基于雙ARM 的水聲信號(hào)采集潛標(biāo)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李廣勝 秦華俊 馮師軍 田 甜 謝旭良 冀石磊

(*中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三研究所 北京100015)

(**中國(guó)人民解放軍32069 部隊(duì) 北京100091)

0 引言

水聲信號(hào)采集潛標(biāo)系統(tǒng)又稱水下浮標(biāo)系統(tǒng),能夠在惡劣的海洋環(huán)境條件下定點(diǎn)、無(wú)人值守、隱蔽地對(duì)海底信號(hào)進(jìn)行采集[1-3]。作為一種探測(cè)水下信號(hào)的重要技術(shù)裝備,潛標(biāo)系統(tǒng)具有其他探測(cè)設(shè)備不可替代的作用,被廣泛應(yīng)用于國(guó)防建設(shè)、海洋科學(xué)研究、海洋綜合利用等各個(gè)領(lǐng)域[4]。

潛標(biāo)技術(shù)的研究始于20 世紀(jì)50 年代的美國(guó),隨后,世界海洋強(qiáng)國(guó)相繼開(kāi)展類似的研究和應(yīng)用。經(jīng)過(guò)70 多年的發(fā)展,潛標(biāo)在基礎(chǔ)理論、新技術(shù)、新材料、新工藝等方面取得了長(zhǎng)足進(jìn)展[5]。目前,美國(guó)、日本、澳大利亞、俄羅斯等國(guó)家都在積極發(fā)展?jié)摌?biāo)系統(tǒng)[6]。其中,美國(guó)在各類潛標(biāo)裝備技術(shù)方面的研究始終保持領(lǐng)先地位。當(dāng)前潛標(biāo)的代表性成果主要有以下兩個(gè):其一是美國(guó)伍茲霍爾海洋研究所和日本NGK OCEAN 公司研制的海洋潛標(biāo)觀測(cè)系統(tǒng)[7]。1994 年美國(guó)建成的“百慕大試驗(yàn)站錨泊系統(tǒng)”,通過(guò)感應(yīng)式調(diào)制解調(diào)器耦合方式,潛標(biāo)利用一根錨泊纜可將水下傳感器數(shù)據(jù)傳到海面浮標(biāo),然后經(jīng)由衛(wèi)星傳送至岸站[8]。其二是2000 年法國(guó)海洋開(kāi)發(fā)研究所與MARTEC 集團(tuán)合作研制的Provor CT,可在水下2 km 深度收集海洋環(huán)境數(shù)據(jù),且能夠定期自動(dòng)上浮至海面通過(guò)衛(wèi)星將數(shù)據(jù)進(jìn)行回收[9]。

與歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家相比,我國(guó)在潛標(biāo)系統(tǒng)裝備技術(shù)方面的研究起步較晚,開(kāi)始于20 世紀(jì)80 年代初,經(jīng)過(guò)40 多年的發(fā)展,至今已經(jīng)掌握了潛標(biāo)系統(tǒng)關(guān)鍵核心技術(shù)并取得了豐碩的成果。目前,作為國(guó)內(nèi)潛標(biāo)系統(tǒng)的主要研制單位,中船重工710 所與715 所、國(guó)家海洋技術(shù)中心、中科院聲學(xué)所與海洋所以及山科院海儀所等單位通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新、自主研發(fā),形成了從近岸到深遠(yuǎn)海的各種類型潛標(biāo)裝備,并積累了豐富的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)[10]。比如,“六五”期間,國(guó)家海洋技術(shù)中心立項(xiàng)研制FSS1-1 型千米測(cè)流潛標(biāo)系統(tǒng),自主解決了系泊纜、錨鏈、聲學(xué)應(yīng)答釋放等核心問(wèn)題,并于1986 年完成FSS1-2 研制工作。此后,國(guó)家海洋技術(shù)中心相繼開(kāi)展H/HQB 型海洋潛標(biāo)系統(tǒng)研發(fā)工作,解決了潛標(biāo)主浮體以上淺表層海流測(cè)量問(wèn)題?！笆濉奔啊笆晃濉逼陂g,在“863”等課題支持下中船重工710 所開(kāi)展了實(shí)時(shí)傳輸海洋潛標(biāo)系統(tǒng)的研制工作,通過(guò)水面浮標(biāo)與衛(wèi)星的雙向通訊,攻克了深海潛標(biāo)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸問(wèn)題[11]。另外,山科院海儀所通過(guò)定時(shí)釋放小型通信浮體的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送到指定終端,成功研制了潛標(biāo)定時(shí)傳輸系統(tǒng)。2010 年,中科院海洋研究所研發(fā)了6000 m海洋潛標(biāo)觀測(cè)系統(tǒng),可通過(guò)仿真模擬軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)潛標(biāo)的錨系系統(tǒng)的精準(zhǔn)定位布放進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。此后,在中科院先導(dǎo)科技專項(xiàng)的支持下,2015 年中科院海洋研究所又成功研制了基于衛(wèi)星通信的實(shí)時(shí)傳輸潛標(biāo)觀測(cè)系統(tǒng),并實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)在西太平洋海域規(guī)?；膽?yīng)用。

