OMAP平臺嵌入式聲學多普勒流速剖面儀系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

石靖鵬，彭東立，朱安玨

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OMAP平臺嵌入式聲學多普勒流速剖面儀系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

石靖鵬，彭東立，朱安玨

(中國科學院聲學研究所東海研究站，上海 200032)

在TI公司OMAP-L137雙核平臺的基礎上，對嵌入式聲學多普勒測流系統(tǒng)進行設計和實現(xiàn)，并通過實驗對系統(tǒng)測流精度和性能進行驗證。先通過中頻正交采樣構建回波復包絡信號，再采用復相關算法檢測信號的頻移進行流速測量。在文中對算法進行了研究和原理分析。OMAP中的DSP核主要負責回波處理，系統(tǒng)設計包括系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)通信、信號處理等。結(jié)合仿真測試，并通過某湖水下實驗對設備進行了精度和性能驗證，獲得了良好的測流效果并且系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)定性，達到了預期的設計指標。對于嵌入式平臺水聲設備的研制有一定的參考價值。

開放式多媒體應用平臺；復相關測頻；中頻正交采樣；

0 引言

近年來，隨著我國在水資源環(huán)保和利用的投入加大，以及高性能小型化的水聲設備研發(fā)技術的進步，聲學多普勒流速剖面儀(Acoustic Doppler Current Profiler, ADCP)有著廣泛的應用前景。開放式多媒體應用平臺(OMAP)是一種為滿足移動多媒體信息處理及無線通信應用開發(fā)出來的高性能、高集成度嵌入式處理器，通常包括一個或多個ARM構架處理器和專用協(xié)處理器，為研發(fā)人員提供了一個可擴展、高性能的超低功耗平臺，既改善了DSP的外部控制能力的不足，也彌補了普通ARM處理器無法快速處理大量數(shù)據(jù)的不足。

寬帶多普勒測流(BroadBand Acoustic Doppler Current Profiler, BBADCP)關鍵是對多普勒頻移的測量，通常發(fā)射和接收信號之間的頻率變化很小，快速傅里葉變換由于其頻率分辨力的影響，不適合在低信噪比情況下測頻?；谧V矩理論的復相關算法[1]可以在低信噪比情況下快速精確地進行測頻。本文在OMAP-L137平臺基礎上，對寬帶多普勒測流系統(tǒng)中的數(shù)字信號處理系統(tǒng)進行了設計與實現(xiàn)，主要介紹DSP端的信號采集以及處理模塊設計，ARM作為主控端，負責對DSP的數(shù)據(jù)結(jié)果進行后處理以及系統(tǒng)控制等。

1 基本原理

1.1 復相關測頻

由維納-辛欽定理可知，信號的功率譜密度函數(shù)和自相關函數(shù)互為一對傅里葉變換對，即：

將式(4)、(5)同時代入式(2)，可得

即可得頻率為

1.2 數(shù)字中頻正交采樣

復相關測頻方法中，對信號做復相關之前需要構造測頻信號的復包絡表達形式，這可以采用正交調(diào)制的方法，文中采用數(shù)字中頻正交采樣[2]的方法構造復包絡信號。

兩路正交分量由采樣信號交替抽取得到，時間上相差一個采樣周期，但在信號處理時需要兩路信號在同一時刻的值，故對其可以采取時域的插值或者頻域的濾波，文中采取時域插值法以簡化計算，采樣率中取2，具體框圖如圖1所示。

圖1 數(shù)字中頻正交采樣框圖

2 軟件系統(tǒng)設計

本文基于OMAP-L137平臺[3]進行系統(tǒng)設計，OMAP-L137為雙核芯片，包含一個ARM926EJ-S和一個TMS320C674x DSP芯片。在軟件架構中，ARM核為系統(tǒng)的主控端，負責外設控制、系統(tǒng)狀態(tài)的檢查、數(shù)據(jù)的后處理以及數(shù)據(jù)交互等工作；DSP核負責信號采集、復相關測頻以及數(shù)據(jù)處理等，具體的架構框圖如圖2所示。下面著重介紹DSP端的數(shù)字信號處理系統(tǒng)設計和實現(xiàn)。

圖2 數(shù)字信號處理架構圖

2.1 DSP系統(tǒng)平臺

DSP上的信號處理系統(tǒng)基于TI的DSP/BIOS實時內(nèi)核，它具有很多實時嵌入式操作系統(tǒng)的功能，如任務調(diào)度、任務間的同步和通信、內(nèi)存管理、實時時鐘管理、中斷服務管理等。DSP/BIOS分為很多個模塊，提供的所有API函數(shù)都按照模塊分類，以模塊名加下劃線開頭來命名。同時，DSP/BIOS還需要配置相應的tcf文件，配置文件中包括內(nèi)存分配、時鐘、任務管理、中斷等相應的設置。

DSP啟動后首先進行一些初始化工作，main函數(shù)執(zhí)行完之后退出，隨后DSP/BIOS啟動接管系統(tǒng)。DSP/BIOS配置文件中共創(chuàng)建了五個任務：

