一種基于以太網(wǎng)的分布式同步水聲數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究*

徐國貴 張永超

(91388部隊(duì) 湛江 524022)

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一種基于以太網(wǎng)的分布式同步水聲數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究*

徐國貴 張永超

(91388部隊(duì) 湛江 524022)

論文研究一種以嵌入式微機(jī)HT-1150為核心、以ART2153為采集模塊的水聲數(shù)據(jù)采集平臺。主控計(jì)算機(jī)為顯示控制中心,采用以太網(wǎng)傳輸技術(shù),通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,采集的水聲數(shù)據(jù)還進(jìn)行壓縮處理,并加入時間信息,實(shí)現(xiàn)了多通道同步采集、遠(yuǎn)程控制,數(shù)據(jù)傳輸容量大、速度快、實(shí)時性強(qiáng)、接收數(shù)據(jù)同步的水聲信號監(jiān)測特點(diǎn)。

分布式; 同步水聲數(shù)據(jù)采集; 以太網(wǎng); 嵌入式微機(jī)

Class Number TP274.2

1 引言

在艦船輻射噪聲的測量中,為得到更加詳細(xì)的目標(biāo)輻射噪聲,掌握目標(biāo)特性信息,方法越來越多,在被測量艦船附近布放水聽器就是一種進(jìn)行信號監(jiān)測的方法[1]。但當(dāng)進(jìn)行分布式同步數(shù)據(jù)采集時,由于采集設(shè)備多,且還可能分布在不同的測量船上,對采集的數(shù)據(jù)無法進(jìn)行同步,特別是對海量的采集數(shù)據(jù)無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時傳輸和顯示。本論文研究的是一種基于以太網(wǎng)傳輸?shù)姆植际?、同步?shù)據(jù)采集實(shí)時分析顯示系統(tǒng),該系統(tǒng)采用以太網(wǎng)傳輸技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[2,4],數(shù)據(jù)采集平臺和顯控計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)進(jìn)行連接,采集平臺以嵌入式微機(jī)作為核心、顯控中心可遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)控各采集平臺的工作狀況,網(wǎng)絡(luò)通信采用TCPIP技術(shù)[3],水聲數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮和加密處理,實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸容量大、速度快、實(shí)時性強(qiáng)和同步性好的水聲信號監(jiān)測特點(diǎn)。該方法所使用的嵌入式微機(jī)為HT-1150工業(yè)控制板,采集卡選用由阿爾泰公司生產(chǎn)ART2153采集模塊;顯控終端由VC++開發(fā)的軟件進(jìn)行采集平臺的控制、信號的處理及顯示[6～7];當(dāng)采集平臺與顯控終端不在一條船上時可采用基于802.11協(xié)議的微波通信實(shí)現(xiàn)[5,8]。

2 分布式監(jiān)測控制原理

該方法主要由水聲數(shù)據(jù)采集平臺、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、顯示控制終端及顯示控制軟件組成,各水聲數(shù)據(jù)采集平臺采用以太網(wǎng)方式與顯控終端實(shí)現(xiàn)連接,若水聲數(shù)據(jù)采集平臺與顯控終端不在同一船上時采用微波通信方式進(jìn)行連接,數(shù)據(jù)傳輸采用TCPIP網(wǎng)絡(luò)技術(shù),確保數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)采用數(shù)據(jù)包形式在源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)之間傳輸,數(shù)據(jù)包包括楨頭、幀類型及補(bǔ)碼、數(shù)據(jù)段。數(shù)據(jù)段數(shù)據(jù)進(jìn)行了數(shù)據(jù)壓縮和加密處理,包含該段數(shù)據(jù)獲取時刻的時間信息,時間由軟件提供。目的節(jié)點(diǎn)根據(jù)傳遞的楨頭、幀類型及補(bǔ)碼判斷傳輸數(shù)據(jù)類型,再根據(jù)數(shù)據(jù)類型對數(shù)據(jù)段進(jìn)行解碼。

