將信號(hào)幅度調(diào)大，采集板輸入從0.5mV～5V之間，系統(tǒng)都能檢測(cè)到信號(hào)，滿足不失真動(dòng)態(tài)范圍80 dB的要求。

最后，檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)輸出與串口輸出功能，經(jīng)過(guò)檢測(cè)，兩種接口輸出均能實(shí)時(shí)上傳檢測(cè)結(jié)果，工作狀況良好。

7 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種聲吶脈沖信號(hào)采集處理系統(tǒng)，能夠接收聲脈沖信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理、采集、處理、檢測(cè)，將處理結(jié)果上傳至上位機(jī)。經(jīng)過(guò)測(cè)試，頻率采樣范圍，采樣率，采樣精度，不失真動(dòng)態(tài)范圍滿足設(shè)計(jì)要求，數(shù)據(jù)處理功能，輸出接口使用狀況良好，該系統(tǒng)可以用來(lái)采集聲吶高頻脈沖信號(hào)。