自容式ADCP低功耗信號(hào)處理板

摘 要 聲學(xué)多普勒海流剖面儀（ADCP）是利用聲學(xué)多普勒原理設(shè)計(jì)，是目前世界上最先進(jìn)的一種流速流量實(shí)時(shí)測(cè)量設(shè)備。自容式ADCP中的信號(hào)處理板不但具有極強(qiáng)的數(shù)字實(shí)時(shí)處理能力，配有多種標(biāo)準(zhǔn)接口，而且還要實(shí)現(xiàn)低功耗，滿足自容式的要求。本文簡(jiǎn)要介紹了自行研制的自容式ADCP設(shè)備中信號(hào)處理板的特點(diǎn)、組成和相關(guān)軟硬件實(shí)現(xiàn)方法，重點(diǎn)介紹信號(hào)處理板的低功耗化的設(shè)計(jì)改進(jìn)。

【關(guān)鍵詞】OMAP-L138 MSP430 Linux操作系統(tǒng) 自容式ADCP

1 引言

聲學(xué)多普勒海流剖面儀（Acoustic Doppler Current Profiler，下稱ADCP）是目前國(guó)際上測(cè)量多層海流剖面的最有效方法，是海洋勘測(cè)領(lǐng)域的一項(xiàng)高新技術(shù)。其基本原理是向水中發(fā)射超聲波脈沖接收反射回波并計(jì)算其頻率偏移，根據(jù)多普勒頻移效應(yīng)可以精確地測(cè)量水流的流速流向。ADCP對(duì)于合理地開發(fā)利用水資源，使之造福予人類，實(shí)現(xiàn)自然界、社會(huì)和人類的可持續(xù)發(fā)展有著重要的意義。

本文所提的自容式ADCP為國(guó)內(nèi)自行研制的剖面儀，是在改進(jìn)傳統(tǒng)的測(cè)量方法和科學(xué)發(fā)展的信號(hào)處理技術(shù)的基礎(chǔ)上研制的新一代產(chǎn)品，相比第一代產(chǎn)品其效率提高幾十倍，準(zhǔn)確率也提高了很多，而且實(shí)現(xiàn)了低功耗，滿足自容式的要求。本項(xiàng)目研制的信號(hào)處理板，以TI公司的低功耗雙核處理器OMAP-L138和極低功耗MCU單片機(jī)MSP430為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)，滿足了自容式ADCP的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理及低功耗要求，并具有良好的擴(kuò)展性，是自容式ADCP產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵基礎(chǔ)。

信號(hào)處理板主要承擔(dān)著水聲信息的實(shí)時(shí)處理及對(duì)外接口通訊任務(wù)，具體完成高速數(shù)據(jù)采集、海底深度測(cè)算、海流剖面速度測(cè)量及對(duì)海底速度計(jì)算、值班電路等，同時(shí)完成發(fā)射信號(hào)、發(fā)射包絡(luò)信號(hào)等信號(hào)的產(chǎn)生，并負(fù)責(zé)水聲信息的交換。

2 技術(shù)指標(biāo)

AD：8路，16bits同步采樣，采樣頻率不小于600KHz，單端輸入幅度±10V；2路，16bits異步采樣，采樣頻率10Hz，單端輸入幅度0～5V；

DA：2路，16bits并行輸入，采樣頻率不小于2KHz， 單端輸出幅度±5V；

發(fā)射信號(hào)頻率：150KHz、75KHz、37.5KHz三種；

網(wǎng)口：1個(gè)10/100Mbps；

串口：4個(gè)獨(dú)立的RS232/RS422接口；

CAN2.0B接口：1個(gè)；

存儲(chǔ)盤：容量不小于32GB；

RTC：精確年誤差小于1分鐘；

功耗：工作狀態(tài)下小于2W。

3 基本結(jié)構(gòu)和組成

3.1 基本結(jié)構(gòu)

信號(hào)處理板原理功能框圖如圖1所示。

3.2 組成

根據(jù)自容式ADCP項(xiàng)目的設(shè)計(jì)要求，信號(hào)處理板的硬件設(shè)計(jì)主要由值班電路和數(shù)字信號(hào)處理電路組成。值班電路在本系統(tǒng)中主要完成對(duì)信號(hào)處理電路以及其它電路板的電源控制，完成整個(gè)系統(tǒng)的工作節(jié)拍控制及與上位機(jī)的數(shù)據(jù)通訊等。其組成框圖如圖2所示。數(shù)字信號(hào)處理電路主要完成發(fā)射信號(hào)等的產(chǎn)生、接收信號(hào)的采集和處理與存儲(chǔ)、對(duì)外通訊等功能。其組成框圖如圖3所示。