圖1為工作原理圖,當(dāng)水聲數(shù)據(jù)采集平臺與船載顯控終端位于同一船上時,直接通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)進(jìn)行連接,當(dāng)不在一條船上時,通過無線電微波通信方式進(jìn)行連接。水聲數(shù)據(jù)采集平臺可根據(jù)實(shí)際測量要求進(jìn)行增加,各采集平臺通過設(shè)定不同IP地址進(jìn)行識別。船載顯控終端通過RS232接口與一GPSBD2定位模塊相連,為其提供位置信息和時間信息。水聲數(shù)據(jù)采集平臺在收到顯控終端的命令后進(jìn)行相應(yīng)的操作,并及時將處理結(jié)果回復(fù)至顯控終端,當(dāng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理后上傳至顯控終端;顯控終端是人機(jī)交互設(shè)備,開機(jī)后主動與GPSBD2進(jìn)行時間校準(zhǔn),根據(jù)要求向各采集平臺下達(dá)命令,對上傳的信息進(jìn)行相應(yīng)處理和顯示。顯控軟件可同時顯示所有采集平臺上傳的水聲數(shù)據(jù)時域圖,還可對某個采集平臺的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時FFT分析并顯示。

圖1 分布式水聲采集原理圖

3 采集平臺硬件設(shè)計(jì)

3.1 工控機(jī)HT-1150及采集卡ART2153介紹

工控機(jī)HT-1150模塊,它是一種嵌入到機(jī)器設(shè)備、控制系統(tǒng)、儀器儀表、智能產(chǎn)品、軍事裝備中的計(jì)算機(jī),具有PC104總線接口,CPU為AMD LX800處理器,主頻500MHz,板上提供一個筆記本內(nèi)存插槽,最大支持1G內(nèi)存,擁有一個高速CF卡插槽和IDE接口,可以方便安裝擴(kuò)展外接存儲設(shè)備。此外,該主板集成了標(biāo)準(zhǔn)的10/100Mbase-T以太網(wǎng)RJ45接口,還提供了兩個RS232串口,四個USB接口。它功耗低、可靠性高、功能強(qiáng)大,具有很高的性能價格比且與標(biāo)準(zhǔn)PC全兼容,采用與標(biāo)準(zhǔn)PC相同的硬件結(jié)構(gòu)、軟件操作系統(tǒng)和軟件開發(fā)平臺。

采集系統(tǒng)采用的是阿爾泰公司推出的ART2153模塊,它是一款基于PC104總線的數(shù)據(jù)采集卡,與嵌入式微機(jī)HT-1150通過PC104接口連接。該采集卡轉(zhuǎn)換精度16位,單通道采樣頻率最高可達(dá)250kHz,模擬量輸入方式有單端模擬輸入或雙端模擬輸入可選,模擬輸入阻抗10MΩ,AD轉(zhuǎn)換時間1.25μs,程控增益1、2、4、8倍可設(shè),數(shù)據(jù)緩存8k。該采集卡運(yùn)行參數(shù)通過與之相連的嵌入式微機(jī)運(yùn)用軟件進(jìn)行初始化設(shè)置。

3.2 采集平臺設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)所用采集平臺主要由水聽器、水聲采集設(shè)備、嵌入式微機(jī)、存儲設(shè)備組成,如圖2所示。

圖2 信號采集平臺結(jié)構(gòu)圖

該系統(tǒng)中,為使采集卡擁有高采樣率和抗干擾能力,采用單通道、雙端差分輸入方式,軟件觸發(fā)模式、半滿條件下進(jìn)行讀取數(shù)據(jù)。在嵌入式微機(jī)上使用大容量CF卡進(jìn)行系統(tǒng)的加載、運(yùn)用程序的運(yùn)行及數(shù)據(jù)存儲。嵌入式微機(jī)上將運(yùn)行應(yīng)用軟件,完成系統(tǒng)狀態(tài)查詢、采集卡設(shè)置、通信協(xié)議、數(shù)據(jù)壓縮和數(shù)據(jù)加密等功能。操作系統(tǒng)采用廣泛使用且資源豐富的Windows XP操作系統(tǒng),節(jié)省采集系統(tǒng)軟件的開發(fā)周期;應(yīng)用程序采用VC++進(jìn)行編寫。采集平臺開機(jī)后嵌入式微機(jī)將調(diào)用以上單元的驅(qū)動程序,自動與顯控終端進(jìn)行連接。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 采集平臺軟件

