趙寶平，王茂法，王佳楠，仇寶春

(杭州電子科技大學(xué) 海洋工程研究中心，浙江杭州310018)

0 引 言

在海洋中，聲波來源廣泛，既有自然聲源(如海洋生物)，也有人為聲源(如船舶)。海洋背景噪聲包括海洋環(huán)境噪聲和技術(shù)噪聲。通過對(duì)背景噪聲的分析和處理，可以建立特定海域的噪聲場(chǎng)模型，從而有助于水下目標(biāo)識(shí)別和預(yù)警探測(cè)。采集海洋背景噪聲一般以海洋環(huán)境觀測(cè)平臺(tái)搭載噪聲測(cè)量系統(tǒng)的方式進(jìn)行。以往的海洋環(huán)境觀測(cè)平臺(tái)主要有海洋調(diào)查船、潛標(biāo)和浮標(biāo)等，水下滑翔機(jī)(Underwater Glider, UG)作為一種新型的海洋環(huán)境觀測(cè)平臺(tái)，跟以往的觀測(cè)平臺(tái)相比，具有自動(dòng)化程度高、效率高、成本低、能耗小、航程大的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)前的海洋環(huán)境科考工作也正在大量地應(yīng)用水下滑翔機(jī)[1]。然而，水下滑翔機(jī)依靠電池對(duì)自身進(jìn)行供電，為噪聲測(cè)量系統(tǒng)提供的能量十分有限，想要達(dá)到數(shù)月之久的工作時(shí)間，則必須要降低噪聲測(cè)量系統(tǒng)的功耗，因此，設(shè)計(jì)一套基于水下滑翔機(jī)的功耗低、體積小、質(zhì)量輕、工作穩(wěn)定、使用場(chǎng)景靈活的噪聲測(cè)量系統(tǒng)，具有十分重要的意義。

為了連續(xù)采集海洋中的聲波信號(hào)，Wang等[2]提出了一種主從結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，由一個(gè)主單元和兩個(gè)從單元構(gòu)成。劉璐等[3]研制了一種滑翔機(jī)自噪聲采集系統(tǒng)，用于測(cè)試水下滑翔機(jī)的自噪聲，系統(tǒng)主要由水聽器和數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)組成。孫巍等[4]設(shè)計(jì)了一種高性能的水聲信號(hào)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了多路模擬信號(hào)的數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)。Cauchy等[5]將Acousonde B003A-HF數(shù)據(jù)記錄儀應(yīng)用于滑翔機(jī)進(jìn)行被動(dòng)聲學(xué)測(cè)量，進(jìn)而研究風(fēng)對(duì)水下環(huán)境噪聲的影響。Brain等[6]開發(fā)了一種單水聽器水聲環(huán)境探測(cè)系統(tǒng)，搭載在水下滑翔機(jī)上用于監(jiān)視水下聲環(huán)境。楊志國(guó)等[7]通過低噪聲自容式水聽器測(cè)量了波浪滑翔機(jī)的自噪聲，并捕捉到了水下生物信號(hào)。上述研究工作表明，在研制水聲測(cè)量系統(tǒng)時(shí)，工程師往往需要在工作周期、性能、采樣率、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量、功耗幾個(gè)因素之間進(jìn)行平衡。更大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量和更高的處理器性能可以為滑翔機(jī)帶來更長(zhǎng)的工作周期，為測(cè)量系統(tǒng)帶來更強(qiáng)的數(shù)據(jù)采集能力，與此同時(shí)卻又增加了功耗，減少了水下滑翔機(jī)的續(xù)航時(shí)間。所幸，微處理器和閃存技術(shù)的快速發(fā)展為開發(fā)高采樣率、長(zhǎng)工作周期、低功耗的水聲測(cè)量系統(tǒng)創(chuàng)造了可能。

本文設(shè)計(jì)的是一種裝備于水下滑翔機(jī)的新型噪聲測(cè)量系統(tǒng)。它的電路部分采用 STM32作為主控，高容量SD卡作為存儲(chǔ)介質(zhì)，系統(tǒng)具有功耗低、體積小、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。搭載在國(guó)內(nèi)某型水下滑翔機(jī)平臺(tái)上，完成海上噪聲測(cè)量試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：測(cè)量系統(tǒng)穩(wěn)定，功耗較低，測(cè)量數(shù)據(jù)可靠。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 總體概述

