程思源，齊 華，鄭 琨，孫辰奇

（1.西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，陜西西安 710021；2.西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院，陜西西安 710068；3.廣西師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息工程學(xué)院，廣西桂林 541006）

自21 世紀(jì)以來(lái)，世界各國(guó)因海洋主權(quán)問(wèn)題引起的爭(zhēng)端愈演愈烈，海洋資源對(duì)于一個(gè)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和戰(zhàn)略地位至關(guān)重要，因此海洋資源的開(kāi)發(fā)與研究成為了各個(gè)國(guó)家關(guān)注的重點(diǎn)。

該文基于浮標(biāo)平臺(tái)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款水聲信號(hào)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)以高性能STM32 芯片[1-2]為核心，實(shí)現(xiàn)了高穩(wěn)定性的數(shù)據(jù)采集、傳輸和控制功能，提高了水聲采集系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性；該系統(tǒng)具有上位機(jī)，將采集系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)采集數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)控制采集系統(tǒng)狀態(tài)的功能。該文設(shè)計(jì)的水聲信號(hào)采集系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)質(zhì)量高、信號(hào)干擾小，同時(shí)采集過(guò)程可控，采集效率和時(shí)效性得到了提升。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

水聲信號(hào)采集系統(tǒng)的主控芯片采用意法半導(dǎo)體公司的STM32F407ZGT6 芯片，系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。系統(tǒng)主要由四通道水聽(tīng)器、微弱信號(hào)預(yù)處理模塊、水聲信號(hào)采集系統(tǒng)主控芯片、電源供電模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊和上位機(jī)構(gòu)成。系統(tǒng)在工作時(shí)，首先將水聽(tīng)器接收到的差分模擬水聲信號(hào)，經(jīng)過(guò)微弱信號(hào)預(yù)處理模塊中的放大、濾波和A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)行采集處理[3-6]，最終將A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)傳輸至水聲信號(hào)采集系統(tǒng)的主控芯片中；系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信模塊與上位機(jī)進(jìn)行以太網(wǎng)通信，在本地上位機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)檢測(cè)與遠(yuǎn)程系統(tǒng)管理控制的功能。

圖1 水聲信號(hào)采集系統(tǒng)總框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要包括電源供電模塊設(shè)計(jì)、微弱信號(hào)預(yù)處理模塊設(shè)計(jì)和網(wǎng)絡(luò)通信模塊設(shè)計(jì)。

2.1 電源供電模塊設(shè)計(jì)

考慮到系統(tǒng)中各個(gè)模塊供電電壓的多樣性，為保證系統(tǒng)在水下未知環(huán)境下能正常工作，該系統(tǒng)采用DC 24 V 的基準(zhǔn)電壓，首先采用兩片TPS5430 芯片設(shè)計(jì)24 V 電源穩(wěn)壓降壓電路，產(chǎn)生+12 V 和-12 V為微弱信號(hào)預(yù)處理模塊中運(yùn)算放大器進(jìn)行供電，原理圖如圖2 所示；其次采用MP2359 芯片以及AMS1117-3.3芯片[7]對(duì)+12 V電壓進(jìn)行處理，輸出5 V、3.3 V 主要為A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、水聲信號(hào)采集主控芯片、網(wǎng)絡(luò)通信模塊進(jìn)行供電。原理圖如圖3 所示。

圖2 DC 24 V轉(zhuǎn)+12 V與-12 V原理圖

圖3 +12 V轉(zhuǎn)5 V、3.3 V原理圖

2.2 微弱信號(hào)預(yù)處理模塊設(shè)計(jì)

水聽(tīng)器接收到的信號(hào)一般為微伏級(jí)模擬信號(hào)，為了保證水聲采集數(shù)據(jù)的有效性，需要對(duì)四通道水聽(tīng)器采集信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，并要求盡可能控制微弱水聲信號(hào)幅度相位相對(duì)穩(wěn)定。微弱信號(hào)預(yù)處理結(jié)構(gòu)框圖如圖4 所示，該模塊主要由前置放大模塊、多級(jí)可控放大模塊、濾波模塊與A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊組成。

圖4 微弱信號(hào)預(yù)處理結(jié)構(gòu)框圖

2.2.1 前置放大模塊

該部分設(shè)計(jì)采用高精度、低噪聲運(yùn)算放大器，對(duì)水聽(tīng)器輸出信號(hào)進(jìn)行耦合并放大。前置放大電路輸入的一般是電壓量級(jí)為10-6V 的模擬微弱小信號(hào)，經(jīng)過(guò)前置放大模塊[8]進(jìn)行100 倍的固定增益放大，滿足小信號(hào)的耦合傳輸需求。原理圖如圖5 所示。