此外,國(guó)內(nèi)其他一些研究機(jī)構(gòu)和高校也開(kāi)展了潛標(biāo)系統(tǒng)的研究工作。比如,1998 年哈爾濱工程大學(xué)研制了海洋矢量聲場(chǎng)觀測(cè)用浮標(biāo)與潛標(biāo)系統(tǒng)平臺(tái),通過(guò)無(wú)線收發(fā)終端,能夠?qū)崿F(xiàn)浮標(biāo)與潛標(biāo)的遠(yuǎn)程控制[12]。在“863”計(jì)劃支持下,中國(guó)海洋大學(xué)開(kāi)展了深水定時(shí)衛(wèi)星通信潛標(biāo)系統(tǒng)的自主研發(fā)工作,在2015 年12 月進(jìn)行了系列海試并順利實(shí)現(xiàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)的定時(shí)回傳[13]。2017 年,西北工業(yè)大學(xué)與多所科研單位聯(lián)合研制深海潛標(biāo)系統(tǒng),并在馬里亞納海溝9000 m 處進(jìn)行了成功布放與回收。同年,中科院海洋所研發(fā)垂直剖面實(shí)時(shí)測(cè)量潛標(biāo)系統(tǒng),通過(guò)數(shù)據(jù)耦合的方式將觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶Ｃ嫱ㄓ嵏?biāo)。此外,中國(guó)電科第三研究所于2019 年針對(duì)于水下特殊信號(hào)探測(cè)需求成功研制了多款潛浮標(biāo)系統(tǒng),并于2020年在南海相關(guān)海域投入實(shí)際使用。

近年來(lái),隨著國(guó)內(nèi)外對(duì)水下探測(cè)設(shè)備的需求日益增加,對(duì)于潛標(biāo)系統(tǒng)的性能要求越來(lái)越嚴(yán)格,這也對(duì)潛標(biāo)控制系統(tǒng)提出了更高的要求[14]。除了低成本、高性能、長(zhǎng)工作時(shí)間、大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量等要求外,還要求潛標(biāo)操作便捷、工作模式多樣、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)靈活,并能夠提供更多的輔助信息以便減少其他輔助設(shè)備[15-16]。為此,本文從實(shí)際應(yīng)用需求出發(fā),以模塊化方法設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一種基于雙ARM 的水聲信號(hào)采集潛標(biāo)控制系統(tǒng),可以有效滿足潛標(biāo)長(zhǎng)期低功耗運(yùn)行、大容量信號(hào)采集與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及多工作模式與任務(wù)管理等需求。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的水聲信號(hào)采集潛標(biāo)系統(tǒng)硬件主要包括主控模塊、信號(hào)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、水聲通信模塊、電源管理模塊5 部分。其中,主控模塊作為潛標(biāo)控制系統(tǒng)的核心,運(yùn)行ARM 嵌入式控制軟件,主要完成系統(tǒng)邏輯控制、通信指令與數(shù)據(jù)交互、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)等功能;信號(hào)采集模塊主要負(fù)責(zé)水聲信號(hào)的采集、調(diào)理與模數(shù)轉(zhuǎn)換;數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊主要根據(jù)控制指令并按照預(yù)定的格式要求完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、導(dǎo)出、刪除等操作;水下通信模塊主要完成潛標(biāo)與其他通信設(shè)備之間的水聲通信;電源管理模塊具有多路電源輸出能力,且能夠根據(jù)控制指令完成電源的開(kāi)關(guān)控制。

潛標(biāo)系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 潛標(biāo)系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)

在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中,主控模塊與信號(hào)采集模塊、電源管理模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和水聲通信模塊之間通過(guò)USART 串口進(jìn)行通信指令與數(shù)據(jù)傳輸;主控模塊與深度傳感器和便攜端之間通過(guò)RS232 串口進(jìn)行交互。此外,信號(hào)采集模塊與存儲(chǔ)模塊、主控模塊之間分別通過(guò)LVDS 接口、單通道A/D 接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