4 技術(shù)設(shè)計(jì)改進(jìn)

本信號(hào)處理板相比以前產(chǎn)品改動(dòng)還是比較大的，主要技術(shù)改進(jìn)電路有：DSP電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、信號(hào)產(chǎn)生電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路、接口控制電路、RTC電路等。這里主要介紹這幾個(gè)改進(jìn)電路。

4.1 DSP電路

DSP電路是以O(shè)MAP-L138處理器、MSP430單片機(jī)和可編程FPGA為核心組成的功能模塊。

其中OMAP-L138處理器集成了300MHz ARM926EJ-S內(nèi)核及300MHz C6748 VLIW DSP核，并提供了豐富的外設(shè)接口，主要負(fù)責(zé)數(shù)字信號(hào)處理功能；MSP430單片機(jī)選用資源比較豐富的型號(hào)MSP430F5438，功耗極低功能更強(qiáng)，值班電路的大部分功能就是由單片機(jī)內(nèi)部集成的模塊完成的，主要承擔(dān)值班電路的功能?？删幊唐骷﨔PGA選用ALTERA公司的CycloneIII系列，在本設(shè)計(jì)中主要用于系統(tǒng)的各電路邏輯時(shí)序控制，以及產(chǎn)生相應(yīng)的信號(hào)輸出等。

4.2 A/D轉(zhuǎn)換電路

信號(hào)處理板總共帶有8路高速數(shù)據(jù)同步采樣電路；另外2路分別用于溫度傳感器和壓力傳感器的模擬信號(hào)的采集。

該電路的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于將以往設(shè)備的采樣頻率150KHz、300KHz、600KHz三種要合并到一起。本方案中對(duì)采集軟件采用模塊化的設(shè)計(jì)，形成一個(gè)通用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，從而對(duì)輸入的采樣頻率沒(méi)有固定值的要求了。

我們選用的A/D轉(zhuǎn)換芯片為SPI串行接口高精度芯片AD7982，其最高采樣率可達(dá)到1Msps，可以實(shí)現(xiàn)多路級(jí)聯(lián)，很好的滿足項(xiàng)目要求。

4.3 信號(hào)產(chǎn)生電路

本設(shè)計(jì)中主要采用單頻信號(hào)和m 序列隨機(jī)相位編碼信號(hào)，在FPGA中產(chǎn)生，通過(guò)驅(qū)動(dòng)器輸出。在本設(shè)計(jì)中對(duì)FPGA的編程方法作了調(diào)整，只要編寫出最基本的信號(hào)，需要的重復(fù)次數(shù)由CPU來(lái)控制，這樣既方便試驗(yàn)，同時(shí)與以往測(cè)流設(shè)備可以兼容使用。

4.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路

在OMAP-L138上設(shè)計(jì)了一個(gè)32GB容量的miniSD卡，用于對(duì)原始數(shù)據(jù)等和處理結(jié)果的存儲(chǔ)，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)回放和分析。為此需要在CCS環(huán)境下及Linux操作系統(tǒng)下對(duì)大容量FAT32文件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，這樣非常方便SD卡上數(shù)據(jù)管理以及其與PC機(jī)的兼容數(shù)據(jù)讀寫，使得該板具有通用性。由于這方面的資料相對(duì)較少，設(shè)計(jì)有一定的難點(diǎn)。

4.5 RTC電路

RTC電路選用MAXIM公司的一款低成本超高精度實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS3232，它將晶體和溫度補(bǔ)償均集成在芯片內(nèi)部，提高了計(jì)時(shí)精度，甚至部分誤差可以小于20秒/一年。該芯片采用I2C接口，掛靠在MSP430單片機(jī)的UCB0接口上。endprint

4.6 接口控制電路

接口控制電路主要改進(jìn)是對(duì)CAN2.0接口的修改，采用一種新型低功耗的CAN控制芯片MCP2515，掛靠在SPI串行總線上，解決原來(lái)的SAJ1000控制器的接口效率和數(shù)據(jù)吞吐率低下的缺點(diǎn)，但需要對(duì)其驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行移植。另外增加了隔離電路，具有抗干擾性和防雷特性。