本文設(shè)計(jì)的水下滑翔機(jī)聲學(xué)測(cè)量系統(tǒng)包括水聽器、模擬信號(hào)放大、數(shù)據(jù)采樣、存貯和通信等幾部分。其中水聽器經(jīng)計(jì)量標(biāo)定，前置放大倍數(shù)為50倍，要求自噪聲低。聲學(xué)測(cè)量系統(tǒng)整體工作示意圖如圖1所示。

圖1 聲學(xué)測(cè)量系統(tǒng)工作流程示意圖Fig.1 Working procedure of the acoustic measurement system

聲學(xué)測(cè)量系統(tǒng)由水聽器、前置放大單元、程控放大單元、采集存儲(chǔ)單元以及數(shù)據(jù)分析等部分組成。環(huán)境噪聲首先由水聽器獲取，然后經(jīng)過前置放大、程控放大電路，最后進(jìn)入采集存儲(chǔ)系統(tǒng)，由采集存儲(chǔ)系統(tǒng)將數(shù)據(jù)持久固化到存儲(chǔ)器中，后期通過計(jì)算機(jī)分析噪聲數(shù)據(jù)。

采集系統(tǒng)以ST公司的STM32F405RGT6為主控，并和程控增益模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、存儲(chǔ)模塊等構(gòu)成硬件系統(tǒng)，采用FAT文件系統(tǒng)以及SD卡完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，通過RS232接口與上位機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)反饋、控制工作、增益控制等操作。采集系統(tǒng)整體功能如圖2所示。

圖2 水下滑翔機(jī)聲學(xué)測(cè)量系統(tǒng)框圖Fig.2 Block diagram of the acoustic measurement system for underwater glider

工作流程如下：水聽器接收到的模擬信號(hào)前置放大后，首先進(jìn)入程控增益電路，并在單片機(jī)(Micro Controll Unit, MCU)的控制下進(jìn)行程控放大，之后信號(hào)進(jìn)入AD采樣電路，經(jīng)AD采樣之后，通過直接存儲(chǔ)器訪問(Direct Memory Access, DMA)通道存儲(chǔ)到SD卡中，系統(tǒng)通過RS232串口接收指令。實(shí)時(shí)時(shí)鐘(Real Time Clock, RTC)電路為SD卡的文件系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)時(shí)鐘，電源模塊實(shí)現(xiàn) DC-DC轉(zhuǎn)換，為采集提供電源。

1.2 硬件設(shè)計(jì)

1.2.1 程控增益電路

不同海域的噪聲強(qiáng)度并不一樣，通過軟件命令調(diào)整增益可以在一定程度上提高系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性。增益的調(diào)整在硬件上通過程控增益電路實(shí)現(xiàn)。通過控制該電路可以對(duì)輸入信號(hào)加以不同的增益。程控放大器采用LINEAR公司的LTC6911IMS-2，它是一款采用微型小外形封裝(Miniature Small Outline Package, MSOP)封裝的雙通道低噪聲數(shù)字可編程增益放大器，具有控制簡(jiǎn)單，體積小等優(yōu)點(diǎn)，其典型應(yīng)用電路如圖3所示。

圖3 雙通道低噪聲數(shù)字可編程放大器(LTC6911IMS-2)示意圖Fig.3 Schematic diagram of dual channel low noise digital programmable gain amplifier (LTC6911IMS-2)

LTC6911IMS-2的匹配增益可以通過程序控制3位數(shù)字輸入管腳(G0、G1、G2)的電平狀態(tài)進(jìn)行增益變換，不同的電平狀態(tài)對(duì)應(yīng)的具體放大倍數(shù)如表1所示。

表1 LTC6911IMS-2放大倍數(shù)Table1 The magnifications of LTC6911IMS-2

1.2.2 模-數(shù)轉(zhuǎn)換電路

系統(tǒng)采用TI公司的ADS1274模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，這是一款4通道的24位ΔΣ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，主要由ΔΣ調(diào)制器和數(shù)字降采樣濾波器組成，具有低功耗、低成本的特點(diǎn)[8]。

ADC的輸入時(shí)鐘頻率為 19.2 MHz，對(duì)應(yīng)的采樣率為75 KHz，并且，為ADC提供時(shí)鐘的TCXO晶振也能有效補(bǔ)償由于溫度變化而引起的頻率漂移。同時(shí)，采用差分輸入方式，可以接收到更為微弱的輸入信號(hào)。

