聲學(xué)信號采集及網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)設(shè)計

周瑩，高超，魏永星，張爽

（國家海洋技術(shù)中心天津300112）

眾所周知，在人們迄今所熟知的各種能量形式中，在水中以聲波的傳播性能為最好。聲信號采集及傳輸系統(tǒng)是聲信號處理的基礎(chǔ)，是聲吶、聲目標(biāo)定位、聲信號分離、聲信號增強等技術(shù)的重點，其設(shè)計的性能直接影響到這些處理的結(jié)果[1-2]。一般情況下，聲學(xué)信號采集及傳輸系統(tǒng)需在水下長時間工作，所以系統(tǒng)的功耗及傳輸方式在一定程度上決定著整個系統(tǒng)的性能。文中所述的聲學(xué)信號采集系統(tǒng)采用基于嵌入式系統(tǒng)的以太網(wǎng)移植方法，系統(tǒng)上位機通過以太網(wǎng)發(fā)送命令或數(shù)據(jù)給終端，終端收到后啟動A/D轉(zhuǎn)換器執(zhí)行相應(yīng)的動作，最后終端將得到的信息處理后再次通過以太網(wǎng)上傳回上位機。

1　系統(tǒng)硬件設(shè)計

聲學(xué)信號采集及傳輸系統(tǒng)由聲學(xué)傳感器、信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換模塊、電源模塊、控制模塊及網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊組成，其原理框圖如圖1所示?？刂颇K中選用ST公司的STM32F207微控制器作為系統(tǒng)的主控制器[3]。STM32F207內(nèi)嵌ARM32位Cortex-M3 CPU，自適應(yīng)實時加速器可以讓程序在Flash中以最高120 MHz頻率執(zhí)行時，能夠?qū)崿F(xiàn)高達150DMIPS/1.25DMIPS/MHz性能[4-5]?？刂破鞑捎?.65～3.6 V的內(nèi)核和I/O管腳供電，具有睡眠、停機和待機模式保證系統(tǒng)低功耗應(yīng)用的要求，具有專用DMA的10/100以太網(wǎng)MAC，支持硬件IEEE 1588v2，豐富的外設(shè)配置，使得系統(tǒng)設(shè)計簡化進一步減少功耗[6-7]。A/D轉(zhuǎn)換模塊中，選用TI公司的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1258完成聲學(xué)信號的采集，ADS1258具有24位采樣精度，定通道采樣速率為125 Ks/s，工作電壓在2.7～5.25 V范圍內(nèi)可選，具有精度高、轉(zhuǎn)換速率快、低功耗的特性[8-9]。在本系統(tǒng)中ADS1258工作時采取固定通道輸入模式，通過配置寄存器確定選擇的通道，采集的數(shù)據(jù)在主控制器的控制下通過網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊傳輸?shù)缴衔粰C[10]。網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊采用SMSC推出的節(jié)能、低功耗10/100以太網(wǎng)絡(luò)物理層收發(fā)器LAN8742，其可提供“局域網(wǎng)喚醒”（Wake on LAN），可讓系統(tǒng)進入低功耗狀態(tài)，并在特定的網(wǎng)絡(luò)流量出現(xiàn)時喚醒系統(tǒng)，因此可在待機期間節(jié)省資源。

圖1　低功耗聲學(xué)信號采集系統(tǒng)原理框圖

系統(tǒng)中電源的選擇對系統(tǒng)是否能正常工作起到至關(guān)重要的作用，本系統(tǒng)中STM32F207和LAN8742的芯片工作電源要求+3.3 V，ADS1258不僅需要+3.3 V的工作電源還需要+2.5 V和-2.5 V的基準(zhǔn)電源。系統(tǒng)采用凌特公司推出的一款LTC3533高效同步整流降壓-升壓DC/DC轉(zhuǎn)換器，其在恒定開關(guān)頻率可確保低噪聲，將系統(tǒng)輸入電壓轉(zhuǎn)換到+3.3 V。系統(tǒng)采用TPS79925低壓差線性調(diào)節(jié)器將+3.3 V調(diào)節(jié)到+2.5 V，TPS79925具有低噪聲、快起動和極好的線荷載瞬態(tài)響應(yīng)，另外采用TPS72325低壓降線性穩(wěn)壓器將+3.3 V調(diào)節(jié)到-2.5 V，此款芯片具有低噪聲、高PSRR負輸出等特點。由于系統(tǒng)中STM32F207、LAN8742與ADS1258的工作電源要分開，因此在電源設(shè)計中分成模擬和數(shù)字兩組獨立的電源。模擬電路與數(shù)字電路分開布局可預(yù)防數(shù)字電路工作在高速脈沖狀態(tài)時，瞬時的涌浪電流對直流電壓產(chǎn)生高頻干擾，從而影響小信號的模擬電路工作。所以在PCB板布線時為使干擾降低，將模擬信號部分和數(shù)字信號部分分開布局，模擬地和數(shù)字地單點共地。系統(tǒng)電源設(shè)計如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)電源電路