嵌入式微機(jī)主要完成對顯控終端下達(dá)指令的處理及向顯控終端回傳工作信息。應(yīng)用程序采用VC++6.0進(jìn)行編寫,顯控終端下達(dá)的指令有采集平狀態(tài)查詢指令,包括存儲卡容量查詢、采集卡參數(shù)查詢;存儲卡數(shù)據(jù)清除指令,主要用于清除存儲卡內(nèi)的采集數(shù)據(jù);參數(shù)設(shè)置指令,主要用于設(shè)置采集卡的數(shù)據(jù)采樣率、放大倍數(shù)等;時間校準(zhǔn)設(shè)置指令,主要用于將采集平臺當(dāng)前時間校準(zhǔn)為顯控終端統(tǒng)一下發(fā)的時間;開始采集或停止采集指令,主要是使能采集卡開始工作或停止工作。采集平臺軟件流程圖如圖3所示。

圖3 采集平臺軟件流程

各采集平臺上電后采集卡自動進(jìn)行初始化設(shè)置,通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)自動與船載終端建立連接,等待船載終端下發(fā)指令并進(jìn)行相應(yīng)處理。各采集平臺在收到顯控終端的時間校準(zhǔn)命令時統(tǒng)一進(jìn)行時間校準(zhǔn),同時將結(jié)果回復(fù)至顯控終端;當(dāng)收到開始采集命令時,系統(tǒng)開始計(jì)時,每次上傳4096個數(shù)據(jù),當(dāng)系統(tǒng)接收4096個數(shù)據(jù)時讀取當(dāng)前時間,同時將減去4096個數(shù)據(jù)所需的時間(即40.96ms)后作為該幀數(shù)據(jù)的起始時刻,將該時刻連同水聲數(shù)據(jù)一同打包后進(jìn)行相應(yīng)壓縮處理,之后調(diào)用通信協(xié)議上傳至顯控終端。

4.2 顯控軟件分析

顯控終端主要由網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備、GPSBD2定位模塊、顯控計(jì)算機(jī)及顯控軟件組成,顯控軟件主要完成對各通道采集平臺的控制及對接收數(shù)據(jù)的處理及顯示,采用VC++6.0軟件進(jìn)行編寫,與各通道采集平臺通信基于以太網(wǎng)的TCPIP技術(shù),與各采集平臺通信通過線程進(jìn)行實(shí)現(xiàn),采用雙緩沖進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取與處理,對各通道接收數(shù)據(jù)在解壓后,進(jìn)行時域波形顯示及FFT頻域處理顯示,軟件可以同時顯示多個通道的時域波形,并可對某個通道波形進(jìn)行FFT分析并顯示;軟件可對所有采集平臺下達(dá)操作命令,也可對指定采集平臺下達(dá)操作命令。GPSBD2定位模塊主要用于對顯控計(jì)算機(jī)進(jìn)行時間校準(zhǔn)。

軟件流程如圖4所示。船載顯控終端開機(jī)后,軟件運(yùn)行并進(jìn)行初始化設(shè)置,在GPSBD2定位模塊進(jìn)入導(dǎo)航模式后自動進(jìn)行時間校準(zhǔn);連接各采集平臺后查詢各采集平臺工作狀態(tài),下達(dá)操作命令。對各采集平臺上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,根據(jù)各采集平臺上傳采集數(shù)據(jù)進(jìn)行解壓后根據(jù)時間信息進(jìn)行同步顯示,以下達(dá)“開始采集”命令時刻為0時刻進(jìn)行逐步顯示。圖5為在實(shí)驗(yàn)室測試過程中操作軟件界面及四個采樣平臺采集信號顯示。

圖4 顯控軟件流程

圖5 顯控軟件界面

4.3 數(shù)據(jù)傳輸

該系統(tǒng)所用的數(shù)據(jù)傳輸方式采用以太網(wǎng)連接的TCPIP協(xié)議,該協(xié)議成熟可靠,適用性和通用性強(qiáng)。包括控制指令、回復(fù)信息、實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)量大,重復(fù)周期短,需要進(jìn)行無差錯的傳輸。浮標(biāo)通過IP地址來區(qū)分網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)包是否屬于自己,從而進(jìn)行相應(yīng)的接收。網(wǎng)絡(luò)通信采用Socket編程。其一般的工作流程如圖6所示,其中顯控終端為服務(wù)器端,各采集平臺作為客戶機(jī)端。

