一種用于潛標(biāo)的基陣信號采集系統(tǒng)

王玥

(第七一五研究所，杭州，310023)

我國是一個海洋大國，擁有豐富的海洋資源，對海洋資源的開發(fā)，不僅可以獲得巨大的經(jīng)濟(jì)利益，也可以彰顯強(qiáng)大的科技實(shí)力。從20 世紀(jì)60 年代開始，美國就借助于艦船、潛艇、飛機(jī)、浮潛標(biāo)、無人航行器和衛(wèi)星等手段收集各地海域信息，在水面及水下利用聲學(xué)手段擴(kuò)大信息交互范圍，通過組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)每個傳感器的信息共享。自20 世紀(jì)70 年代以來，國外各種潛標(biāo)就得到了廣泛的應(yīng)用。隨著海洋科學(xué)研究、綜合利用和環(huán)境監(jiān)測力度的加強(qiáng)，20 世紀(jì)90 年代后我國潛標(biāo)的應(yīng)用也越來越多[1-2]。

本文中的潛標(biāo)具備主動發(fā)射和被動接收功能，利用其主動發(fā)射功能對水下的其它潛標(biāo)進(jìn)行喚醒。當(dāng)載有本潛標(biāo)的移動平臺到達(dá)工作目的地附近時，上位機(jī)發(fā)出喚醒命令，潛標(biāo)通過功率放大器把已知電信號經(jīng)功率放大后送到發(fā)射換能器，經(jīng)發(fā)射換能器電聲轉(zhuǎn)換后，將信號以聲波的形式在目標(biāo)場所發(fā)布。當(dāng)目標(biāo)場所中的潛標(biāo)收到喚醒信號時，通過主動功能進(jìn)行回應(yīng)。本潛標(biāo)根據(jù)回應(yīng)內(nèi)容，逐步接近并找到回應(yīng)的潛標(biāo)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)構(gòu)成如圖1 所示。信號發(fā)射時，由顯示及控制設(shè)備發(fā)送指令，選擇相應(yīng)的信號模式，信號處理設(shè)備產(chǎn)生相應(yīng)的信號，通過功率放大設(shè)備對電信號進(jìn)行功率放大，通過干濕端的互聯(lián)介質(zhì)傳輸?shù)诫娐曓D(zhuǎn)換元件，把電信號以聲波的方式進(jìn)行發(fā)射。在顯示控制設(shè)備進(jìn)行發(fā)送指令的同時還把指令發(fā)送至接收設(shè)備。

圖1 潛標(biāo)系統(tǒng)構(gòu)成

在進(jìn)行信號接收時，聲電轉(zhuǎn)換元件把聲信號轉(zhuǎn)換為微弱電信號，經(jīng)信號調(diào)理電路，把微弱電信號高保真地放大，充分利用模數(shù)轉(zhuǎn)換的動態(tài)范圍。對信號完成模數(shù)轉(zhuǎn)換后，按一定數(shù)據(jù)格式對其進(jìn)行編碼后發(fā)送到干端局域網(wǎng)。信號傳輸時要求干濕端具有相應(yīng)的匹配和驅(qū)動電路。信號處理設(shè)備接收局域網(wǎng)數(shù)據(jù)，完成信號處理，將結(jié)果送到顯控設(shè)備。為了對設(shè)備進(jìn)行運(yùn)行姿態(tài)監(jiān)測，需要安裝若干姿態(tài)傳感器。姿態(tài)傳感器信號通過控制電路、復(fù)用聲接收信號的傳輸鏈路把相關(guān)數(shù)據(jù)送入局域網(wǎng)。

姿態(tài)監(jiān)控傳感器選用一個溫深傳感器和一個航向傳感器，聲電轉(zhuǎn)換采用16 通道的陶瓷水聽器基陣，水聽器信號調(diào)理采用16 個調(diào)理電路，16 路水聽器信號和2 路傳感器信號的采集傳輸采用1 個采集傳輸模塊，干濕端的數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)采用1310 nm 的光纖，傳輸體制選用以太網(wǎng)，基陣信號進(jìn)行同步采集。相關(guān)的功能框圖如圖2 所示。圖中，溫深傳感器和航向傳感器采用RS485 與采集傳輸模塊進(jìn)行信號交互，水聲信號調(diào)理模塊以模擬差分信號與采集傳輸模塊對接。

圖2 接收系統(tǒng)簡要架構(gòu)

采集傳輸模塊由模數(shù)轉(zhuǎn)換、控制模塊和以太網(wǎng)光接口電路組成，完成16 路信號的同步采集并按IEEE802.3 相關(guān)協(xié)議的要求[3]，將數(shù)據(jù)組成UDP-IP幀，通過光纖鏈路將數(shù)據(jù)送到干端，傳感器數(shù)據(jù)也按照類似的方式，采集傳輸模塊通過RS-485 接口接收傳感器數(shù)據(jù)。采集傳輸模塊還需要通過以太網(wǎng)接收來自顯示控制設(shè)備的命令，完成相應(yīng)動作[4]。

