聲層析潛標主控模塊設計與實現(xiàn)

曾景賢 蔣國軍 夏鐵堅

（第七一五研究所，杭州，310023）

聲層析潛標主控模塊設計與實現(xiàn)

曾景賢 蔣國軍 夏鐵堅

（第七一五研究所，杭州，310023）

設計了以FPGA作為主控芯片的聲層析潛標核心控制單元主控模塊，給出了主控模塊具體電路實現(xiàn)和軟件流程。湖海試驗中，該模塊滿足潛標電子系統(tǒng)的使用要求。

海洋聲學層析術；聲層析潛標；主控模塊；控制單元； FPGA

1　引言

海洋聲學層析術是指利用聲學方法在大范圍海域測量海洋動力特性的一種遙感技術[1]。海水的溫度、鹽度、流向和流速，都對聲波在海水中傳播的速度有影響，可利用聲波傳播的速度，反推聲波經過水域的溫度和鹽度；用聲波往返傳播的速度差，反推測量水域的流速和流向等。海洋層析測量時，在所測量的水域周圍，布設5枚聲層析潛標，潛標布放網絡如圖1所示。其中1枚潛標發(fā)射聲信號，其余4枚潛標接收聲信號，精確測量聲波的傳播時間、計算聲波傳播的速度，5枚潛標依次輪流發(fā)射，利用計算機對取得的平均速度和往復速度差進行逆運算，可以獲取聲層析潛標包圍水域中的溫度、鹽度、流速、流向等分布情況。

圖1　聲層析潛標布放網絡示意圖

2　主控模塊功能描述

聲層析潛標電子系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。主要由主控模塊、電源管理模塊、發(fā)射模塊、接收模塊、采集模塊、時鐘源模塊、溫濕度傳感器、存儲模塊1、2等組成。主控模塊作為潛標電子系統(tǒng)的重要組成部分，完成高質量的聲信號發(fā)射和高精度的聲信號采集存儲。

圖2　聲層析潛標電子系統(tǒng)組成框圖

2.1流程控制、任務管理

聲層析潛標電子系統(tǒng)主要有三種工作模式，分別是入水前的船載調試模式、入水24 h內的水下自檢模式和入水24 h后的水下工作模式。主控模塊每次上電后，電源管理模塊會向其發(fā)送潛標ID、當前模式、任務時間等配置信息。主控模塊根據當前模式信息分別控制電子系統(tǒng)在三種工作模式下的流程。在水下工作模式下還需根據潛標ID和任務時間控制潛標電子系統(tǒng)進行聲信號發(fā)射、采集、存儲的任務管理。

2.2數據整理

聲層析潛標是根據任務設定獨立運行的設備，主控模塊需要在電子系統(tǒng)上電自檢、聲信號發(fā)射和聲信號采集存儲期間分別收集電子系統(tǒng)各模塊供電狀態(tài)、存儲硬盤信息、采集鏈路信息、發(fā)射狀態(tài)、溫濕度傳感器數據和日歷數據等參數，打包成系統(tǒng)初始化參數、系統(tǒng)發(fā)射參數、系統(tǒng)收采參數送存儲模塊進行保存記錄。

水下自檢時，還需將收集到的電子系統(tǒng)各模塊參數整合成自檢結果發(fā)送給水聲通訊子系統(tǒng)，由水聲通訊子系統(tǒng)上傳至甲板。甲板設備根據上傳的自檢信息判斷潛標電子系統(tǒng)各模塊入水后是否正常。

2.3電源管理

潛標電子系統(tǒng)長時間在水下工作，由于電池電容量有限，需要主控模塊配合電源管理模塊對電子系統(tǒng)進行電源管理。

聲層析潛標采用周期工作方式，即每天4次、每次定時執(zhí)行半小時的聲信號發(fā)射和聲信號采集存儲任務。任務執(zhí)行期間合理有序的為各模塊上電和斷電，任務完成后通知電源管理模塊關閉相關模塊，從而達到既滿足設計功能又降低功耗的目的。

2.4時鐘驅動

為保證潛標聲信號發(fā)射、采集存儲的精度要求，聲層析潛標采用原子鐘時鐘源模塊提供基準時鐘。主要有10.24 MHz主時鐘、秒脈沖（1PPS：1 Pulse Per Second）和日歷數據三個信號。10.24 MHz主時鐘由主控模塊控制轉發(fā)給采集模塊和發(fā)射模塊作為采集采樣率和發(fā)射信號源的頻率基準，1PPS信號提供給主控模塊作為發(fā)射或采集事件觸發(fā)信號，當日歷數據與任務時間吻合后由1PPS信號觸發(fā)聲信號發(fā)射或聲信號采集。潛標的時鐘源模塊經過GPS相位同步對時后，認為所有潛標的時鐘是同步一致的。