1.2 系統(tǒng)工作原理

當(dāng)潛標(biāo)上電后,通過(guò)RS232 串口可與便攜端進(jìn)行通信指令與數(shù)據(jù)交互,實(shí)現(xiàn)對(duì)潛標(biāo)的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、任務(wù)配置、狀態(tài)查詢、自檢等操作。其中,系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置主要包括潛標(biāo)ID、RTC 時(shí)間、電池容量、通信波特率、恢復(fù)出廠設(shè)置等參數(shù)設(shè)置;任務(wù)配置主要根據(jù)不同的應(yīng)用需求,添加、刪除、更新不同工作模式下的工作任務(wù),以及查詢當(dāng)前工作模式與任務(wù)、任務(wù)配置參數(shù)與個(gè)數(shù)等信息;狀態(tài)查詢主要實(shí)現(xiàn)潛標(biāo)深度信息、存儲(chǔ)容量信息、電量、姿態(tài)等信息查詢操作;自檢主要完成潛標(biāo)系統(tǒng)各個(gè)功能模塊工作狀態(tài)的檢查。當(dāng)潛標(biāo)的系統(tǒng)參數(shù)、工作模式與任務(wù)等參數(shù)配置完畢以及自檢通過(guò)后,可進(jìn)行潛標(biāo)的布放操作。

當(dāng)潛標(biāo)布設(shè)完畢后,主控模塊按照配置的工作模式與任務(wù)進(jìn)行水聲信號(hào)采集與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)工作,以及進(jìn)行水聲通信同步信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。首先,主控模塊讀取任務(wù)列表并根據(jù)其配置信息進(jìn)行當(dāng)前工作模式與任務(wù)的設(shè)置與切換,以及對(duì)應(yīng)地執(zhí)行信號(hào)采集與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)任務(wù)。其次,主控模塊進(jìn)行單通道A/D檢測(cè),實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水聲通信同步信號(hào)。若檢測(cè)到水聲通信同步信號(hào),則主控模塊開(kāi)啟水聲通信模塊電源并使能水聲通信功能。最后,潛標(biāo)系統(tǒng)定時(shí)監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài),如深度、電量、存儲(chǔ)容量等,并完成狀態(tài)信息的日志記錄。

當(dāng)潛標(biāo)打撈完成后,通過(guò)RS232 串口與網(wǎng)口可對(duì)潛標(biāo)進(jìn)行存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的導(dǎo)出與刪除、日志導(dǎo)出、狀態(tài)查詢等操作。

1.3 系統(tǒng)工作模式

潛標(biāo)系統(tǒng)工作模式主要有固定時(shí)間信號(hào)采集模式、信號(hào)觸發(fā)采集模式和待機(jī)模式,3 種工作模式相對(duì)獨(dú)立且可以相互切換。

(1)固定時(shí)間信號(hào)采集模式

主控模塊根據(jù)當(dāng)前任務(wù)的設(shè)定時(shí)間(開(kāi)始時(shí)間與結(jié)束時(shí)間)進(jìn)行信號(hào)采集與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)操作。若當(dāng)前任務(wù)開(kāi)始時(shí)間已到達(dá),則開(kāi)啟信號(hào)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和姿態(tài)傳感器電源,并使能數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能;若當(dāng)前任務(wù)結(jié)束時(shí)間已到達(dá),則關(guān)閉上述模塊與外設(shè)電源并停止信號(hào)采集與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)操作。

(2)信號(hào)觸發(fā)采集模式

與固定時(shí)間信號(hào)采集模式相比,信號(hào)觸發(fā)采集模式下的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)操作需要滿足特定的觸發(fā)條件才會(huì)被執(zhí)行,即當(dāng)主控模塊檢測(cè)到采集信號(hào)的頻域能量滿足一定的閾值條件后,開(kāi)啟上述與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)相關(guān)的模塊和外設(shè)電源,并使能數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。

(3)待機(jī)模式

主控模塊開(kāi)啟單通道A/D 檢測(cè)功能,僅進(jìn)行水聲通信同步信號(hào)檢測(cè),保持最低功耗的值班狀態(tài)。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

綜合考慮潛標(biāo)系統(tǒng)的外設(shè)接口需求以及最大程度地降低系統(tǒng)功耗,除了選擇低功耗控制芯片等器件外,還對(duì)主控模塊的硬件架構(gòu)進(jìn)行模塊化、低功耗、擴(kuò)展性設(shè)計(jì)[17],提出一種基于雙ARM 架構(gòu)的潛標(biāo)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案。