STM32F207工作需要2個晶振，一個是HSE，采用外部8 MHz頻率的晶振，內(nèi)部PLL倍頻使用，分別與OSC_IN和OSC_OUT引腳連接；另一個LSE時鐘電路，它為系統(tǒng)待機或低功耗時提供精確的時鐘源，LSE電路需要一個32.768KHz頻率的外部時鐘源，具有50%占空比的外部時鐘信號與OSC32_IN和OSC32_OUT引腳相連。

復(fù)位電路的作用是確保在系統(tǒng)上電后不讓STM32F207立刻進入工作狀態(tài)，暫時處于上電延時狀態(tài)；或者在系統(tǒng)供電電壓不足的時候提供復(fù)位信號。這樣可以讓系統(tǒng)程序重新執(zhí)行，而不會陷入無序執(zhí)行狀態(tài)，防止CPU發(fā)出錯誤的指令、執(zhí)行錯誤操作，也可以提高電磁兼容性能。STM32F207芯片的復(fù)位引腳是NRST，設(shè)計中加入電阻和電容，放電回路組成RC復(fù)位電路，系統(tǒng)上電時，電源電壓有瞬間下降，電容迅速充電，形成一定寬度的電源毛刺保證系統(tǒng)可靠復(fù)位。

系統(tǒng)利用STM32F207的通用I/O引腳為ADS1258提供復(fù)位及模數(shù)轉(zhuǎn)換啟動信號；利用片上專有的SPI接口連接ADS1258，兩者間采用四線制（片選信號、時鐘信號、數(shù)據(jù)輸入信號、數(shù)據(jù)輸出信號）通信方式，ADS1258工作在SPI通信從模式下，且始終處于被選中狀態(tài)。STM32F207通過讀寫ADS1258的寄存器配置其工作方式[11-12]。表1為系統(tǒng)對ADS1258工作寄存器的配置詳情。

表1　ADS1258寄存器配置

其中CONFIG0、CONFIG1是狀態(tài)寄存器，MUXSCH代表多路固定通道選擇寄存器。CONFIG0的BIT6=0b，復(fù)位時間為256fCLK；BIT5=1b，系統(tǒng)采用固定通道模式；BIT4=1b，輸入的模擬信號通過共用的外部信號調(diào)理通道傳輸?shù)紸/D轉(zhuǎn)換器。系統(tǒng)通過CONFIG1的BIT1-0[1:0]位選擇A/D的轉(zhuǎn)換速率，BIT1-0[1:0]=11b時轉(zhuǎn)換速率為125000SPS。ADS1258的模數(shù)轉(zhuǎn)換過程如下：STM32F207控制引腳START上的正脈沖啟動一次模數(shù)轉(zhuǎn)換，當(dāng)該次轉(zhuǎn)換結(jié)束時，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好，DRDY引腳輸出低電平信號，提示可以提取采樣數(shù)據(jù)[12]。本系統(tǒng)中，將數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好信號（DRDY）作為STM32F207的一個外部中斷源，可通過外部中斷服務(wù)程序來讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。

系統(tǒng)中聲學(xué)傳感器信號是-2.5～+2.5的模擬信號，單通道模擬輸入信號被配置成差分輸入方式以抑制噪聲干擾[13]。系統(tǒng)中的信號調(diào)理電路采用TI公司的運算放大器OPA4340作為跟隨器進行信號輸入阻抗的調(diào)理，提高輸入阻抗，對信號起到緩沖隔離的作用，RC濾波電路還可有效濾除高頻干擾信號，提高信噪比。另外，系統(tǒng)為提高A/D轉(zhuǎn)換精度，在ADS1258外加高精度參考電壓源，當(dāng)參考電壓與AVDD、AVSS一致時，A/D信噪比最高，因此系統(tǒng)采用-2.5 V和+2.5 V為參考電壓。另外，系統(tǒng)外接16 MHz有源晶振為ADS1258提供工作時鐘，確保系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性[14]。

2　系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)采用嵌入式實時操作系統(tǒng)uc/os-II，uc/os-II規(guī)模小，實時性和可靠性較好。系統(tǒng)分解為多個相對獨立的任務(wù)，降低系統(tǒng)的復(fù)雜度，方便應(yīng)用程序的設(shè)計及擴展，一個任務(wù)是一個線程，可有休眠、就緒、運行、掛起和被中斷狀態(tài)，提高系統(tǒng)效率。系統(tǒng)的工作是協(xié)調(diào)多個任務(wù)在單個MCU上“同時”運行。uc/os-II不支持時間片輪轉(zhuǎn)法，多任務(wù)的啟動是通過調(diào)用OSStart（）實現(xiàn)的，然后再根據(jù)消息隊列、信號量、內(nèi)存管理和時間管理等系統(tǒng)服務(wù)進行任務(wù)之間的切換。文中針對STM32F207微處理器在集成環(huán)境keil view MDK上進行uc/os-II操作系統(tǒng)的移植。系統(tǒng)移植的改動主要有兩部分，一個是一些頭文件的增減，另外一個是向量表內(nèi)容的修改。系統(tǒng)在OS_CFG.H頭文件中配置uc/os-II的系統(tǒng)功能，根據(jù)系統(tǒng)需求進行任務(wù)剪裁。系統(tǒng)為了使代碼適應(yīng)編譯環(huán)境需要將OS_CPU_A.ASM文件中的部分內(nèi)容作出相應(yīng)改動，內(nèi)容如表2所示。

