基于單片機(jī)和DSP的輕便式聲電檢測儀的設(shè)計(jì)*

趙 珩 馬 一

(91388部隊(duì)94分隊(duì) 湛江 524022)

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基于單片機(jī)和DSP的輕便式聲電檢測儀的設(shè)計(jì)*

趙 珩 馬 一

(91388部隊(duì)94分隊(duì) 湛江 524022)

為了使長基線系統(tǒng)應(yīng)答器在日常維護(hù)和下水工作前,能夠快速完成技術(shù)狀態(tài)檢測,設(shè)計(jì)開發(fā)一款基于MSP430系列單片機(jī)和DSP VC5509A的嵌入式系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用單片機(jī)完成對整個(gè)系統(tǒng)的控制和電檢測功能,DSP完成聲檢測功能,實(shí)現(xiàn)對長基線應(yīng)答器快速準(zhǔn)確地聲學(xué)和電學(xué)信號檢測。經(jīng)過測試使用,證明該檢測儀可以完成原來由許多套儀器配合完成的檢測步驟,提高了應(yīng)答器維護(hù)檢測的效率,有效的縮短了應(yīng)答器故障排查和維修時(shí)間。

單片機(jī); DSP; 嵌入式系統(tǒng); 聲電檢測儀

Class Number TP368.1

1 引言

長基線系統(tǒng)的應(yīng)答器是長基線系統(tǒng)重要的組成部分,應(yīng)答器功能的完好與否對長基線系統(tǒng)工作性能起著至關(guān)重要的作用,因此,在日常維護(hù)保養(yǎng)中掌握應(yīng)答器的技術(shù)性能,在入水工作前對應(yīng)答器的技術(shù)狀態(tài)進(jìn)行快速的檢測,成為保證長基線系統(tǒng)能正常、穩(wěn)定工作的必不可少的環(huán)節(jié)。

針對實(shí)際應(yīng)用需求,設(shè)計(jì)并開發(fā)了一款基于MSP430系列單片機(jī)和DSP TMS320VC5509A的嵌入式系統(tǒng),能夠方便、快捷地對長基線應(yīng)答器進(jìn)行技術(shù)狀態(tài)和聲電功能的檢測,快速的判定故障位置,有效的縮短了工作現(xiàn)場排除故障的時(shí)間。

2 硬件設(shè)計(jì)

輕便式聲電檢測儀系統(tǒng)的硬件組成及功能實(shí)現(xiàn)如圖1所示,圖中清晰描繪了該系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的兩部分的功能:聲信號檢測和電信號檢測。

電檢測功能實(shí)現(xiàn)較為簡單,用串口線連接應(yīng)答器和串口0,MCU通過串口1完成對液晶觸摸屏的操作控制,根據(jù)液晶觸摸屏下達(dá)的指令,MCU通過軟件處理后,將相應(yīng)指令信息通過串口0發(fā)送給應(yīng)答器,來觀測應(yīng)答器做出的響應(yīng)或接收來自應(yīng)答器的回復(fù)信息,并將信息顯示在液晶屏上。

聲檢測功能實(shí)現(xiàn)較電檢測繁雜一些,MCU通過串口1獲取液晶觸摸屏的操作指令,經(jīng)過軟件程序處理將指令信息通過I2C總線發(fā)送給DSP,DSP根據(jù)接收到的指令信息生成軟件編碼信號,通過McBSP1模塊發(fā)給DA,DA轉(zhuǎn)換后經(jīng)過濾波放大電路的調(diào)理,用水聽器發(fā)射出去;通過水聽器接收被測應(yīng)答器的聲信號,經(jīng)過濾波放大電路的調(diào)理,由DSP的McBSP0模塊控制AD,逐點(diǎn)對濾波信號進(jìn)行采樣,采樣數(shù)據(jù)在DSP內(nèi)經(jīng)過檢測算法解算出結(jié)果,通過I2C總線發(fā)送給MCU,MCU將收到的檢測數(shù)據(jù)顯示在液晶屏上;接收控制McBSP0和發(fā)射控制McBSP1為分時(shí)工作。

為了使系統(tǒng)輕便、小巧,并降低對使用環(huán)境的要求,系統(tǒng)采用鋰電池供電,使其可以在多種工作場所使用,這就對系統(tǒng)的控制核心MCU和信號處理核心DSP的選取提出了嚴(yán)格的要求,具有超低的功耗、強(qiáng)大的處理能力、穩(wěn)定的工作性能成為綜合考察核心芯片性能的首要條件。這里選用16位超低功耗的MSP430F5438芯片作為控制核心,其擁有最高主頻25MHz,256K的內(nèi)部Flash,4個(gè)USCI接口;DSP選取TMS320VC5509A,其擁有最高200MHz的主頻,1個(gè)I2C接口和3個(gè)McBSP接口,這兩款核心芯片能夠理想的實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)所需的功能和性能指標(biāo)。

1) 信號發(fā)射電路設(shè)計(jì)