主控模塊硬件系統(tǒng)主要由值班ARM 單元、控制ARM 單元及其外圍電路構(gòu)成,兩單元之間采用USART 串口通信。其中,值班ARM 作為主控制器,一方面負(fù)責(zé)系統(tǒng)值班、工作模式與任務(wù)管理、信號(hào)采集與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)控制以及系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè),另一方面完成與便攜端、深度傳感器、信號(hào)采集模塊、電源管理模塊的通信指令與數(shù)據(jù)交互?？刂艫RM 作為協(xié)處理器,主要完成與值班ARM、姿態(tài)傳感器、水聲通信模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等模塊之間的通信指令以及數(shù)據(jù)的收發(fā)或轉(zhuǎn)發(fā)操作。外圍電路主要包括高精度RTC 時(shí)鐘模塊、溫濕壓傳感器、RS232 串口、TF 卡、Flash 等。

主控模塊硬件系統(tǒng)組成框圖如圖2 所示。

圖2 主控模塊硬件系統(tǒng)組成框圖

值班與控制ARM 芯片均采用ST 公司推出的基于Cortex-M4 內(nèi)核的高性能、低成本、低功耗STM32L4XX 系列芯片,其內(nèi)部集成豐富的IO、USART、A/D、I2C、SPI 等接口。通過(guò)接口擴(kuò)展以及搭配相應(yīng)的接口電路,能夠匹配多種不同通信接口的傳感器,非常適用于外設(shè)接口多、功能豐富的潛標(biāo)控制系統(tǒng)。

主控模塊硬件板卡實(shí)物如圖3 所示。

圖3 主控模塊硬件板卡

2.1 值班ARM 單元設(shè)計(jì)

值班ARM 單元通過(guò)接口擴(kuò)展組成最小值班系統(tǒng),其接口主要包括1 路I2C、1 路A/D、2 路SPI、3 路USART 和2 路RS232 接口。

通過(guò)I2C 接口,可與溫濕壓傳感器進(jìn)行通信,獲取潛標(biāo)電子艙內(nèi)的工作溫度、濕度和壓力信息;通過(guò)RS232 接口,可與便攜端、深度傳感器進(jìn)行通信指令與數(shù)據(jù)交互,分別實(shí)現(xiàn)潛標(biāo)的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、任務(wù)下載與更新、狀態(tài)查詢、自檢等操作,以及獲取潛標(biāo)工作深度信息;通過(guò)A/D 接口,可進(jìn)行單通道A/D 檢測(cè),實(shí)現(xiàn)水聲通信同步信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè);通過(guò)USART 串口,可與電源管理模塊、控制ARM 單元和高精度RTC 模塊進(jìn)行通信,分別完成不同模塊電源的開(kāi)關(guān)控制、通信指令與數(shù)據(jù)交互,以及獲取高精度時(shí)間戳信息;通過(guò)SPI 接口,可與Flash、TF 卡進(jìn)行通信,分別實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)工作參數(shù)、任務(wù)列表的存儲(chǔ)和系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)信息的日志記錄功能。

2.2 控制ARM 單元設(shè)計(jì)

控制ARM 單元硬件接口主要包括2 路SPI、3路USART 和1 路RS232。

通過(guò)RS232 接口,可與姿態(tài)傳感器進(jìn)行通信,獲取潛標(biāo)系統(tǒng)姿態(tài)信息;通過(guò)USART 串口,可與值班ARM 單元、水聲通信模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊進(jìn)行通信,實(shí)現(xiàn)通信指令與數(shù)據(jù)交互;通過(guò)SPI 接口,可與Flash、TF 卡進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,分別實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)工作參數(shù)的存儲(chǔ)和運(yùn)行狀態(tài)信息的日志記錄功能。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

潛標(biāo)控制系統(tǒng)采用模塊化的軟件設(shè)計(jì)思想,每個(gè)功能模塊均為一個(gè)獨(dú)立的軟件模塊。潛標(biāo)系統(tǒng)功能模塊主要有主控模塊、單通道A/D 檢測(cè)模塊、工作模式與任務(wù)管理模塊、信號(hào)采集與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、電源管理模塊以及狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊。

3.1 主控模塊軟件構(gòu)架

主控模塊作為潛標(biāo)系統(tǒng)的控制中心,為了完成不同的任務(wù)控制需求和信號(hào)采集與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)工作,確保潛標(biāo)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、低功耗地工作,需要將潛標(biāo)系統(tǒng)各個(gè)功能模塊集成在一起,同時(shí)開(kāi)啟看門狗功能。

