基于聲吶浮標(biāo)的水聲信號采集系統(tǒng)設(shè)計

程思源，齊 華，鄭 琨，孫辰奇

（1.西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，陜西西安 710021；2.西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院，陜西西安 710068；3.廣西師范大學(xué)計算機科學(xué)與信息工程學(xué)院，廣西桂林 541006）

自21 世紀(jì)以來，世界各國因海洋主權(quán)問題引起的爭端愈演愈烈，海洋資源對于一個國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和戰(zhàn)略地位至關(guān)重要，因此海洋資源的開發(fā)與研究成為了各個國家關(guān)注的重點。

該文基于浮標(biāo)平臺設(shè)計并實現(xiàn)了一款水聲信號采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)以高性能STM32 芯片[1-2]為核心，實現(xiàn)了高穩(wěn)定性的數(shù)據(jù)采集、傳輸和控制功能，提高了水聲采集系統(tǒng)的實時性和可靠性；該系統(tǒng)具有上位機，將采集系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合在一起，實現(xiàn)了實時監(jiān)測采集數(shù)據(jù)和實時控制采集系統(tǒng)狀態(tài)的功能。該文設(shè)計的水聲信號采集系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)質(zhì)量高、信號干擾小，同時采集過程可控，采集效率和時效性得到了提升。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計

水聲信號采集系統(tǒng)的主控芯片采用意法半導(dǎo)體公司的STM32F407ZGT6 芯片，系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖1所示。系統(tǒng)主要由四通道水聽器、微弱信號預(yù)處理模塊、水聲信號采集系統(tǒng)主控芯片、電源供電模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊和上位機構(gòu)成。系統(tǒng)在工作時，首先將水聽器接收到的差分模擬水聲信號，經(jīng)過微弱信號預(yù)處理模塊中的放大、濾波和A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)行采集處理[3-6]，最終將A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號傳輸至水聲信號采集系統(tǒng)的主控芯片中；系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)通信模塊與上位機進(jìn)行以太網(wǎng)通信，在本地上位機實現(xiàn)遠(yuǎn)程實時檢測與遠(yuǎn)程系統(tǒng)管理控制的功能。

圖1 水聲信號采集系統(tǒng)總框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件設(shè)計主要包括電源供電模塊設(shè)計、微弱信號預(yù)處理模塊設(shè)計和網(wǎng)絡(luò)通信模塊設(shè)計。

2.1 電源供電模塊設(shè)計

考慮到系統(tǒng)中各個模塊供電電壓的多樣性，為保證系統(tǒng)在水下未知環(huán)境下能正常工作，該系統(tǒng)采用DC 24 V 的基準(zhǔn)電壓，首先采用兩片TPS5430 芯片設(shè)計24 V 電源穩(wěn)壓降壓電路，產(chǎn)生+12 V 和-12 V為微弱信號預(yù)處理模塊中運算放大器進(jìn)行供電，原理圖如圖2 所示；其次采用MP2359 芯片以及AMS1117-3.3芯片[7]對+12 V電壓進(jìn)行處理，輸出5 V、3.3 V 主要為A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、水聲信號采集主控芯片、網(wǎng)絡(luò)通信模塊進(jìn)行供電。原理圖如圖3 所示。

圖2 DC 24 V轉(zhuǎn)+12 V與-12 V原理圖

圖3 +12 V轉(zhuǎn)5 V、3.3 V原理圖

2.2 微弱信號預(yù)處理模塊設(shè)計

水聽器接收到的信號一般為微伏級模擬信號，為了保證水聲采集數(shù)據(jù)的有效性，需要對四通道水聽器采集信號進(jìn)行預(yù)處理，并要求盡可能控制微弱水聲信號幅度相位相對穩(wěn)定。微弱信號預(yù)處理結(jié)構(gòu)框圖如圖4 所示，該模塊主要由前置放大模塊、多級可控放大模塊、濾波模塊與A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊組成。

圖4 微弱信號預(yù)處理結(jié)構(gòu)框圖

2.2.1 前置放大模塊

該部分設(shè)計采用高精度、低噪聲運算放大器，對水聽器輸出信號進(jìn)行耦合并放大。前置放大電路輸入的一般是電壓量級為10-6V 的模擬微弱小信號，經(jīng)過前置放大模塊[8]進(jìn)行100 倍的固定增益放大，滿足小信號的耦合傳輸需求。原理圖如圖5 所示。