信號發(fā)射電路的一個(gè)核心是DA轉(zhuǎn)換芯片,這里選用雙12位電壓輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器TLV5638來完成信號的數(shù)模轉(zhuǎn)換,該芯片具有穩(wěn)定性高、體積小、供電電壓低、功耗較小的特點(diǎn),適用于電池供電的便攜式系統(tǒng)。其與DSP的電路連接如圖2所示,DSP McBSP1的FSX1、CLKX1引腳分別向DA的CS、SCLK輸出200KHz的采樣幀同步信號和10MHz的時(shí)鐘信號。

由于系統(tǒng)僅需一路信號輸出,所以在實(shí)際使用中,TLV5638的輸出設(shè)置為0X4000,即OUTB為信號輸出端,轉(zhuǎn)換信號通過濾波放大電路調(diào)理成標(biāo)準(zhǔn)的正弦波脈沖信號。

圖2 DSP與DA電路連接圖

2) 信號接收電路設(shè)計(jì)

聲信號的采集是信號的接收檢測過程的前提,本系統(tǒng)接收信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換采用16位分辨率的ADS8320E芯片來完成,該芯片不僅具有速度快、精度高,而且供電電壓低、體積小、功耗小,非常適用于電池供電的便攜式系統(tǒng)。其與DSP的電路連接如圖3所示,AD信號輸入采用單端輸入方式,DSP McBSP0的FSX0、CLKX0引腳分別向AD的CS、SCLK輸出100KHz的采樣幀同步信號和2.4MHz的時(shí)鐘信號。

圖3 DSP與AD電路連接圖

3) DSP和MCU、液晶觸摸屏的通信電路設(shè)計(jì)

作為實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)人機(jī)交互功能的主體,MCU在DSP和液晶觸摸屏之間同時(shí)起著橋梁和控制作用,三者的電路連接如圖4所示。DSP和MCU之間采用典型的I2C總線模式,完成二者之間數(shù)據(jù)的傳輸,MCU和液晶觸摸屏之間采用典型的RS-232接口通信模式,實(shí)現(xiàn)MCU對觸摸屏操作的控制、界面信息的獲取和檢測結(jié)果的顯示。

圖4 DSP與MCU I2C連接圖(1為RS-232串口)

4) 寬帶濾波器設(shè)計(jì)

系統(tǒng)在信號接收和發(fā)射中對信號進(jìn)行的濾波處理,涉及的頻帶較寬,且兩個(gè)逆過程中對信號的增益處理不盡相同。發(fā)射信號的濾波電路需要處理后的信號較之前有一定的放大,才能保證發(fā)射的信號能夠被被檢應(yīng)答器檢測到,在濾波電路最后加一級射隨來實(shí)現(xiàn);由于應(yīng)答器的發(fā)射聲源級較大,且接收水聽器的接收距離較近,故該接收端濾波電路采用通帶內(nèi)無增益設(shè)計(jì)。

巴特沃斯型濾波器有著在通頻帶內(nèi)頻率響應(yīng)曲線最平滑和振幅對角頻率單調(diào)下降的特性,根據(jù)式(1)巴特沃斯型低通濾波器傳遞函數(shù),通過低通-帶通的頻率變換關(guān)系求出所需的巴特沃斯型帶通濾波器傳遞函數(shù)。

(1)

其中,N為濾波器的階數(shù),fc為低通濾波器3dB截止頻率,f/fc為歸一化頻率,pk為歸一化極點(diǎn),則H(p)稱為歸一化傳遞函數(shù)。

再利用Filter Solutions 2011濾波器設(shè)計(jì)軟件仿真設(shè)計(jì)Sallen Key結(jié)構(gòu)的有源4階帶通濾波器,設(shè)計(jì)電路和頻率響應(yīng)如圖5、圖6所示。圖6中的濾波器頻率響應(yīng),說明該濾波電路的通帶可以滿足f1～f2KHz的寬帶信號范圍,并且在上下端截止頻率處有明顯的3dB衰減,通帶內(nèi)基本無增益。

圖5 濾波器設(shè)計(jì)電路

圖6 濾波器頻率響應(yīng)

系統(tǒng)中采用ADS8542ARM來實(shí)現(xiàn)4階有源濾波功能,該芯片的低電壓供電、1MHz的帶寬、高增益等性能,既滿足本系統(tǒng)濾波電路的性能,也適合系統(tǒng)電池供電的要求。

3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)兩部分軟件均用用C語言編寫,電檢測流程圖如圖7所示,聲檢測流程如圖8所示。

由于應(yīng)答器的信號體制多為單頻CW脈沖,因此信號處理中采用自適應(yīng)NOTCH濾波和VIFD檢測來實(shí)現(xiàn)對聲信號逐點(diǎn)處理。本系統(tǒng)中采用雙通道的NOTCH濾波器和VIFD檢測器來完成接收信號的檢測和處理,其中通道一負(fù)責(zé)單頻回復(fù)信號和指令信號頻率1的檢測,通道二僅負(fù)責(zé)指令信號頻率2的檢測。單頻回復(fù)信號的檢測流程如圖9,指令信號的檢測在圖9基礎(chǔ)上只判斷脈沖信號的前沿,從而提高檢測的時(shí)效性。

