一種應(yīng)用于水下信標(biāo)的信號(hào)處理控制電路設(shè)計(jì)

周展望

（中國船重工集團(tuán)公司第七一五研究所杭州310023）

一種應(yīng)用于水下信標(biāo)的信號(hào)處理控制電路設(shè)計(jì)

周展望

（中國船重工集團(tuán)公司第七一五研究所杭州310023）

介紹水下聲學(xué)定位測(cè)量系統(tǒng)研制背景；講述信號(hào)處理控制電路的總體設(shè)計(jì)方案，并從硬件設(shè)計(jì)以及軟件設(shè)計(jì)方面對(duì)電路的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行了分析和闡述，給出了主要的電路設(shè)計(jì)模塊框圖和軟件流程圖。

水下聲學(xué)定位測(cè)量系統(tǒng)；水下信標(biāo)；DSP；MSP430單片機(jī)

Class NumberTN929

1 引言

在水聲技術(shù)的發(fā)展過程中，自主航行的聲陣系統(tǒng)或探測(cè)設(shè)備不斷在發(fā)展中，而相關(guān)聲陣或設(shè)備在水下航行的姿態(tài)和軌跡控制是水聲裝備能否正常工作和保障探測(cè)、定位能力的重要因素，是目前水聲技術(shù)研究中需要解決的重要技術(shù)問題之一。水下聲學(xué)定位測(cè)量系統(tǒng)［1］主要用于測(cè)量運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的位置及其運(yùn)動(dòng)軌跡，其建設(shè)目的是形成適應(yīng)范圍較寬的水下定位能力，適用于該系統(tǒng)的水聲目標(biāo)或載體形式可具有多樣性。本文主要講述水下信標(biāo)信號(hào)處理控制電路的研制。

2 方案設(shè)計(jì)

信號(hào)處理電路位于水下聲學(xué)定位測(cè)量系統(tǒng)的水下信標(biāo)電子艙內(nèi)，它是水下信標(biāo)電路的重要組成部分。該電路的設(shè)計(jì)目標(biāo)是：對(duì)水聲信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)及識(shí)別，從而控制系統(tǒng)工作在以下模式：空閑模式、被動(dòng)模式、主動(dòng)模式，當(dāng)系統(tǒng)工作在空閑模式時(shí)，不開啟水聲信號(hào)上傳通道，發(fā)射電路不工作；當(dāng)系統(tǒng)工作在被動(dòng)模式時(shí)，開啟水聲信號(hào)上傳通道，通過電纜將經(jīng)過低頻預(yù)處理的水聲信號(hào)傳輸?shù)剿娓∏?，?jīng)高頻發(fā)射模塊傳送至船載處理設(shè)備進(jìn)行定位解算，此時(shí)發(fā)射電路不工作；當(dāng)系統(tǒng)工作在主動(dòng)模式時(shí)，不開啟水聲信號(hào)上傳通道，利用信號(hào)處理電路產(chǎn)生指定信號(hào)形式的應(yīng)答信號(hào)，并將該信號(hào)送入發(fā)射模塊，由發(fā)射模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的變換后，通過換能器［2］向外發(fā)射。信號(hào)處理控制電路功能框圖（虛線框內(nèi)）如圖1所示。

信號(hào)處理控制電路以DSP［3］和MCU為核心，主要由用于完成水聲信號(hào)采集與信號(hào)分析、SPI通訊、信號(hào)生成等功能的信號(hào)處理單元和用于完成SPI通訊、485通訊［4］、電源管理等功能的控制單元組成。

此外，為方便系統(tǒng)日后升級(jí)，信號(hào)處理電路還設(shè)計(jì)包含參數(shù)設(shè)置與顯示電路和時(shí)鐘電路［5］等備用單元。其中參數(shù)設(shè)置與顯示電路可以用于設(shè)置生成信號(hào)的各項(xiàng)參數(shù)（如發(fā)射周期、發(fā)射脈寬、信號(hào)形式等）；時(shí)鐘電路可以用于設(shè)定系統(tǒng)工作周期。