(1) FPGA觸發(fā)信號控制；

(2) D/A數(shù)據(jù)輸出；

(3) 回波信號采集；

(4) 回波信號處理；

(5) 空閑循環(huán)任務；

任務的調(diào)度是由時鐘進行控制的，在配置文件中設置好時鐘周期，每隔一段時間觸發(fā)一個時鐘信號，DSP開始執(zhí)行信號的采集以及數(shù)據(jù)處理工作，信號處理完成后將結(jié)果數(shù)據(jù)再回傳給ARM端進行后處理。當沒有任務需要執(zhí)行時，DSP/BIOS會執(zhí)行空閑循環(huán)任務，直至軟硬件中斷搶占Idle循環(huán)得到執(zhí)行。

2.2 信號的采集控制

DSP端主要負責回波信號的處理，寬帶調(diào)制信號的編碼工作由一塊FPGA芯片完成，DSP端收到ARM端的執(zhí)行命令后便向FPGA產(chǎn)生觸發(fā)信號，并給出相應的信號編碼號，F(xiàn)PGA隨即產(chǎn)生相應的編碼信號至換能器輸出。

2.3 數(shù)據(jù)通信

軟件系統(tǒng)中的通信分為進程間通信和內(nèi)核間通信兩種。進程間通信通過信號量(Semaphore)以及郵件(Mailbox)兩種方式實現(xiàn)，信號量用來傳遞同步信號，主要是根據(jù)時鐘來控制，以保證進程間邏輯的有序性。內(nèi)核間通信是指ARM與DSP雙核之間的通信，用來傳輸系統(tǒng)指令和測流的計算結(jié)果數(shù)據(jù)。

文中雙核通信是基于DSPLINK機制[4]來完成，作為GPP端的ARM核可以使用一套通用的API函數(shù)完成，而在DSP端的API函數(shù)是基于DSP/BIOS內(nèi)核上的SIO、GIO、MSGQ模塊實現(xiàn)。雙核之間數(shù)據(jù)傳輸采用內(nèi)存共享機制，MSGQ發(fā)送的是共享的內(nèi)存區(qū)的地址指針。ARM為DSP分配相應的readbuf和writebuf數(shù)據(jù)區(qū)，DSP收到消息后首先去讀取readbuf獲取控制指令，執(zhí)行完信號處理后將數(shù)據(jù)寫入writebuf，再通過MSGQ通知ARM核讀取數(shù)據(jù)。無論何種工作模式下，雙核間的通信每個時鐘周期都會進行一次，以保證系統(tǒng)狀態(tài)和數(shù)據(jù)的實時性，通過內(nèi)存共享的通信可以避免傳輸大量數(shù)據(jù)導致的通信阻塞，從而保證DSP端的進程穩(wěn)定。

2.4 信號處理

軟件系統(tǒng)中信號處理任務被設計成獨立的線程，根據(jù)收到的ARM指令去執(zhí)行復相關測頻算法，為保證測流數(shù)據(jù)的準確性，系統(tǒng)每個時鐘周期會讀取壓力、溫度以及姿態(tài)傳感器的數(shù)據(jù)。聲波在水中不同深度和溫度下的傳播速度都不一樣，測量壓力、溫度用來估算出聲速。一般ADCP都采用了Janus配置，可以測量出三維的流速數(shù)據(jù)，但船體的搖晃會影響波束的方向，系統(tǒng)測量的姿態(tài)數(shù)據(jù)用來校正波束角，以提高測流的精度。

C674x是一塊浮點DSP，可直接采用C語言編程實現(xiàn)。系統(tǒng)中的時鐘周期設置為0.5 s，為提高數(shù)據(jù)的處理效率，軟件設計中對算法的流程進行了一定的優(yōu)化，例如將濾波器的參數(shù)預設進程序，不同發(fā)射信號的參數(shù)制成預設查找表，對公式計算進行等效替換減小計算量，優(yōu)化程序邏輯結(jié)構等。信號處理進程在啟動后一直執(zhí)行，大致流程如圖3所示。

圖3 信號處理線程工作流程圖

3 實驗結(jié)果及分析

ADCP設備的工作頻率為300 kHz，設計指標為測量相對誤差<1%，且OMAP的雙核特性保證了ADCP可以在處理數(shù)據(jù)的同時，能夠與PC機進行數(shù)據(jù)和控制交互，且不影響測流的穩(wěn)定性。為驗證測流精度以及嵌入式系統(tǒng)的穩(wěn)定性，先后進行了算法軟件仿真，設備模擬電聯(lián)調(diào)和某湖水下實驗。湖試中利用GPS標定船速以及航跡，由于該湖為人工湖，水體流動性差，觀測水深約為水下20 m處，上層水體的流動以及水中氣泡等影響較小，可近似認為ADCP測得水速即為船速，再以GPS數(shù)據(jù)為參考進行對比，統(tǒng)計測流的精度值。