4 系統(tǒng)功能測試

系統(tǒng)樣機(jī)經(jīng)多次測試和使用,能夠很好的完成聲電指令對應(yīng)答器“自檢”、“釋放”、“開機(jī)”和“待機(jī)”功能的檢測,同時(shí)能夠成功檢測出應(yīng)答器響應(yīng)除“自檢”外的功能后回復(fù)的指令信息,但由于設(shè)計(jì)中雙通道信號檢測的限制,還無法實(shí)現(xiàn)通過聲檢測解算出應(yīng)答器“自檢”信息的功能。

圖7 電檢測流程

圖8 聲檢測流程

在CCS軟件平臺下運(yùn)行聲信號接收檢測程序,采用100Hz帶寬的NOTCH濾波器對應(yīng)答器應(yīng)答回復(fù)信號進(jìn)行檢測,檢測出的采樣數(shù)字信號和其信號包絡(luò)如圖10所示,應(yīng)答信號檢測數(shù)據(jù)表如表1所示。

圖9 單頻回復(fù)信號檢測流程(1為統(tǒng)計(jì)連續(xù)過門限次數(shù)和包絡(luò)幅度)

信號頻率(Hz)信號脈寬(ms)檢測頻率(Hz)檢測幅度(mv)檢測脈寬(ms)9250109190215111916021511191912151129286215111922621511191792151129245215111931721511192812151119274215111

圖10中展示出完美的信號包絡(luò)證明水聲信號的接收檢測軟件可以有效地檢測出應(yīng)答器應(yīng)答回復(fù)信號。通過對完整包絡(luò)的進(jìn)一步解析,我們可以得到被檢信號頻率、幅度和脈寬,表1中10次聲檢測得出的的信號頻率與被檢頻率的偏差基本控制在100Hz以內(nèi),檢測幅度完全一致,檢測脈寬基本一致,但比信號脈寬稍寬。經(jīng)分析是由于應(yīng)答器信號源級較大,和接收水聽器在水桶等較小的空間范圍內(nèi)時(shí),使得接收信號出現(xiàn)拖尾,造成脈寬被拉長。

經(jīng)過多次時(shí)效性測試,從點(diǎn)擊觸摸屏界面按鍵開始到聽見聲信號發(fā)射,和聽到應(yīng)答器回復(fù)信號到液晶屏顯示出檢測結(jié)果基本都是同步響應(yīng),一次完整且有效的檢測程序從按鍵到結(jié)果顯示基本都在10秒左右完成,這很好地實(shí)現(xiàn)了快速檢測應(yīng)答器,驗(yàn)證應(yīng)答器工作性能的要求。

圖10 應(yīng)答器應(yīng)答回復(fù)信號的包絡(luò)和采樣數(shù)字信號

5 結(jié)語

本系統(tǒng)是針對長基線系統(tǒng)應(yīng)答器的日常維護(hù)保養(yǎng)和為保證長基線系統(tǒng)正常工作,在應(yīng)答器下水工作前快速檢測技術(shù)狀態(tài)的需要而研制開發(fā)的,在實(shí)際工作中,不僅方便了維護(hù)人員,簡化了他們的工作程序,也使得維護(hù)人員能夠通過實(shí)時(shí)檢測結(jié)果,及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障所在、判斷故障原因,縮短了應(yīng)答器故障排查時(shí)間。

鑒于本系統(tǒng)在使用中暴露的“聲自檢”信息無法解算的不完善之處,在后續(xù)研究改進(jìn)中,可以通過擴(kuò)充聲信號檢測通道的方法,實(shí)現(xiàn)對應(yīng)答器聲“自檢”信息的解算,從真正意義上完善輕便式聲電檢測儀的聲電一體化檢測能力。

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Portable Instrument for Detecting Acoustics and Electrics Signal Design Base on MCU and DSP

ZHAO Heng MA Yi

(Unit 94, No. 91388 Troops of PLA, Zhanjiang 524022)

In order to quickly detect technology state of the responder of long baseline system in daily maintenance and before subaqueous work, an embedded system is designed and exploited base on MCU of MSP430 series and DSP VC5509A. The system uses MCU to control whole system and dectect electrics signal, the function of DSP is to dectect acoustics signal. The whole system can quickly and ture detect acoustics signal and electrics signal of the responder of long baseline system. This detecting instrument is tested and used. It’s proven that it can accomplish detection steps which are accomplished by originally many instrument together, advance efficiency of maintenance and dectecting responder, shorten effectively time which is used to troubleshoot and maintain responder trouble.

MCU, DSP, built-in system, instrument for detecting acoustics and electrics signal

2014年10月21日,

2014年11月30日

趙珩,男,工程師,研究方向:水聲信號處理。馬一,男,助理工程師,研究方向:水聲信號處理。

TP368.1

10.3969/j.issn1672-9730.2015.04.045