1.2.3 存儲(chǔ)模塊

SD卡是適合于MCU的大容量存儲(chǔ)介質(zhì)，支持SDIO/SPI驅(qū)動(dòng)模式，體積也較小，適合用于對(duì)體積大小要求高的水下滑翔機(jī)。使用傳輸速度更快的SDIO模式來驅(qū)動(dòng)SD卡[9]。在SDIO總線上有兩張SD卡，分別通過兩個(gè)雙向電平轉(zhuǎn)換芯片TXS0108E連接至MCU的SDIO接口，硬件連接如圖4所示(以一張SD卡為例)。

圖4 SD卡硬件連接Fig.4 The hardware connection of SD card

如果每4 096個(gè)采樣點(diǎn)組成一個(gè)數(shù)據(jù)包，每個(gè)采樣點(diǎn)的字長(zhǎng)為3 B，數(shù)據(jù)包頭長(zhǎng)為28 B。數(shù)據(jù)采樣率75 KHz，那么系統(tǒng)每秒鐘存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)為

選用容量為512 GB的SD卡存儲(chǔ)時(shí)間約為

根據(jù)理論估算，使用兩張容量為512 GB的SD卡大約可以工作52 d，滿足滑翔機(jī)水下長(zhǎng)期、大范圍噪聲測(cè)量的要求。

1.3 軟件設(shè)計(jì)

1.3.1 主程序設(shè)計(jì)

主程序工作流程如圖5所示。

圖5 主程序工作流程圖Fig.5 Flowchart of the main program

系統(tǒng)上電之后開始工作，首先進(jìn)行RTC、串口、SD卡、ADC等模塊的初始化，然后進(jìn)入死循環(huán)，不斷檢測(cè)是否接收到指令、緩存是否存滿、是否需要切換SD卡等情況。當(dāng)有指令發(fā)送進(jìn)來時(shí)系統(tǒng)進(jìn)入中斷服務(wù)程序處理指令，之后返回主程序繼續(xù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，如此循環(huán)往復(fù)。當(dāng)一張卡存滿時(shí)再開啟另外一張卡，以減少不必要的能源消耗。

1.3.2 SD卡初始化

在初始化SD卡之前，需要進(jìn)行FAT文件系統(tǒng)的移植工作。圖6是FAT文件系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)。

圖6 FatFs模塊的層次結(jié)構(gòu)Fig.6 The hierarchical structure of FatFs module

最頂層是應(yīng)用層，與用戶平臺(tái)相關(guān)的部分就是底層存儲(chǔ)媒介接口和實(shí)時(shí)時(shí)鐘。移植時(shí)需要對(duì)ffconf.h和diskio.c進(jìn)行配置。移植完成之后，再對(duì)SD卡進(jìn)行初始化，就可以方便地調(diào)用 FatFs的f_open、f_read等API函數(shù)。

驅(qū)動(dòng)SD卡首先要對(duì)其進(jìn)行初始化。初始化完成后，讀寫操作較為簡(jiǎn)單，只需編寫四個(gè)底層讀/寫函數(shù) SD_ReadBlock、SD_ReadMultiBlocks、SD_WriteBlock、SD_WriteMultiBlocks，兩個(gè)供 FatFs調(diào)用的接口函數(shù)SD_ReadDisk、SD_WriteDisk[9]。

1.3.3 指令處理

本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，MCU通過一個(gè) RS232串口實(shí)現(xiàn)對(duì)外通信，通過此串口，MCU可以向水下滑翔機(jī)反饋系統(tǒng)當(dāng)前的工作狀態(tài)，接收來水下滑翔機(jī)的增益控制以及控制工作的指令。

當(dāng)MCU接收到改變?cè)鲆娴闹噶詈髮?duì)指令進(jìn)行解析，根據(jù)指令中的增益值去改變?cè)鲆嫦嚓P(guān)標(biāo)志位，后臺(tái)系統(tǒng)通過查詢這個(gè)標(biāo)志位進(jìn)而改變LTC6911IMS-2增益控制管腳G0、G1、G2的電平狀態(tài)。當(dāng)G0、G1、G2全部設(shè)置為全0時(shí)，系統(tǒng)將停止采集工作，也不會(huì)存儲(chǔ)任何數(shù)據(jù)。

1.4 低功耗設(shè)計(jì)