圖5 前置放大模塊原理圖

2.2.2 多級(jí)可控放大模塊

該系統(tǒng)多級(jí)可控放大模塊由四片ADA4077 芯片構(gòu)成，其中第一個(gè)和第二個(gè)運(yùn)算放大模塊分別設(shè)計(jì)為20 dB 的固定增益，由外圍的輸入電阻和反饋電阻構(gòu)成放大電路；第三個(gè)和第四個(gè)運(yùn)算放大模塊分別設(shè)計(jì)為增益不低于20 dB 的增益可調(diào)模塊[9]，其輸入電阻的阻值固定，反饋電阻使用數(shù)字電位計(jì)，由主控芯片控制實(shí)現(xiàn)增益可調(diào)。固定放大模塊原理圖如圖6 所示。

可控放大模塊放大增益主要由數(shù)字電位計(jì)控制，數(shù)字電位計(jì)RC相當(dāng)于可以由主控芯片發(fā)送的程序指令控制檔位的滑動(dòng)變阻器[10]，位于放大電路的反饋電阻部分，和放大電路的輸入電阻R構(gòu)成反相放大器，其放大倍數(shù)表示為G=-RCR（負(fù)號(hào)表示信號(hào)的相位翻轉(zhuǎn)180°）。通過(guò)調(diào)整二者的比例關(guān)系，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬信號(hào)的放大或者衰減，當(dāng)RC>R時(shí)，|G|>0，可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大；當(dāng)RC

圖7 可控放大模塊原理圖

根據(jù)上述前置放大模塊與多級(jí)可控放大模塊描述可知，最終該系統(tǒng)理論固定放大增益為80 dB，動(dòng)態(tài)可控增益范圍為40 dB，最大放大增益為120 dB。滿足對(duì)微伏量級(jí)水聲小信號(hào)的放大處理要求。

2.2.3 濾波模塊

由于水聲信號(hào)的頻率范圍很寬，從水聲采集系統(tǒng)的使用角度來(lái)說(shuō)，100 Hz 到20 kHz 的信號(hào)都在采集處理的頻帶范圍之內(nèi)。該系統(tǒng)濾波模塊設(shè)計(jì)為運(yùn)放同相輸入端與RC 濾波器[11-12]結(jié)合，采用兩個(gè)二階高通有源濾波器和兩個(gè)二階低通有源濾波器級(jí)聯(lián)構(gòu)成的帶通濾波器電路，其中高通濾波器主要濾除水聽(tīng)器接收到的低頻噪聲和電源引入的工頻干擾，低通濾波器主要濾除PCB 板內(nèi)的高頻數(shù)字信號(hào)干擾，濾波模塊原理圖如圖8 所示。

圖8 濾波電路模塊原理圖

2.2.4 A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用AD7768-4 芯片作為A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換器[13-14]，芯片分辨率為24 bit，默認(rèn)采樣頻率為128 kHz，采樣率調(diào)節(jié)范圍為64～256 kHz。根據(jù)采樣定理與實(shí)際工程需求，設(shè)計(jì)A/D 采樣頻率必須大于或等于60 kHz，該A/D 采樣頻率范圍滿足要求，且在默認(rèn)頻率下信號(hào)輸入帶寬為55.4 kHz，滿足聲吶信號(hào)采集通頻帶大小要求。A/D 轉(zhuǎn)換芯片輸入范圍0～10 V，滿足接收來(lái)自微弱信號(hào)預(yù)處理模塊的最終輸出信號(hào)。

2.3 網(wǎng)絡(luò)通信模塊設(shè)計(jì)

水聲信號(hào)采集系統(tǒng)主控芯片內(nèi)部自帶以太網(wǎng)媒體接入控制器(MAC)[15]，底層物理層組成缺少物理接口收發(fā)器(PHY)，因此該系統(tǒng)采用LAN8720 芯片作為PHY。LAN8720 芯片首先采用RMII 接口方式與主控芯片進(jìn)行連接，其次連接一個(gè)RJ45 接口用于與上位機(jī)進(jìn)行以太網(wǎng)通信。原理圖如圖9 所示。

圖9 網(wǎng)絡(luò)通信模塊原理圖

該系統(tǒng)以太網(wǎng)通信帶寬設(shè)計(jì)為10 Mbps，滿足以太網(wǎng)通信帶寬大于四通道水聲信號(hào)同步數(shù)據(jù)傳輸帶寬的工程設(shè)計(jì)要求。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包含水聲采集主控軟件設(shè)計(jì)和上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。

3.1 水聲信號(hào)采集主控軟件設(shè)計(jì)