5 軟件設(shè)計(jì)

5.1 MSP430程序設(shè)計(jì)

根據(jù)值班電路的要求，需要對(duì)MSP430芯片進(jìn)行編程。本設(shè)計(jì)中充分利用MSP430單片機(jī)的“片上系統(tǒng)”資源優(yōu)勢(shì)，完成RTC程序、SPI總線驅(qū)動(dòng)程序、RS232/RS422串口程序、GPIO控制程序等，從而對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行供電電源控制、工作節(jié)拍控制以及數(shù)據(jù)通訊。

5.2 OMAP-L138軟件設(shè)計(jì)

我們已經(jīng)知道OMAP-L138處理器是雙內(nèi)核結(jié)構(gòu)。本設(shè)計(jì)中基于Linux操作系統(tǒng)的BSP板級(jí)支持軟件包，運(yùn)行在ARM端內(nèi)核，主要實(shí)現(xiàn)bootloader、Linux操作系統(tǒng)的內(nèi)核移植、根文件系統(tǒng)的創(chuàng)建及各種驅(qū)動(dòng)程序如SD卡設(shè)備、CAN接口驅(qū)動(dòng)等。

ARM端主要運(yùn)行基于Linux系統(tǒng)的非實(shí)時(shí)軟件，而DSP端則運(yùn)行高強(qiáng)度的實(shí)時(shí)算法運(yùn)算。值得一提的是，這兩端之間的數(shù)據(jù)交換是怎樣的呢？OMAP-L138芯片在芯片設(shè)計(jì)時(shí)采用的是共享內(nèi)存的機(jī)制，ARM端和DSP端都可以直接訪問(wèn)。它們之間的通訊，我們是利用TI公司提供的雙核通信模塊DSPLink的軟件架構(gòu)，以及CMem的共享內(nèi)存分配功能和CodecEngie工程管理，通過(guò)DSP端的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)DSP/BIOS和ARM端的Linux操作系統(tǒng)在通信上實(shí)現(xiàn)無(wú)縫的鏈接。

OMAP-L138應(yīng)用軟件由接口軟件、控制軟件和算法軟件三部分組成。其中接口軟件完成與值班電路間的接口控制；控制軟件根據(jù)接收到的指令和參數(shù)以及實(shí)際測(cè)量的航速、海深等參數(shù)，控制發(fā)射信號(hào)脈寬、周期和算法等；算法軟件完成相關(guān)海底回波信號(hào)的判別、提取和多普勒信息的分析，最后給出結(jié)果等?？傊?，整個(gè)應(yīng)用軟件比較復(fù)雜，是一個(gè)有機(jī)整體。

6 試驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種高性能、使用靈活的通用信號(hào)處理板，選用基于低功耗處理器和開放式Linux操作系統(tǒng)，保證了自容式ADCP的產(chǎn)品快速更新、成本降低、質(zhì)量的提高。

該板經(jīng)過(guò)水池試驗(yàn)和湖上試驗(yàn)，工作穩(wěn)定可靠，功耗極低，證明該板的設(shè)計(jì)是成功的，為自容式ADCP的產(chǎn)品化通用化提供技術(shù)支持和借鑒，同時(shí)具有較大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，有很好的推廣利用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]TI，OMAP-L138 Low-Power Applications Processor，www.ti.com，2009.

[2]TI，MSP430F543XA，www.ti.com，2012.

[3]cyclone3_handbook，www.altera.com，2009.

[4]沈斌堅(jiān)等.國(guó)產(chǎn)寬帶相控陣聲學(xué)多普勒海流剖面儀.[j].聲學(xué)與電子工程，2005.