低功耗設(shè)計(jì)方面，一是通過器件選型盡可能地降低能源消耗，另外通過提高 DC-DC電路的能源轉(zhuǎn)換效率提高能源利用率。

經(jīng)過調(diào)查和分析，模-數(shù)轉(zhuǎn)換芯片選用了ADS1274，相比其他結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換器，ΔΣ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADS1274能在相同的功耗下實(shí)現(xiàn)更高的采樣率；存儲(chǔ)介質(zhì)選用SD卡，能源消耗相對(duì)硬盤等存儲(chǔ)介質(zhì)非常低；主控選用STM32F405GR6，相比常用的DSP芯片TMS320C6748，能夠以更低的功耗完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及命令響應(yīng)任務(wù)。兩款芯片的典型功耗如表2所示。

表2 器件典型功耗對(duì)比Table 2 Comparison of typical power consumption of devices

電源部分，通過使用脈沖頻率調(diào)制(Pulse frequency modulation, PFM)技術(shù)和不連續(xù)導(dǎo)通模式(Discontinuous Conduction Mode, DCM)控制策略的LM43602，可以實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的轉(zhuǎn)換效率，提高了能源利用率，減少外圍電路的元器件，也在一定程度上減少了能源消耗。

2 試驗(yàn)研究

2.1 穩(wěn)定性試驗(yàn)

為驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了一周的無(wú)故障烤機(jī)測(cè)試。以信號(hào)源向系統(tǒng)輸入電壓20 mV(峰峰值)，頻率2 kHz的正弦差分信號(hào)，并不定期地通過串口向采集系統(tǒng)下達(dá)改變?cè)鲆娴拿?，最后分析所存?shù)據(jù)。

系統(tǒng)默認(rèn)的增益為32，選取當(dāng)前增益下的數(shù)據(jù)繪出時(shí)域圖，如圖7所示。

圖7 默認(rèn)增益下的時(shí)域波形Fig.7 Time domain waveform for the default gain

可以看出，所選兩個(gè)采樣點(diǎn)之間相隔 5 個(gè)周期，以75 kHz的采樣頻率計(jì)算，波形的頻率為

與原始信號(hào)的頻率基本相等。

觀察增益從32切換到64的數(shù)據(jù)，如圖8所示。

圖8 增益切換到64時(shí)的時(shí)域波形Fig.8 Time domain waveform when the gain is switched to 64

可以看到，發(fā)送至采集系統(tǒng)的命令得到了響應(yīng)并被正確執(zhí)行。

2.2 功耗測(cè)量

分別測(cè)試采集系統(tǒng)在空載以及掛載水聽器之后的功耗，結(jié)果如表3所示。

表3 系統(tǒng)功耗Table 3 The power consumption of the system

在使用TMS320C6748低功耗DSP芯片為基礎(chǔ)的系統(tǒng)中，僅DSP芯片自身的峰值功耗就已經(jīng)達(dá)到了 660 mW，再加上采樣、存儲(chǔ)等部分的功率消耗，總功耗通常約為1 W。

本文所設(shè)計(jì)的這套采用 STM32并簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，正常工作時(shí)功耗為 728 mW，相比一般的DSP測(cè)量系統(tǒng)，功耗降低約27.2%，效果明顯。由280 Ah容量的電池組供電，預(yù)計(jì)可以為水下滑翔機(jī)延長(zhǎng)90 h左右的續(xù)航時(shí)間。

2.3 海上噪聲測(cè)量

2019年下半年，在某海域進(jìn)行了海洋環(huán)境噪聲的測(cè)量試驗(yàn)。在該海域內(nèi)，水下滑翔機(jī)以不同的速度和深度航行，測(cè)得了海洋背景噪聲數(shù)據(jù)。圖9和圖10所示分別是實(shí)際海試時(shí)在110 m深度下的噪聲時(shí)域圖和頻譜圖。

圖9 某海域背景噪聲原始時(shí)域信號(hào)(110 m深)Fig.9 Original background noise signal at a depth of 110 m in a specific sea area

圖10 某海域背景噪聲信號(hào)的頻譜(110 m深)Fig.10 Background noise spectrum at a depth of 110 m in a specific sea area

在整個(gè)海試過程中，測(cè)量系統(tǒng)工作穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)異常情況，實(shí)際海上試驗(yàn)的結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的噪聲測(cè)量系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)定性。

3 結(jié) 論

本文針對(duì)水下滑翔機(jī)，研究、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一種用于觀測(cè)海洋環(huán)境噪聲的采集存儲(chǔ)系統(tǒng)，并開展了實(shí)際的海上噪聲測(cè)量試驗(yàn)。結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有功耗低、體積小、重量輕、自動(dòng)化程度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，在海洋噪聲測(cè)量應(yīng)用中有較好的應(yīng)用前景。