圖6 TCP工作的流程圖

數(shù)據(jù)傳輸分上行數(shù)據(jù)和下行數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)傳輸格式為幀類型及補(bǔ)碼、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)段,幀類型及補(bǔ)碼用于表示不同的命令。

水聲數(shù)據(jù)采用ADPCM數(shù)據(jù)壓縮算法進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮[9～10]。ADPCM是一種針對16bit聲音波形數(shù)據(jù)的有損壓縮算法,它將聲音流中每次采樣的16bit數(shù)據(jù)以4bit存儲,壓縮比為4∶1。ADPCM通過保存波形的變化情況來達(dá)到描述整個波形的目的,即ADPCM記錄的量化值不是每個采樣點(diǎn)的幅值,而是該點(diǎn)的幅值與前一個采樣點(diǎn)幅值之差。本采集程序ADPCM壓縮算法在基本不影響數(shù)據(jù)質(zhì)量的情況下可以有效降低數(shù)據(jù)量,對于16k個數(shù)據(jù)點(diǎn)的壓縮時間可以控制在幾十個毫秒量級,不會影響實(shí)時的數(shù)據(jù)傳輸。

5 結(jié)語

該分布式同步采集及系統(tǒng)分別用了嵌入式微機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù),所用的采集模塊采集精度高,采樣頻率寬,采樣率高,利用嵌入式微機(jī)的軟件計(jì)時方法實(shí)現(xiàn)采集信息的同步;各采集平臺與顯控終端采集網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸,傳輸容量大、速度快;并且系統(tǒng)開發(fā)周期短,成本相對較低,在海上試驗(yàn)中具有很高的應(yīng)用價值。

[1] 王之程,陳宗岐,于沨,等.艦船噪聲測量與分析[M].北京:國防工業(yè)出版社,2004:188-198.

[2] 李建平.基于以太網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版),20029:81-83.

[3] 吳濤.基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的原理與實(shí)現(xiàn)[J].紹興文理學(xué)院學(xué)報,2003,23(10):44-47.

[4] 田甜,李啟虎,王磊.基于虛擬儀器技術(shù)的多路水聲信號同步采集及處理平臺設(shè)計(jì)[J].應(yīng)用聲學(xué),2011,30(4):314-320.

[5] 楊桂艷,黃煒.浮標(biāo)式無線遠(yuǎn)程水聲數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究,2005(11):149-153.

[6] 史陽,楊砷德,楊益新,等.水聲數(shù)據(jù)采集與分析軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電聲技術(shù),2012(39):49-51.

[7] 邵雪飛.基于Visual C++平臺的信號采集分析系統(tǒng)[J].電子科技,2014,27(5):113-115.

[8] 張鵬,楊坤德,劉艷,等.數(shù)字微波式遠(yuǎn)程水聲數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制,2009,17:1421-1423.

[9] 廖廣銳,劉萍.基于ADPCM的語音壓縮算法研究[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程,2007,35(7):39-42.

[10] 陳溯.ADPCM語音壓縮編碼的分析與仿真[J].中國西部科技,2008,7(32):51-53.

Distributed Synchronous Underwater Acoustic Data Acquisition System Based on Ethernet

XU Guogui ZHANG Yongchao

(No. 91388 Troops of PLA, Zhanjiang 524022)

The paper studies a kind of underwater acoustic data acquisition platform based on buoy, that embedded microcomputer HT-1150 as the core and ART2153 as acquisition module. The master computer for signal display and control center, using microwave communication transmission and Ethernet technology, through a network switch for data exchange, the acquired data has been compressed and put in the precise time information before transmission. Ths system can realize the multi-channel synchronous acquisition, remote control, large capacity、high speed data transmission, strong real-time performance, receiving data synchronization characteristics of underwater acoustic signal monitoring.

distributed, underwater acoustic data synchronal sampling, Ethernet, embedded microprocessor

2015年3月7日,

2015年4月27日

徐國貴,男,工程師,研究方向:水聲信號處理。張永超,男,碩士,助理工程師,研究方向:水聲信號處理。

TP274.2

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.09.039