主控模塊初始化完成后,接收換能器信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)采集模塊的放大與濾波后輸出至主控模塊值班電路。首先,值班ARM 進(jìn)行單通道A/D 檢測(cè),判斷是否收到水聲通信同步信號(hào);若檢測(cè)到同步信號(hào),則開(kāi)啟通信模塊電源并使能水聲通信功能,同時(shí)接收與處理來(lái)自水聲通信模塊的通信指令與數(shù)據(jù)。其次,工作模式與任務(wù)管理模塊根據(jù)任務(wù)列表的配置信息實(shí)現(xiàn)當(dāng)前工作模式和任務(wù)的設(shè)置與切換。若在當(dāng)前工作模式和任務(wù)下,單通道檢測(cè)結(jié)果滿足數(shù)據(jù)存儲(chǔ)條件,則開(kāi)啟信號(hào)采集模塊與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊電源,并使能數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。接著,狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊對(duì)潛標(biāo)系統(tǒng)的深度、電量、存儲(chǔ)容量等信息進(jìn)行定時(shí)監(jiān)測(cè)。最后,為防止系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重錯(cuò)誤(如進(jìn)入死循環(huán)、跑飛等)不能恢復(fù),在主控程序每個(gè)循環(huán)周期內(nèi)進(jìn)行喂狗操作。

主控模塊軟件工作流程如圖4 所示。

圖4 主控模塊軟件流程

3.2 單通道A/D 檢測(cè)

單通道A/D 檢測(cè)模塊作為值班電路中非常重要的一部分,始終處于工作狀態(tài),主要實(shí)現(xiàn)合作信號(hào)與非合作信號(hào)檢測(cè)。其中,合作信號(hào)為水聲通信同步信號(hào)或握手信號(hào);非合作信號(hào)為信號(hào)強(qiáng)度滿足一定閾值條件的目標(biāo)信號(hào)。

接收換能器信號(hào)進(jìn)入信號(hào)采集模塊的調(diào)理電路(放大電路和濾波電路)后,信號(hào)分成兩路輸出,一路信號(hào)輸出至值班ARM 的A/D 接口,進(jìn)行合作與非合作信號(hào)檢測(cè);另一路信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)采集模塊內(nèi)部的A/D 電路后,直接輸出至數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和水聲通信模塊。單通道A/D 檢測(cè)電路信號(hào)流如圖5 所示。

圖5 單通道A/D 信號(hào)流

信號(hào)傳輸至值班ARM 的單通道A/D 檢測(cè)模塊后,值班電路首先根據(jù)信號(hào)的頻域和脈寬(信號(hào)寬度、間隔)檢測(cè)結(jié)果,判斷該信號(hào)是否為合作信號(hào)。若檢測(cè)結(jié)果均滿足合作信號(hào)要求,則值班ARM 開(kāi)啟水聲通信相關(guān)板卡電源,并啟動(dòng)水聲通信處理線程進(jìn)行通信指令與數(shù)據(jù)的接收、解析、執(zhí)行與反饋。若不滿足合作信號(hào)條件,則值班電路進(jìn)行信號(hào)頻域能量檢測(cè),判斷該信號(hào)是否為非合作信號(hào),若滿足非合作信號(hào)條件,則值班ARM 開(kāi)啟信號(hào)采集與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊電源并使能數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。

3.3 工作模式與任務(wù)管理

工作模式與任務(wù)管理模塊主要根據(jù)任務(wù)列表中的任務(wù)配置信息實(shí)現(xiàn)潛標(biāo)系統(tǒng)在不同工作模式下的工作流程控制和任務(wù)管理功能。任務(wù)列表在潛標(biāo)布設(shè)前可通過(guò)便攜端進(jìn)行配置,也可在潛標(biāo)布設(shè)完畢后通過(guò)水聲通信的方式進(jìn)行設(shè)置。每個(gè)任務(wù)需指定系統(tǒng)工作模式、任務(wù)開(kāi)始與結(jié)束時(shí)間以及其他工作參數(shù)。

為實(shí)現(xiàn)多個(gè)任務(wù)按照設(shè)定的順序和配置參數(shù)正確執(zhí)行,工作模式與任務(wù)管理模塊采用基于時(shí)間分配機(jī)制的多任務(wù)分時(shí)控制策略。首先,在初始化階段,待執(zhí)行任務(wù)被組織為任務(wù)列表;然后,根據(jù)任務(wù)時(shí)間配置參數(shù)為每個(gè)任務(wù)分配的運(yùn)行時(shí)間段,并按照時(shí)間先后完成任務(wù)執(zhí)行優(yōu)先級(jí)排序。最后,按照優(yōu)先級(jí)依次執(zhí)行各個(gè)任務(wù)并實(shí)現(xiàn)不同任務(wù)之間的切換。