3　硬件設計

為滿足潛標高精度的聲信號發(fā)射、采集存儲任務，主控模塊采用現(xiàn)場可編程門陣列FPGA作為主控制芯片，由FPGA控制轉發(fā)時鐘模塊的10.24 MHz時鐘基準信號，同時接收日歷數據信號。當時間與任務設定的時間匹配后由1PPS信號觸發(fā)潛標進行聲信號發(fā)射或聲信號采集存儲任務。主控模塊主要由FPGA電路和接口電路所組成。接口電路在主控模塊與其他模塊數據通信時進行電平匹配，主要有RS-485、RS-232以及單總線接口。FPGA電路作為主控模塊的核心電路，主要作用有以下幾點：一是控制電子系統(tǒng)在入水前的船載調試、入水24 h內的水下自檢和入水24小時后的水下工作這三種模式的工作流程；二是入水24 h后控制電子系統(tǒng)定期執(zhí)行每天4次，每次半個小時的高精度聲信號發(fā)射、采集存儲任務；三是通過接口電路完成與其他模塊的數據交互，RS-485、RS-232接口采用異步串口通信協(xié)議，波特率為57 600 bps，與數字溫濕度傳感器AM2301的單總線接口采用單總線通信協(xié)議。FPGA選用的是Xilinx公司Spartan-3系列的XC3S400[2]，其具有豐富的可配置IO管腳、片內可編程邏輯資源以及并行處理能力等，能夠滿足主控模塊同時處理多個接口通信、流程控制、任務管理和時鐘驅動等要求。主控模塊電路組成框圖如圖3所示。

圖3　主控模塊電路組成框圖

4　程序設計

主控模塊FPGA程序采用硬件描述語言編寫，主要由流程控制及任務管理主程序、接口（主要有時鐘、電源、發(fā)射、通訊、存儲、溫濕度傳感器）數據收發(fā)程序所組成。由于篇幅所限，各接口數據收發(fā)程序暫不描述，流程控制及任務管理主程序流程圖見圖4、5、6、7。主控模塊上電后，首先接收電源管理模塊發(fā)送的配置信息，然后根據配置信息的當前模式內容跳轉到相應模式。

圖 4主控流程控制及任務管理程序流程圖

船載模式下（圖5），主控模塊首先控制電子系統(tǒng)進行加電自檢，自檢過程中收集電子系統(tǒng)各模塊自檢參數，打包成船載模式系統(tǒng)初始化參數發(fā)送給存儲模塊，由存儲模塊轉發(fā)給調試計算機，然后主控模塊等待存儲模塊轉發(fā)的調試或關機指令，收到調試指令后，控制電子系統(tǒng)進行聲信號發(fā)射和采集，發(fā)射和采集期間分別收集電子系統(tǒng)各模塊參數，分別打包成船載模式系統(tǒng)發(fā)射參數和系統(tǒng)收采參數發(fā)送給存儲模塊，由存儲模塊進行轉發(fā)；收到關機指令后，關閉電子系統(tǒng)相應模塊。

圖5　船載調試模式程序流程圖

水下自檢模式下（圖6），主控模塊首先控制電子系統(tǒng)進行加電自檢，自檢過程中收集電子系統(tǒng)各模塊自檢參數，打包成水下自檢系統(tǒng)初始化參數和水下自檢結果，將系統(tǒng)初始化參數送存儲模塊進行存盤記錄，將自檢結果發(fā)送給水聲通訊子系統(tǒng)，由其轉發(fā)，收到通訊子系統(tǒng)轉發(fā)甲板設備回應后關閉電子系統(tǒng)相應模塊。

圖6　水下自檢模式程序流程圖

在水下工作模式下（圖7），主控模塊首先控制電子系統(tǒng)進行加電自檢，自檢過程中收集電子系統(tǒng)各模塊自檢參數，將自檢參數打包成水下工作模式系統(tǒng)初始化參數，發(fā)送給存儲模塊進行存盤記錄，然后等待時間匹配后，啟動聲信號發(fā)射或采集存儲任務。任務期間收集電子系統(tǒng)各模塊參數，打包成水下工作模式系統(tǒng)發(fā)射參數或系統(tǒng)收采參數，發(fā)送給存儲模塊進行存盤記錄，按照任務設定的次數進行聲信號發(fā)射或采集存儲工作，本次任務結束后，關閉電子系統(tǒng)相應模塊。

圖7　水下工作模式程序流程圖

5　結論

本文基于FPGA設計的聲層析潛標主控模塊具有硬件電路架構簡單的特點，通過對FPGA進行編程實現(xiàn)主控模塊復雜的邏輯控制以及多個接口數據交互，利用狀態(tài)機控制實現(xiàn)主控模塊的流程控制及任務管理功能，通過配置FPGA的IO管腳實現(xiàn)主控模塊與其他模塊的多個接口數據通信。在多次湖上、海上試驗過程中，證明了基于FPGA設計的主控模塊流程控制、任務管理、時鐘驅動等各項功均能滿足系統(tǒng)指標要求，具有較強的可靠性和良好的應用前景。

[1] 趙航芳, 汪非易, 朱小華, 等. 海洋聲學層析研究現(xiàn)狀與展望[J]. 海洋技術學報, 2015, 34(3):69-73.

[2] Xilinx. Spartan-3 FPGA Family datadheet[Z]. 2005.