作者簡(jiǎn)介

曹永紅（1977-），男，江蘇省泰州市人。大學(xué)本科學(xué)歷。高工，研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)的軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)、海洋儀器的研究設(shè)計(jì)開發(fā)等。

作者單位

1.中國(guó)人民解放軍海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院 湖北省武漢市 430033

2.杭州應(yīng)用聲學(xué)研究所 浙江省杭州市 310023endprint

4.6 接口控制電路

接口控制電路主要改進(jìn)是對(duì)CAN2.0接口的修改，采用一種新型低功耗的CAN控制芯片MCP2515，掛靠在SPI串行總線上，解決原來(lái)的SAJ1000控制器的接口效率和數(shù)據(jù)吞吐率低下的缺點(diǎn)，但需要對(duì)其驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行移植。另外增加了隔離電路，具有抗干擾性和防雷特性。

5 軟件設(shè)計(jì)

5.1 MSP430程序設(shè)計(jì)

根據(jù)值班電路的要求，需要對(duì)MSP430芯片進(jìn)行編程。本設(shè)計(jì)中充分利用MSP430單片機(jī)的“片上系統(tǒng)”資源優(yōu)勢(shì)，完成RTC程序、SPI總線驅(qū)動(dòng)程序、RS232/RS422串口程序、GPIO控制程序等，從而對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行供電電源控制、工作節(jié)拍控制以及數(shù)據(jù)通訊。

5.2 OMAP-L138軟件設(shè)計(jì)

我們已經(jīng)知道OMAP-L138處理器是雙內(nèi)核結(jié)構(gòu)。本設(shè)計(jì)中基于Linux操作系統(tǒng)的BSP板級(jí)支持軟件包，運(yùn)行在ARM端內(nèi)核，主要實(shí)現(xiàn)bootloader、Linux操作系統(tǒng)的內(nèi)核移植、根文件系統(tǒng)的創(chuàng)建及各種驅(qū)動(dòng)程序如SD卡設(shè)備、CAN接口驅(qū)動(dòng)等。

ARM端主要運(yùn)行基于Linux系統(tǒng)的非實(shí)時(shí)軟件，而DSP端則運(yùn)行高強(qiáng)度的實(shí)時(shí)算法運(yùn)算。值得一提的是，這兩端之間的數(shù)據(jù)交換是怎樣的呢？OMAP-L138芯片在芯片設(shè)計(jì)時(shí)采用的是共享內(nèi)存的機(jī)制，ARM端和DSP端都可以直接訪問(wèn)。它們之間的通訊，我們是利用TI公司提供的雙核通信模塊DSPLink的軟件架構(gòu)，以及CMem的共享內(nèi)存分配功能和CodecEngie工程管理，通過(guò)DSP端的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)DSP/BIOS和ARM端的Linux操作系統(tǒng)在通信上實(shí)現(xiàn)無(wú)縫的鏈接。

OMAP-L138應(yīng)用軟件由接口軟件、控制軟件和算法軟件三部分組成。其中接口軟件完成與值班電路間的接口控制；控制軟件根據(jù)接收到的指令和參數(shù)以及實(shí)際測(cè)量的航速、海深等參數(shù)，控制發(fā)射信號(hào)脈寬、周期和算法等；算法軟件完成相關(guān)海底回波信號(hào)的判別、提取和多普勒信息的分析，最后給出結(jié)果等?？傊?，整個(gè)應(yīng)用軟件比較復(fù)雜，是一個(gè)有機(jī)整體。

6 試驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種高性能、使用靈活的通用信號(hào)處理板，選用基于低功耗處理器和開放式Linux操作系統(tǒng)，保證了自容式ADCP的產(chǎn)品快速更新、成本降低、質(zhì)量的提高。

該板經(jīng)過(guò)水池試驗(yàn)和湖上試驗(yàn)，工作穩(wěn)定可靠，功耗極低，證明該板的設(shè)計(jì)是成功的，為自容式ADCP的產(chǎn)品化通用化提供技術(shù)支持和借鑒，同時(shí)具有較大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，有很好的推廣利用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]TI，OMAP-L138 Low-Power Applications Processor，www.ti.com，2009.

[2]TI，MSP430F543XA，www.ti.com，2012.

[3]cyclone3_handbook，www.altera.com，2009.

[4]沈斌堅(jiān)等.國(guó)產(chǎn)寬帶相控陣聲學(xué)多普勒海流剖面儀.[j].聲學(xué)與電子工程，2005.