多任務(wù)分時(shí)控制策略通過(guò)合理的時(shí)間分配與任務(wù)調(diào)度,將ARM 的運(yùn)行時(shí)間合理分配給各個(gè)任務(wù),每次只執(zhí)行一個(gè)任務(wù),待任務(wù)結(jié)束之后迅速切換至下一個(gè)任務(wù),以此循環(huán)往復(fù),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)潛標(biāo)系統(tǒng)的多工作模式與多任務(wù)的分時(shí)控制。

工作模式與任務(wù)管理模塊軟件工作流程如圖6所示。

圖6 工作模式與任務(wù)管理模塊軟件工作流程

3.4 信號(hào)采集與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

信號(hào)采集與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊作為潛標(biāo)系統(tǒng)核心功能的一部分,主要實(shí)現(xiàn)接收換能器信號(hào)的A/D 轉(zhuǎn)換,并根據(jù)主控模塊控制指令完成采集數(shù)據(jù)、時(shí)間戳信息與姿態(tài)數(shù)據(jù)的打包存儲(chǔ)功能。

信號(hào)采集與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊軟件工作流程如圖7所示。

圖7 信號(hào)采集與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)軟件工作流程

當(dāng)檢測(cè)到非合作信號(hào)后,首先主控模塊查詢當(dāng)前存儲(chǔ)容量和電量信息。若當(dāng)前剩余存儲(chǔ)容量和剩余電量均大于設(shè)定閾值,則主控模塊開(kāi)啟控制ARM、信號(hào)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和姿態(tài)傳感器的電源,同時(shí)使能數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能;否則,關(guān)閉與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)相關(guān)模塊電源。其次,主控模塊向存儲(chǔ)模塊發(fā)送高精度時(shí)間戳信息,進(jìn)行授時(shí)操作。接著,主控模塊定時(shí)獲取姿態(tài)信息并發(fā)送給數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊進(jìn)行姿態(tài)信息的更新。最后,當(dāng)任務(wù)結(jié)束、剩余存儲(chǔ)容量或剩余電量不滿足預(yù)設(shè)條件時(shí),則關(guān)閉與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)相關(guān)模塊電源。

3.5 電源管理

由于潛標(biāo)電池容量有限,主控模塊需要配合電源管理模塊對(duì)潛標(biāo)系統(tǒng)的工作電源進(jìn)行管理。電源管理模塊主要完成多路電源轉(zhuǎn)換,以及根據(jù)低功耗策略實(shí)現(xiàn)不同功能模塊的電源輸出控制功能。

(1)電源轉(zhuǎn)換與輸出控制

電源管理模塊能夠?qū)斎氲?8 V 電池電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換,并根據(jù)外設(shè)電源需求輸出2 路3.3 V 和5 路5.5 V 的電源。潛標(biāo)系統(tǒng)電源輸出與可控情況如圖8所示。

圖8 電源管理模塊電源轉(zhuǎn)換輸出與可控框圖

如上圖所示,值班ARM 和信號(hào)采集模塊的調(diào)理電路電源均為不可控輸出電源,即保持電源輸出狀態(tài),從而確保值班電路始終處于工作狀態(tài);控制ARM、信號(hào)采集模塊的A/D 電路、水聲通信模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和姿態(tài)傳感器的電源均為可控輸出電源,可通過(guò)主控模塊控制指令進(jìn)行電源開(kāi)關(guān)控制。

(2)低功耗控制策略

潛標(biāo)系統(tǒng)低功耗控制策略主要涉及電源管理和休眠處理。

電源管理是對(duì)不同模塊的電源輸出進(jìn)行控制,即根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前工作模式與任務(wù)執(zhí)行的不同工作流程,合理有序地對(duì)不同模塊的電源輸出進(jìn)行控制,盡可能開(kāi)啟滿足功能的最少外設(shè)電源以及關(guān)閉不必要的外設(shè)電源,從而達(dá)到既滿足設(shè)計(jì)功能又降低功耗的目的。