3 電路設(shè)計(jì)

3.1 信號(hào)處理單元電路

信號(hào)處理單元電路由DSP主控電路、存儲(chǔ)電路、AD采集電路組成［6］。

3.1.1 DSP主控電路

DSP主控電路是信號(hào)處理單元電路的核心，用于完成水聲信號(hào)的采集和相關(guān)處理。根據(jù)功耗和處理能力考慮，采用的DSP為TI公司的TMS320VC5509A芯片。該芯片主頻可以達(dá)到200MHz，具有硬件乘法器，乘加法能力為400MIPS。電路組成框圖如圖2所示。

3.1.2 存儲(chǔ)電路

由于TMS320VC5509內(nèi)部無FLASH，故需要外擴(kuò)FLASH用于程序存儲(chǔ)器。本設(shè)計(jì)選用AM29LV400B芯片，該芯片大小為512KB，可以滿足信號(hào)處理程序的存儲(chǔ)。選用的SRAM為ISSI61WV1024ALL芯片，該芯片大小為2MB，預(yù)估可以滿足程序運(yùn)行中的緩存需要。

3.1.3 AD采集電路

設(shè)計(jì)選用AD芯片TI公司的ADS1178，該芯片為8通道16位同步采樣AD轉(zhuǎn)換器，在高速模式下，采用率可達(dá)到52K，而每通道的功耗僅為31mW［8］。該轉(zhuǎn)換器每個(gè)通道均有一個(gè)控制端，對(duì)于不使用的通道可以將其關(guān)閉從而降低功耗。AD轉(zhuǎn)換器通過幀同步串行接口與DSP的多通道串口進(jìn)行連接，其接口示意圖如圖3所示。

3.2 控制單元電路

控制單元電路由MCU主控電路、電源管理、開關(guān)電路、485通訊電路、備用單元電路組成。各電路模塊設(shè)計(jì)如下。

3.2.1 MCU主控電路

主控電路MCU的選型考慮了低功耗、集成化、開發(fā)周期等因素，選用了TI公司型號(hào)為MSP430F235的單片機(jī)，其特點(diǎn)如下：寬工作電壓：1.8V～3.6V；16KB Flash程序存儲(chǔ)器；2KB SRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；48個(gè)IO口；2路UART口；低功耗休眠方式。電路功能框圖如圖4所示。

3.2.2 電源管理

電源管理電路［4］主要實(shí)現(xiàn)如下功能：上電值班、電源生成與上電時(shí)序控制、各電路模塊通斷電控制。在設(shè)計(jì)中，還要進(jìn)行抗干擾設(shè)計(jì)［10］，防止信號(hào)處理板受到通訊模塊天線的干擾；也要防止信號(hào)處理電路可能對(duì)低頻電路造成干擾。

1）上電值班電路［8］

信號(hào)處理電路密封在系統(tǒng)應(yīng)答器艙內(nèi)，整個(gè)電路在投放入水前處于待機(jī)狀態(tài)，只有在入水后才上電工作。設(shè)計(jì)中，采用一節(jié)3.6V的鋰電池為值班電路供電，利用海水電極作為導(dǎo)電開關(guān)，具體設(shè)計(jì)如圖5所示。

系統(tǒng)投放前，海水電極處于斷開狀態(tài)，整個(gè)電路不導(dǎo)通，僅有微小的漏電流通過，從而降低了系統(tǒng)功耗；系統(tǒng)投放入水后，海水電極導(dǎo)通，MCU主控電路上電開始工作，并控制電源管理電路生成3.3V等電源，持續(xù)為整個(gè)電路供電。

2）電源生成與上電時(shí)序控制

本部分電路的功能為為低頻電路提供7.2V電源，為發(fā)射電路提供21V、15V、3.3V電源，并控制其上電順序和為信號(hào)處理單元電路提供A5V、D3.3V、D1.8V、D1.6V電源，并控制其上電順序，具體設(shè)計(jì)如圖6所示。