圖5 前置放大模塊原理圖

2.2.2 多級可控放大模塊

該系統(tǒng)多級可控放大模塊由四片ADA4077 芯片構(gòu)成，其中第一個和第二個運算放大模塊分別設(shè)計為20 dB 的固定增益，由外圍的輸入電阻和反饋電阻構(gòu)成放大電路；第三個和第四個運算放大模塊分別設(shè)計為增益不低于20 dB 的增益可調(diào)模塊[9]，其輸入電阻的阻值固定，反饋電阻使用數(shù)字電位計，由主控芯片控制實現(xiàn)增益可調(diào)。固定放大模塊原理圖如圖6 所示。

可控放大模塊放大增益主要由數(shù)字電位計控制，數(shù)字電位計RC相當(dāng)于可以由主控芯片發(fā)送的程序指令控制檔位的滑動變阻器[10]，位于放大電路的反饋電阻部分，和放大電路的輸入電阻R構(gòu)成反相放大器，其放大倍數(shù)表示為G=-RCR（負(fù)號表示信號的相位翻轉(zhuǎn)180°）。通過調(diào)整二者的比例關(guān)系，可以實現(xiàn)對模擬信號的放大或者衰減，當(dāng)RC>R時，|G|>0，可以實現(xiàn)信號放大；當(dāng)RC

圖7 可控放大模塊原理圖

根據(jù)上述前置放大模塊與多級可控放大模塊描述可知，最終該系統(tǒng)理論固定放大增益為80 dB，動態(tài)可控增益范圍為40 dB，最大放大增益為120 dB。滿足對微伏量級水聲小信號的放大處理要求。

2.2.3 濾波模塊

由于水聲信號的頻率范圍很寬，從水聲采集系統(tǒng)的使用角度來說，100 Hz 到20 kHz 的信號都在采集處理的頻帶范圍之內(nèi)。該系統(tǒng)濾波模塊設(shè)計為運放同相輸入端與RC 濾波器[11-12]結(jié)合，采用兩個二階高通有源濾波器和兩個二階低通有源濾波器級聯(lián)構(gòu)成的帶通濾波器電路，其中高通濾波器主要濾除水聽器接收到的低頻噪聲和電源引入的工頻干擾，低通濾波器主要濾除PCB 板內(nèi)的高頻數(shù)字信號干擾，濾波模塊原理圖如圖8 所示。

圖8 濾波電路模塊原理圖

2.2.4 A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計

該系統(tǒng)采用AD7768-4 芯片作為A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換器[13-14]，芯片分辨率為24 bit，默認(rèn)采樣頻率為128 kHz，采樣率調(diào)節(jié)范圍為64～256 kHz。根據(jù)采樣定理與實際工程需求，設(shè)計A/D 采樣頻率必須大于或等于60 kHz，該A/D 采樣頻率范圍滿足要求，且在默認(rèn)頻率下信號輸入帶寬為55.4 kHz，滿足聲吶信號采集通頻帶大小要求。A/D 轉(zhuǎn)換芯片輸入范圍0～10 V，滿足接收來自微弱信號預(yù)處理模塊的最終輸出信號。

2.3 網(wǎng)絡(luò)通信模塊設(shè)計

水聲信號采集系統(tǒng)主控芯片內(nèi)部自帶以太網(wǎng)媒體接入控制器(MAC)[15]，底層物理層組成缺少物理接口收發(fā)器(PHY)，因此該系統(tǒng)采用LAN8720 芯片作為PHY。LAN8720 芯片首先采用RMII 接口方式與主控芯片進(jìn)行連接，其次連接一個RJ45 接口用于與上位機進(jìn)行以太網(wǎng)通信。原理圖如圖9 所示。

圖9 網(wǎng)絡(luò)通信模塊原理圖

該系統(tǒng)以太網(wǎng)通信帶寬設(shè)計為10 Mbps，滿足以太網(wǎng)通信帶寬大于四通道水聲信號同步數(shù)據(jù)傳輸帶寬的工程設(shè)計要求。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包含水聲采集主控軟件設(shè)計和上位機軟件設(shè)計。