休眠處理主要根據(jù)實(shí)際工作狀態(tài)將相關(guān)功能模塊處于休眠狀態(tài)來(lái)降低功耗。例如,當(dāng)控制ARM在一定時(shí)間內(nèi)未收到任何通信指令或數(shù)據(jù)時(shí),將關(guān)閉外部晶振電路以及采用低功耗的片內(nèi)振蕩器提供時(shí)鐘,進(jìn)入休眠模式。同時(shí),控制ARM 對(duì)外部中斷事件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),一旦觸發(fā)中斷將快速喚醒并回到正常工作狀態(tài),或者通過(guò)定時(shí)程序喚醒方式來(lái)達(dá)到降低系統(tǒng)整體功耗目的。

3.6 狀態(tài)監(jiān)測(cè)

狀態(tài)監(jiān)測(cè)主要用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)潛標(biāo)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)信息,主要包括電池電量監(jiān)測(cè)、存儲(chǔ)容量監(jiān)測(cè)和深度監(jiān)測(cè)3 部分。為實(shí)現(xiàn)以上監(jiān)測(cè)功能,主控模塊軟件中設(shè)有定時(shí)器固定節(jié)拍中斷,該節(jié)拍作為狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊的計(jì)時(shí)基準(zhǔn),能夠滿足最快狀態(tài)監(jiān)測(cè)任務(wù)執(zhí)行頻度需要。

電池電量監(jiān)測(cè)主要完成各個(gè)功能模塊電量消耗統(tǒng)計(jì)與剩余電量評(píng)估;存儲(chǔ)容量監(jiān)測(cè)主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊已用存儲(chǔ)容量查詢和剩余存儲(chǔ)容量統(tǒng)計(jì),為信號(hào)采集與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的控制提供參考依據(jù);深度監(jiān)測(cè)主要負(fù)責(zé)潛標(biāo)工作深度的定時(shí)查詢,以便分析潛標(biāo)系統(tǒng)工作狀態(tài)。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證潛標(biāo)控制系統(tǒng)性能是否符合設(shè)計(jì)指標(biāo)要求,將控制系統(tǒng)硬件集成在某型潛標(biāo)系統(tǒng)的電子艙內(nèi)并開(kāi)展一系列水池與近海試驗(yàn)。其中,近海試驗(yàn)地點(diǎn)為中國(guó)某淺海海域,平均深度大約為60 m,試驗(yàn)周期為7 d,試驗(yàn)內(nèi)容主要包括多工作模式與任務(wù)管理、信號(hào)采集與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)以及水聲通信等。

試驗(yàn)所用潛標(biāo)硬件系統(tǒng)與電子艙實(shí)物如圖9 所示。

圖9 潛標(biāo)硬件系統(tǒng)與電子艙

(1)多工作模式與任務(wù)管理試驗(yàn)

試驗(yàn)任務(wù)設(shè)置了3 種不同工作模式,共64 個(gè)配置任務(wù)。通過(guò)任務(wù)配置列表、日志記錄、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)記錄等信息,對(duì)試驗(yàn)配置任務(wù)執(zhí)行數(shù)量、任務(wù)開(kāi)始時(shí)間、任務(wù)結(jié)束時(shí)間、工作模式切換次數(shù)等進(jìn)行比對(duì)驗(yàn)證。

驗(yàn)證結(jié)果表明64 個(gè)配置任務(wù)的工作模式與任務(wù)切換全部正常、任務(wù)的開(kāi)始與結(jié)束控制準(zhǔn)確,潛標(biāo)控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)在不同工作模式下的工作流程控制和任務(wù)管理功能。

(2)信號(hào)采集與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)試驗(yàn)

根據(jù)上述試驗(yàn)任務(wù),通過(guò)對(duì)比任務(wù)配置列表、試驗(yàn)日志記錄、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)記錄等信息,首先對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)文件數(shù)量、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)文件時(shí)間長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)文件信息齊套性進(jìn)行驗(yàn)證;然后,對(duì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的正確性進(jìn)行分析驗(yàn)證。

驗(yàn)證結(jié)果表明,在所有執(zhí)行的任務(wù)中,潛標(biāo)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能正常、存儲(chǔ)的信息(數(shù)據(jù)、姿態(tài)、時(shí)間戳)齊全。此外,數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)精度高、噪聲較低、通道一致性較好。

(3)狀態(tài)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

根據(jù)上述試驗(yàn)任務(wù),通過(guò)查驗(yàn)任務(wù)配置列表與日志記錄內(nèi)容,對(duì)潛標(biāo)系統(tǒng)運(yùn)行中的電量、存儲(chǔ)容量、深度等狀態(tài)信息進(jìn)行分析驗(yàn)證。