信號(hào)處理單元電路的上電時(shí)序說明如下：系統(tǒng)入水后，控制電路首先控制7.2V數(shù)字電源上電，隨后生成D5V數(shù)字電源，再依次生成D1.6V、D1.8V、D3.3V、A5V電源，最后控制7.2V低頻電路上電。在系統(tǒng)工作期間，信號(hào)處理電路一直處于工作狀態(tài)，不斷電。

發(fā)射電路的上電時(shí)序說明如下：當(dāng)系統(tǒng)處于主動(dòng)工作模式時(shí)，控制電路首先控制生成15V發(fā)射電源，再控制3.3V發(fā)射電路電源上電，最后控制21V發(fā)射電路電源上電。當(dāng)系統(tǒng)切換到被動(dòng)工作模式時(shí)，則首先控制21V發(fā)射電路電源斷電，再控制3.3V發(fā)射電路電源斷電，最后控制15V發(fā)射電路電源斷電。

3.2.3 通道開關(guān)電路

水聲信號(hào)上傳通道的開啟和關(guān)閉采用模擬開關(guān)實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)示意圖如圖7所示。

當(dāng)系統(tǒng)處于被動(dòng)工作模式時(shí)，控制電路控制開啟模擬開關(guān)，水聲得以通過電纜傳輸?shù)较到y(tǒng)上電子艙；當(dāng)系統(tǒng)處于主動(dòng)工作模式時(shí)，控制電路控制關(guān)閉模擬開關(guān)，水聲信號(hào)上傳通道被斷開。

3.2.4485 通訊電路

485通訊電路用于上下電子艙命令交互，上電子艙可以將信號(hào)參數(shù)通過電纜下發(fā)給下電子艙，從而改變生成信號(hào)的形式。上電子艙的信號(hào)參數(shù)可以進(jìn)行預(yù)先設(shè)置，亦可通過遙控電路進(jìn)行接收。

3.2.5 備用單元電路

備用單元電路包含了參數(shù)設(shè)置顯示電路和時(shí)鐘電路，用于日后的系統(tǒng)升級(jí)。在本設(shè)計(jì)階段，可以將參數(shù)設(shè)置顯示電路作為測(cè)試電路使用，即利用設(shè)置按鈕設(shè)置生成信號(hào)的形式，利用顯示數(shù)碼管顯示電路工作模式。

3.2.6 抗干擾設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)的下電子艙中，除了信號(hào)處理電路，還有低頻電路和發(fā)射電路，從電路抗干擾設(shè)計(jì)出發(fā)，設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)各種地線進(jìn)行了隔離，劃分為電源地、數(shù)字地、模擬地、發(fā)射地，并在電源入口處進(jìn)行工地。此外，還在芯片的電源引腳附近布置了濾波和去耦電容。

4 軟件設(shè)計(jì)

信號(hào)處理電路軟件設(shè)計(jì)包含DSP軟件設(shè)計(jì)和單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)［9］。

4.1 DSP軟件設(shè)計(jì)

DSP軟件程序流程如圖8所示。

4.2 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)軟件程序流程如圖9所示。

5 結(jié)語

本文講述了一種基于DSP和MCU為核心處理器的水下信標(biāo)信號(hào)處理控制電路設(shè)計(jì)，詳細(xì)講述了電路的軟硬件設(shè)計(jì)思路和過程，經(jīng)過聯(lián)調(diào)，電路達(dá)到了系統(tǒng)提出的設(shè)計(jì)要求。

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Design of Underwater Beacon Signal Processing Control Circuit

ZHOU Zhanwang
（The 715th Research Institute of CSIC，Hangzhou310023）

This paper introduces the development background of the underwater acoustic positioning measurement system，tells about the general design scheme of the signal processing and control circuit.The paper analyzes and discusses the design idea of the circuit from the aspects of hardware design and software design.And the main circuit design block diagram and software flow chart are given.

system of underwater acoustic positioning measurement，underwater beacon，DSP，MSP430 MCU

TN929

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.07.035

2017年1月8日，

2017年2月23日

周展望，男，助理工程師，研究方向：信號(hào)處理與電路設(shè)計(jì)。