實驗船正常航速在4~11 kn之間，在不同船速和層厚下進行了對水測速。若層厚為2 m，設定船速為8 kn，在同一水域進行“順逆順”三次測量，最后計算該水域的綜合測量結(jié)果。湖試前，在Matlab上進行了仿真，設定水流為4 m/s，不考慮設備噪聲以及回波自噪聲等干擾，只模擬單列回波信號，加高斯白噪聲進行仿真，信噪比為20 dB，連續(xù)400次測試并記錄瞬時速度以及數(shù)據(jù)平滑后的速度。仿真得瞬時速度平均值為4.024 m/s，瞬時標準差為0.004 m/s，均方根誤差為0.0245 m/s，均滿足指標要求，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 400次仿真速度曲線

以實驗中設定船速為8 kn的一次測量為例，采用與上述仿真相同的發(fā)射信號，GPS測得船速平均為7.917 kn，約4.07 m/s，ADCP測得20 m深水層流速曲線如圖5所示，從圖中可見，實際水文環(huán)境下測量得到的瞬時速度曲線波動性比仿真結(jié)果大。

圖5 20m深水層ADCP測量結(jié)果曲線

綜合該水域三次測量，統(tǒng)計平均結(jié)果如表1所示。以GPS速度為標準，單次測量標準誤差在0.04 kn左右，去除水流影響后綜合平均誤差為0.013 kn，相對誤差都在1%以內(nèi)。

水下測試會受到水文環(huán)境多樣性的影響，瞬時速度曲線可能會表現(xiàn)出抖動較大，結(jié)果數(shù)據(jù)的輸出應對瞬時速度進行平滑降噪處理，以減小數(shù)據(jù)的抖動。特別在層厚較大的情況下，層內(nèi)某一深度的水文波動可能會影響到這一層的測流結(jié)果。

表1 同一水域測速統(tǒng)計平均結(jié)果

某一組在8 m分層厚度，設定船速4 kn的測試中，同樣觀測20 m水深為中心的水層，瞬時速度值在某一時刻出現(xiàn)了較大的突變，而整體速度曲線相對比較平穩(wěn)，可以判定速度突變點為野點，在統(tǒng)計數(shù)據(jù)時應采用合適的平滑算法降低個別野點對整體數(shù)據(jù)變化的影響。該組數(shù)據(jù)GPS測得平均速度為4.34 kn，約2.23 m/s，若不對野點進行處理，統(tǒng)計得到流速標準誤差為0.091 m/s，相對誤差達到了4%。采用平滑算法后，極大地降低了野點對整體數(shù)據(jù)的影響，速度曲線相對比較平穩(wěn)，統(tǒng)計得到平滑后的輸出流速標準誤差為0.014 m/s，相對誤差降為0.6%，該組實驗測量速度曲線圖如圖6所示。

圖6 包含野點數(shù)據(jù)速度曲線變化

此外，在其他船速和層厚下，采用不同的發(fā)射信號同樣對ADCP的性能進行了驗證。實驗統(tǒng)計結(jié)果表明，測量相對誤差均能夠達到設計指標，且設備能夠連續(xù)正常地工作，驗證了嵌入式系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

本文對寬帶多普勒測流基本算法原理進行了研究分析，并在OMAP-L137平臺上設計和實現(xiàn)了信號處理系統(tǒng)，著重對DSP端的系統(tǒng)架構和功能模塊進行了介紹。通過算法的仿真以及設備湖試，實驗結(jié)果表明設備在實際水文環(huán)境中的測量誤差可以滿足設計指標，驗證了測頻算法的性能，同時也驗證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對嵌入式水聲設備研發(fā)有一定的參考價值。

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LI Yilu. Design of ADCP system on embedded processor and signal optimization[D]. Dalian: Dalian University of Technology. 2007. 10.

Design and implementation of embedded acoustic Doppler current profiler system based on OMAP platform

SHI Jing-peng, PENG Dong-li, ZHU An-jue

(Shanghai Acoustics Laboratory, Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200032, China)

The embedded Acoustic Doppler Current Profiler (ADCP) system has been developed on the basis of TI OMAP-L137 dual-core platform, and the measurement precision and performance are verified by experiments. Building complex echo signal first through intermediate frequency quadrature sampling, and then deriving water velocities by detecting the frequency shifts with complex correlation algorithm, and the principle of the algorithm is studied in the paper. The DSP core of OMAP is mainly responsible for echo processing, system design including system control, data communication, signal processing, etc. Combining the simulation tests, precision and performance of the equipment are verified by underwater experiment in Qian Dao Lake. Good results of flow measurement and stability of system are obtained, and the desired design index is achieved, which has a certain reference value for the development of the embedded platform sonar equipment.

OMAP; complex correlation algorithm; quadrature sampling of intermediate frequency signal

TB556

A

1000-3630(2014)-03-0199-05

10.3969/j.issn1000-3630.2014.03.003

2014-03-28;

2014-05-02

石靖鵬(1990-), 男, 江蘇揚州人, 碩士研究生, 研究方向為信號 與信息處理。

石靖鵬, E-mail: sjpstone@126.com