水聲信號(hào)采集主控軟件設(shè)計(jì)的主要功能是采集水聲信號(hào)，將水聲信號(hào)的采集數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)打包發(fā)送至上位機(jī)，并且響應(yīng)上位機(jī)下發(fā)的控制命令。具體流程框圖如圖10 所示。首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化操作，各個(gè)系統(tǒng)模塊上電；其次水聲信號(hào)采集主控芯片采集并接收到來(lái)自水聽(tīng)器經(jīng)過(guò)微弱信號(hào)預(yù)處理模塊處理后的水聲數(shù)據(jù)；然后將水聲數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)打包上傳至上位機(jī)，上位機(jī)根據(jù)實(shí)際情況對(duì)主控系統(tǒng)進(jìn)行控制，若主控系統(tǒng)接收到控制命令則根據(jù)上位機(jī)最新控制命令改變主控系統(tǒng)狀態(tài)；若未接收控制命令，則主控系統(tǒng)繼續(xù)工作；最后采集板斷電，系統(tǒng)結(jié)束工作。

圖10 水聲信號(hào)采集主控軟件流程圖

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)采用VS2017（Microsoft Visual Studio 2017）軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)進(jìn)行上位機(jī)設(shè)計(jì)，采用基于WIN32 的MFC 窗口應(yīng)用程序，使用了較多控件來(lái)實(shí)現(xiàn)該設(shè)計(jì)的要求。該軟件主要具有數(shù)據(jù)接收處理[16]與控制采集系統(tǒng)的功能。上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖11 所示，首先上位機(jī)軟件初始化；然后上位機(jī)開(kāi)始接收由主控系統(tǒng)上傳的水聲數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)水聲信號(hào)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理與分析，對(duì)水聲信號(hào)采集系統(tǒng)進(jìn)行控制狀態(tài)調(diào)整，向采集系統(tǒng)下發(fā)控制命令。

圖11 上位機(jī)軟件流程圖

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

4.1 多級(jí)可控放大測(cè)試

多級(jí)可控放大測(cè)試方式是先確定多級(jí)可控放大模塊的放大倍數(shù)，使用電腦通過(guò)JTAG 仿真器向單片機(jī)發(fā)送相應(yīng)的增益指令，改變數(shù)字電位計(jì)的電阻值，然后將電路接入信號(hào)發(fā)生器和示波器測(cè)量此時(shí)的實(shí)際放大倍數(shù)，并與理論值進(jìn)行對(duì)比。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，實(shí)測(cè)固定放大增益為80.5 dB，動(dòng)態(tài)可控增益范圍為40.7 dB，系統(tǒng)最大增益為121.2 dB，滿足多級(jí)可控放大模塊性能設(shè)計(jì)需求[17]。

4.2 濾波特性測(cè)試

對(duì)10 Hz 至30 kHz 信號(hào)頻率進(jìn)行測(cè)量，記錄多次測(cè)量結(jié)果并繪制頻響特性曲線，多個(gè)頻率輸出幅度增益表與頻響曲線如圖12 所示，實(shí)測(cè)結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。

圖12 濾波電路模塊實(shí)測(cè)頻響曲線

4.3 通道一致性測(cè)試

通道一致性采用的測(cè)試方法是使用信號(hào)發(fā)送器同時(shí)對(duì)四個(gè)通道信號(hào)預(yù)處理模塊輸入相同頻率和幅度的正弦信號(hào)，待水聲采集系統(tǒng)正常工作后分別采用示波器與相位計(jì)測(cè)量四個(gè)通道輸出信號(hào)的幅度與相位。以第一通道輸出信號(hào)作為參考信號(hào)，對(duì)比計(jì)算出其他三個(gè)通道的幅度差與相位差。為了更好地驗(yàn)證通道一致性，采用三種不同頻率的正弦輸入信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1 所示。

表1 通道一致性測(cè)試結(jié)果

由測(cè)量結(jié)果可知，四路通道的幅度差可以控制在±0.2 V 內(nèi)，即幅度誤差率為±2.5%。相位差可以控制在±0.3°內(nèi)，滿足各通道相位誤差小于等于±0.5°的工程應(yīng)用要求。

5 結(jié)論

該文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸、以STM32F407ZGT6 單片機(jī)為主控的四通道水聲信號(hào)采集系統(tǒng)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試證明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)水聲信號(hào)的采集預(yù)處理和監(jiān)測(cè)控制功能。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本低、操作簡(jiǎn)易，在海洋信息采集領(lǐng)域具有極強(qiáng)的參考價(jià)值與通用性。進(jìn)一步研究表明，在采集系統(tǒng)與以太網(wǎng)通信技術(shù)結(jié)合后，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性得到提高，系統(tǒng)功能更加全面。