2 采集傳輸電路模塊設(shè)計(jì)

采集傳輸電路采用AD8476 作為調(diào)理信號的緩沖器，ADS1278 作為模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，XC3S500E 型FPGA 作為控制單元，XCFS04 作為FPGA 的配置芯片，DM9000BI 作為以太網(wǎng)物理層芯片，MAX3283E 作為RS485 接口芯片。

采集傳輸電路采用8 V 和±8 V 兩組電源供電，板上采用二次穩(wěn)壓技術(shù)。根據(jù)各芯片的工作電壓及工作環(huán)境，8 V 電源經(jīng)二次穩(wěn)壓后，產(chǎn)生數(shù)字電路所需的5 V、3.3 V、2.5 V、1.8 V、1.2 V 電壓；±8 V電源經(jīng)二次穩(wěn)壓后，產(chǎn)生模擬電路工作所需的±5 V電壓。在采集傳輸模塊中，ADS1278、XC3S500E和DM9000BI 是核心芯片。其中，ADS1278 是一塊8 通道同步采樣24 位型模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，具有最高128 kHz 的采樣率；在高速采樣模式下，具有111 dB的信噪比。模擬信號側(cè)與AD8476 的接口如圖3 所示。

圖3 ADS1278 模擬信號側(cè)接口

AD8476 采用雙電源供電，接收調(diào)理電路的差分信號，并以Vcom 引腳的電壓為基準(zhǔn)，輸出ADS1278 所能接受的信號。R1、R2、C4、C5、C6構(gòu)成簡單的濾波網(wǎng)絡(luò)。

ADS1278 數(shù)字側(cè)的接口有兩種協(xié)議：SPI 和幀同步接口協(xié)議，都是通過相同的引腳，實(shí)現(xiàn)不同的協(xié)議來完成。本設(shè)計(jì)中采用的是SPI 協(xié)議，其模式選擇位FORMAT[2:0]置為“001”。這時，數(shù)據(jù)位置固定，DOUT 模式為TDM，其接口如圖4 所示。時序邏輯如圖5 所示[5]。

圖5 FPGA 驅(qū)動ADS1278 的時序邏輯

FPGA 在完成聲通道信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換和傳感器信號的接收后，按UDP-IP 協(xié)議的要求，將數(shù)據(jù)組成UDP-IP 幀送以太網(wǎng)物理層芯片DM9000BI，F(xiàn)PGA 與DM9000BI 的數(shù)字接口如圖6 所示，邏輯關(guān)系如圖7 所示[6]。

圖6 FPGA 與DM9000BI 的數(shù)據(jù)接口電路

圖7 FPGA 讀寫DM9000BI 的時序邏輯

采集傳輸電路還有一個功能是接收來自干端的下行命令，其過程基本與上行數(shù)據(jù)進(jìn)行UDP-IP組幀的過程相逆。下行命令為干端發(fā)送、濕端接收的UDP-IP 幀，主要作用為指令發(fā)送，如增益控制、TVG 控制、開始采集、停止采集等。FPGA 根據(jù)以上各數(shù)字接口的邏輯及初始化要求完成相應(yīng)的編碼，經(jīng)下載測試后，功能正常。

3 測試數(shù)據(jù)及分析

采集傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，測量其相位一致性、幅度一致性和噪聲值如表1、2 所示。從表中數(shù)據(jù)可見，各通道的相位差<1°，幅度不一致性<0.5 dB。

表1 16 通道相位一致性數(shù)據(jù)表（以第1 通道為基準(zhǔn)）

圖8 為單通道短路噪聲幅度譜，帶寬為10 kHz，其隨機(jī)噪聲<-120 dB/√Hz，與ADS1278 的器件手冊相符。潛標(biāo)在安靜測試環(huán)境下，通過顯控軟件接收數(shù)據(jù)包，測得1 kHz 處噪聲約為35 dB，低于大洋深處0 級海況的環(huán)境噪聲45 dB@1 kHz。在全頻帶內(nèi)滿足各種低噪聲海洋環(huán)境中的應(yīng)用。

表2 16 通道幅度一致性數(shù)據(jù)表

圖8 單通道短路噪聲頻譜

4 結(jié)論

本文介紹了一種用于潛標(biāo)的采集傳輸系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)多路水聲信號、傳感器信號的并行采集以及網(wǎng)絡(luò)傳輸。系統(tǒng)的噪聲低于“0”級海況的海洋環(huán)境噪聲，具有較好的應(yīng)用價(jià)值。對用于潛標(biāo)的采集傳輸系統(tǒng)，將來可以向多元化發(fā)展。根據(jù)不同的應(yīng)用場合可以在濕端完成水聲信號處理，采用低功耗電子線路設(shè)計(jì)技術(shù)和自容式技術(shù)，形成系列化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品。