驗(yàn)證結(jié)果表明,潛標(biāo)系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊運(yùn)行正常,電量信息、深度信息、存儲(chǔ)容量信息以及其他運(yùn)行狀態(tài)信息記錄齊全,且記錄內(nèi)容符合實(shí)際潛標(biāo)運(yùn)行情況。

(4)水聲通信試驗(yàn)

水聲通信聲源采用魚唇系統(tǒng),布放深度15 m,與潛標(biāo)水平距離約為5 km,通信內(nèi)容為任務(wù)下載、狀態(tài)查詢等。通過(guò)試驗(yàn)記錄結(jié)果分析以及查驗(yàn)日志記錄內(nèi)容,對(duì)試驗(yàn)中的水聲通信同步信號(hào)檢測(cè)結(jié)果、水聲通信內(nèi)容、通信內(nèi)容執(zhí)行與反饋結(jié)果等信息進(jìn)行進(jìn)一步分析驗(yàn)證,試驗(yàn)分析結(jié)果如圖10 所示。

由圖10 可知,在淺海多途效應(yīng)的影響下,潛標(biāo)控制系統(tǒng)的單通道A/D 檢測(cè)模塊仍能以較高成功率檢測(cè)到水聲通信同步信號(hào),完成水聲通信指令的收發(fā);同時(shí),控制系統(tǒng)能夠正確執(zhí)行接收到的每條指令與反饋結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果表明,潛標(biāo)控制系統(tǒng)的單通道A/D 檢測(cè)模塊工作正常,能夠檢測(cè)到同步信號(hào)并使能水聲通信模塊,可實(shí)現(xiàn)潛標(biāo)與甲板便攜端之間的水聲通信指令與數(shù)據(jù)交互。

(5)低功耗控制策略

為進(jìn)一步驗(yàn)證低功耗控制策略的有效性,在水池中對(duì)潛標(biāo)控制系統(tǒng)執(zhí)行信號(hào)采集與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)任務(wù)的功耗進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn),分別比較采用低功耗策略與不采取低功耗策略的潛標(biāo)連續(xù)工作時(shí)間。試驗(yàn)中,潛標(biāo)電池總?cè)萘繛?.5 kWh,工作模式為固定時(shí)間信號(hào)采集模式,單個(gè)任務(wù)周期為24 h,相鄰任務(wù)間隔為5 min,任務(wù)數(shù)量為40 個(gè)。試驗(yàn)任務(wù)以潛標(biāo)電池剩余電量為0 作為終止條件,試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果如表1所示。

由表1 可知,采用低功耗控制策略的潛標(biāo)系統(tǒng)連續(xù)工作時(shí)長(zhǎng)可達(dá)624 h,其連續(xù)工作時(shí)間相對(duì)于不采用低功耗控制策略的潛標(biāo)提高了近152%。因此,低功耗控制策略可以有效提高潛標(biāo)系統(tǒng)水下連續(xù)工作時(shí)間。

表1 潛標(biāo)連續(xù)工作時(shí)間比較結(jié)果

綜上所述,通過(guò)水池與近海試驗(yàn)結(jié)果可知,潛標(biāo)控制系統(tǒng)的各項(xiàng)功能模塊均正常工作,可以完成不同工作模式正常切換與任務(wù)正確執(zhí)行、水聲信號(hào)高精度采集與數(shù)據(jù)有效存儲(chǔ)和水聲通信等控制功能,能夠?qū)崿F(xiàn)工作深度、存儲(chǔ)容量和電量等狀態(tài)信息定時(shí)監(jiān)測(cè),以及實(shí)現(xiàn)潛標(biāo)系統(tǒng)的超低功耗運(yùn)行,展示了基于雙ARM 的潛標(biāo)控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性,能夠滿足水聲信號(hào)采集潛標(biāo)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于雙ARM 控制架構(gòu)的嵌入式潛標(biāo)控制系統(tǒng)。合理的工作模式與任務(wù)分時(shí)控制方法、低功耗電源管理策略以及狀態(tài)定時(shí)監(jiān)測(cè)等措施,使水聲信號(hào)采集潛標(biāo)系統(tǒng)具有工作模式多樣、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)靈活、功耗低、可靠性高等特點(diǎn)。同時(shí),通過(guò)水聲通信方式進(jìn)行通信指令與數(shù)據(jù)的交互,提高了潛標(biāo)系統(tǒng)的使用靈活性和隱蔽性。試驗(yàn)結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)運(yùn)行效果良好,各項(xiàng)功能均滿足指標(biāo)設(shè)計(jì)要求,具備水下長(zhǎng)期工作的能力,具有較好的工程應(yīng)用價(jià)值。