3.1 水聲信號采集主控軟件設(shè)計

水聲信號采集主控軟件設(shè)計的主要功能是采集水聲信號，將水聲信號的采集數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)打包發(fā)送至上位機，并且響應(yīng)上位機下發(fā)的控制命令。具體流程框圖如圖10 所示。首先對系統(tǒng)進(jìn)行初始化操作，各個系統(tǒng)模塊上電；其次水聲信號采集主控芯片采集并接收到來自水聽器經(jīng)過微弱信號預(yù)處理模塊處理后的水聲數(shù)據(jù)；然后將水聲數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)打包上傳至上位機，上位機根據(jù)實際情況對主控系統(tǒng)進(jìn)行控制，若主控系統(tǒng)接收到控制命令則根據(jù)上位機最新控制命令改變主控系統(tǒng)狀態(tài)；若未接收控制命令，則主控系統(tǒng)繼續(xù)工作；最后采集板斷電，系統(tǒng)結(jié)束工作。

圖10 水聲信號采集主控軟件流程圖

3.2 上位機軟件設(shè)計

該設(shè)計采用VS2017（Microsoft Visual Studio 2017）軟件開發(fā)平臺進(jìn)行上位機設(shè)計，采用基于WIN32 的MFC 窗口應(yīng)用程序，使用了較多控件來實現(xiàn)該設(shè)計的要求。該軟件主要具有數(shù)據(jù)接收處理[16]與控制采集系統(tǒng)的功能。上位機軟件設(shè)計流程圖如圖11 所示，首先上位機軟件初始化；然后上位機開始接收由主控系統(tǒng)上傳的水聲數(shù)據(jù)，通過對水聲信號數(shù)據(jù)的實時處理與分析，對水聲信號采集系統(tǒng)進(jìn)行控制狀態(tài)調(diào)整，向采集系統(tǒng)下發(fā)控制命令。

圖11 上位機軟件流程圖

4 實驗測試

4.1 多級可控放大測試

多級可控放大測試方式是先確定多級可控放大模塊的放大倍數(shù)，使用電腦通過JTAG 仿真器向單片機發(fā)送相應(yīng)的增益指令，改變數(shù)字電位計的電阻值，然后將電路接入信號發(fā)生器和示波器測量此時的實際放大倍數(shù)，并與理論值進(jìn)行對比。通過實驗測試，實測固定放大增益為80.5 dB，動態(tài)可控增益范圍為40.7 dB，系統(tǒng)最大增益為121.2 dB，滿足多級可控放大模塊性能設(shè)計需求[17]。

4.2 濾波特性測試

對10 Hz 至30 kHz 信號頻率進(jìn)行測量，記錄多次測量結(jié)果并繪制頻響特性曲線，多個頻率輸出幅度增益表與頻響曲線如圖12 所示，實測結(jié)果符合設(shè)計要求。

圖12 濾波電路模塊實測頻響曲線

4.3 通道一致性測試

通道一致性采用的測試方法是使用信號發(fā)送器同時對四個通道信號預(yù)處理模塊輸入相同頻率和幅度的正弦信號，待水聲采集系統(tǒng)正常工作后分別采用示波器與相位計測量四個通道輸出信號的幅度與相位。以第一通道輸出信號作為參考信號，對比計算出其他三個通道的幅度差與相位差。為了更好地驗證通道一致性，采用三種不同頻率的正弦輸入信號進(jìn)行測試，測試結(jié)果如表1 所示。

表1 通道一致性測試結(jié)果

由測量結(jié)果可知，四路通道的幅度差可以控制在±0.2 V 內(nèi)，即幅度誤差率為±2.5%。相位差可以控制在±0.3°內(nèi)，滿足各通道相位誤差小于等于±0.5°的工程應(yīng)用要求。

5 結(jié)論

該文設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸、以STM32F407ZGT6 單片機為主控的四通道水聲信號采集系統(tǒng)。通過實驗測試證明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對水聲信號的采集預(yù)處理和監(jiān)測控制功能。該系統(tǒng)設(shè)計成本低、操作簡易，在海洋信息采集領(lǐng)域具有極強的參考價值與通用性。進(jìn)一步研究表明，在采集系統(tǒng)與以太網(wǎng)通信技術(shù)結(jié)合后，系統(tǒng)設(shè)計的靈活性得到提高，系統(tǒng)功能更加全面。