作者簡(jiǎn)介

曹永紅（1977-），男，江蘇省泰州市人。大學(xué)本科學(xué)歷。高工，研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)的軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)、海洋儀器的研究設(shè)計(jì)開發(fā)等。

作者單位

1.中國(guó)人民解放軍海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院 湖北省武漢市 430033

2.杭州應(yīng)用聲學(xué)研究所 浙江省杭州市 310023endprint

4.6 接口控制電路

接口控制電路主要改進(jìn)是對(duì)CAN2.0接口的修改，采用一種新型低功耗的CAN控制芯片MCP2515，掛靠在SPI串行總線上，解決原來(lái)的SAJ1000控制器的接口效率和數(shù)據(jù)吞吐率低下的缺點(diǎn)，但需要對(duì)其驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行移植。另外增加了隔離電路，具有抗干擾性和防雷特性。

5 軟件設(shè)計(jì)

5.1 MSP430程序設(shè)計(jì)

根據(jù)值班電路的要求，需要對(duì)MSP430芯片進(jìn)行編程。本設(shè)計(jì)中充分利用MSP430單片機(jī)的“片上系統(tǒng)”資源優(yōu)勢(shì)，完成RTC程序、SPI總線驅(qū)動(dòng)程序、RS232/RS422串口程序、GPIO控制程序等，從而對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行供電電源控制、工作節(jié)拍控制以及數(shù)據(jù)通訊。

5.2 OMAP-L138軟件設(shè)計(jì)

我們已經(jīng)知道OMAP-L138處理器是雙內(nèi)核結(jié)構(gòu)。本設(shè)計(jì)中基于Linux操作系統(tǒng)的BSP板級(jí)支持軟件包，運(yùn)行在ARM端內(nèi)核，主要實(shí)現(xiàn)bootloader、Linux操作系統(tǒng)的內(nèi)核移植、根文件系統(tǒng)的創(chuàng)建及各種驅(qū)動(dòng)程序如SD卡設(shè)備、CAN接口驅(qū)動(dòng)等。

ARM端主要運(yùn)行基于Linux系統(tǒng)的非實(shí)時(shí)軟件，而DSP端則運(yùn)行高強(qiáng)度的實(shí)時(shí)算法運(yùn)算。值得一提的是，這兩端之間的數(shù)據(jù)交換是怎樣的呢？OMAP-L138芯片在芯片設(shè)計(jì)時(shí)采用的是共享內(nèi)存的機(jī)制，ARM端和DSP端都可以直接訪問(wèn)。它們之間的通訊，我們是利用TI公司提供的雙核通信模塊DSPLink的軟件架構(gòu)，以及CMem的共享內(nèi)存分配功能和CodecEngie工程管理，通過(guò)DSP端的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)DSP/BIOS和ARM端的Linux操作系統(tǒng)在通信上實(shí)現(xiàn)無(wú)縫的鏈接。

OMAP-L138應(yīng)用軟件由接口軟件、控制軟件和算法軟件三部分組成。其中接口軟件完成與值班電路間的接口控制；控制軟件根據(jù)接收到的指令和參數(shù)以及實(shí)際測(cè)量的航速、海深等參數(shù)，控制發(fā)射信號(hào)脈寬、周期和算法等；算法軟件完成相關(guān)海底回波信號(hào)的判別、提取和多普勒信息的分析，最后給出結(jié)果等。總之，整個(gè)應(yīng)用軟件比較復(fù)雜，是一個(gè)有機(jī)整體。

6 試驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種高性能、使用靈活的通用信號(hào)處理板，選用基于低功耗處理器和開放式Linux操作系統(tǒng)，保證了自容式ADCP的產(chǎn)品快速更新、成本降低、質(zhì)量的提高。

該板經(jīng)過(guò)水池試驗(yàn)和湖上試驗(yàn)，工作穩(wěn)定可靠，功耗極低，證明該板的設(shè)計(jì)是成功的，為自容式ADCP的產(chǎn)品化通用化提供技術(shù)支持和借鑒，同時(shí)具有較大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，有很好的推廣利用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]TI，OMAP-L138 Low-Power Applications Processor，www.ti.com，2009.

[2]TI，MSP430F543XA，www.ti.com，2012.

[3]cyclone3_handbook，www.altera.com，2009.

[4]沈斌堅(jiān)等.國(guó)產(chǎn)寬帶相控陣聲學(xué)多普勒海流剖面儀.[j].聲學(xué)與電子工程，2005.

作者簡(jiǎn)介

曹永紅（1977-），男，江蘇省泰州市人。大學(xué)本科學(xué)歷。高工，研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)的軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)、海洋儀器的研究設(shè)計(jì)開發(fā)等。

作者單位

1.中國(guó)人民解放軍海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院 湖北省武漢市 430033

2.杭州應(yīng)用聲學(xué)研究所 浙江省杭州市 310023endprint