表2　OS_CPU_A.ASM文件修改內(nèi)容

另外將啟動代碼中所有“PendSV_Handler”修改為“OS_CPU_PendSVHandler”這樣μc/os-II就可以通過STM32F207的中斷進行系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度；將“Sys?Tick_Handler”修改為“OS_CPU_SysTickHandler”，使uc/os-II可以用STM32F207中的嘀嗒定時器Sys?Tick作為時間基準(zhǔn)，每周期時間向PendSV發(fā)出一個中斷，進行任務(wù)調(diào)度。

網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊部分，采用LWIP（Lightweight IP）協(xié)議，它是一套用于嵌入式系統(tǒng)的輕量型TCP/IP協(xié)議棧，將μc/os-II中的相關(guān)函數(shù)封裝，就可滿足LWIP的需求。利用uc/os-II操作系統(tǒng)的函數(shù)完成LWIP中信號量、消息隊列、定時器和線程創(chuàng)建等功能的封裝。LWIP協(xié)議工作中分兩種模式，Server（客戶端）模式和client（服務(wù)端）模式。任務(wù)間數(shù)據(jù)流框圖如圖3所示。

系統(tǒng)初始化完成后，LWIP任務(wù)接收來自上位機的數(shù)據(jù)采集指令；指令被送到消息隊列DataTxCommand中，等待 DataTxTask（）任務(wù)進行處理。DataTxTask（）接收到數(shù)據(jù)采集指令時，啟動信號采集和緩存模塊，通過套接字接口將數(shù)據(jù)從網(wǎng)絡(luò)接口傳輸?shù)缴衔粰C；接收到停止采集指令時，停止信號采集和網(wǎng)絡(luò)傳輸。

圖3　系統(tǒng)數(shù)據(jù)流框圖

其中CommandRXTask（）中創(chuàng)建連接TCP/IP的套接字，接收到來自LWIPTCP/IPTask（）的控制指令，調(diào)用函數(shù)Data_Receive（）采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集結(jié)束后將數(shù)據(jù)包通過DataTxCommand隊列傳送回CommandRXTask（）繼而傳回上位機。任務(wù)中程序流程圖如圖4所示。

根據(jù)系統(tǒng)配置要求ADS1258的轉(zhuǎn)換結(jié)果采用直接讀取模式，STM32F207與ADS1258的SPI接口兼容，根據(jù)數(shù)據(jù)通信時序圖，在前3個SCLK時鐘跳變中，數(shù)據(jù)輸入引腳DIN的電平保持不變，即可從DOUT引腳直接讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果[15-16]。ADC轉(zhuǎn)換程序軟件流程圖如圖4所示，在ADC轉(zhuǎn)換程序開始時，首先保持START引腳為低電平，以確保ADS1258是停止?fàn)顟B(tài)，然后將片選CS引腳置為高電平，用以復(fù)位SPI接口，復(fù)位結(jié)束后STM32F207將CS置成低電平，通過SPI給ADS1258發(fā)送指令，對相應(yīng)寄存器進行配置，工作模式配置為固定通道輸入模式，配置完寄存器并進行數(shù)據(jù)校驗后控制START引腳啟動ADC轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)束后，DRDY引腳輸出為低電平，此時可通過讀取DOUT引腳的值，獲得相應(yīng)通道的ADC轉(zhuǎn)換值。

圖4　網(wǎng)絡(luò)傳輸程序流程圖

圖5　AD轉(zhuǎn)換程序流程圖

3　試驗應(yīng)用

系統(tǒng)在消聲水池中完成實測，將聲學(xué)傳感器放入水池中固定水深處，通過上位機發(fā)送采集指令，可選“連續(xù)測量”或“整點測量”，測量數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳回上位機。圖5為系統(tǒng)信號采集結(jié)果值比對，從圖中可見系統(tǒng)轉(zhuǎn)換誤差控制在50 μv以內(nèi)，完全滿足系統(tǒng)設(shè)計要求，圖6更是直觀給出了AD采集數(shù)據(jù)前后的比對圖，可見系統(tǒng)采集精度高，工作性能穩(wěn)定。

圖6　ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果比對

4　結(jié)論

文中提出了一種通過微處理器STM32F207控制模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS1258實現(xiàn)聲學(xué)信號采集并采用LAN8742網(wǎng)絡(luò)控制器進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆桨福f明了系統(tǒng)硬件電路和軟件設(shè)計的思想和方法，并給出ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果的比對。經(jīng)消聲水池實際測試，該采集系統(tǒng)能夠正確采集聲學(xué)信號，性能穩(wěn)定，采集精度滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。

圖7　采集數(shù)據(jù)比對圖