自容式聲學(xué)海流計的數(shù)字處理系統(tǒng)研究范文

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摘要:針對自容式海流計的工作功耗和測流的較高實時性能要求，設(shè)計了一種“微處理器+現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)”系統(tǒng)構(gòu)架的自容式聲學(xué)海流計數(shù)字處理系統(tǒng)。低功耗處理器完成系統(tǒng)級的任務(wù)維護，并進行電源管理;FPGA模塊應(yīng)用復(fù)相關(guān)測頻算法進行實時海流的測量;協(xié)同設(shè)計的微處理器與FPGA間軟硬件接口保證了相互間的數(shù)據(jù)實時通信。實驗測試結(jié)果為:系統(tǒng)在信噪比10dB環(huán)境時測流誤差不超過0．94%;系統(tǒng)功耗低，待機功耗僅19mW、工作功耗167mW。

關(guān)鍵詞:自容式海流計;數(shù)字處理系統(tǒng);現(xiàn)場可編程門陣列;軟硬件接口;復(fù)相關(guān)

引言

海流是海洋中主要的動力參數(shù)之一。海流計根據(jù)工作原理可分為機械轉(zhuǎn)子式海流計、聲學(xué)矢量海流計、多普勒聲學(xué)海流計等［1］。其中，多普勒聲學(xué)海流計利用水聲傳輸信號的多普勒頻移特性測量海流的流速，具有較高的測量精度，受環(huán)境噪聲影響小、抗干擾性強［2］，目前市場海洋領(lǐng)域使用性能較高的海流計為挪威安德拉儀器公司SeaguardRCM系列，價格較為昂貴。自主研發(fā)功耗低、性能高的自容式海流計成為國家海洋高新技術(shù)項目之一。本文設(shè)計了一種自容式聲學(xué)海流計的數(shù)字處理系統(tǒng)，采用“微處理器+現(xiàn)場可編程門陣列(fieldprogrammablegatearray，F(xiàn)P-GA)”的方案，進行完整的系統(tǒng)分析和軟硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計，以解決系統(tǒng)低功耗及實時測量海流的技術(shù)問題。

1自容式聲學(xué)海流計原理多普勒聲學(xué)海流計應(yīng)用

多普勒頻移原理，通過測量相對運動的收發(fā)信號頻率差異而推導(dǎo)出流速。向海洋水體發(fā)射頻率為f0的聲波，與海流同速度(v)的浮游生物或物質(zhì)反射聲波，其頻率為fr。由多普勒頻移原理知反射聲波的頻移fd為［3］fd=fr－f0=2•v/c•f0=2v/λ(1)式中c為水聲聲速，λ為發(fā)射聲信號的波長。

2系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

為精確測量海流的速度，可采用如圖1中的換能器陣，分別測得4個方向的流速，再結(jié)合換能器的傾斜角度，即可獲得修正后的三維海流精確值。自容式聲學(xué)海流計完整的系統(tǒng)構(gòu)架采用“微處理器+FPGA”的結(jié)構(gòu):微處理器增加系統(tǒng)控制的靈活性，F(xiàn)PGA提高硬件處理的實時性。其中數(shù)字處理系統(tǒng)部分包括微處理器MSP430、電源模塊、FPGA、模/數(shù)(A/D)采集電路、DDR2、和SD卡。MSP430為主控處理器，用于整個系統(tǒng)的正常運行;電源模塊用于數(shù)字信號處理板的供電;FPGA完成水聲發(fā)射的信號產(chǎn)生、回波信號的采集A/D轉(zhuǎn)換控制、流速解算等;A/D采集電路完成水聲回波信號的A/D轉(zhuǎn)換、DDR2存儲器為FPGA采集數(shù)據(jù)緩沖區(qū);SD卡用于存儲測流結(jié)果。MSP430通過串口接收來自PC的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，然后按設(shè)定的時間通過輸出口P6命令FPGA處理模塊進行流速的測量。FPGA接收測速命令，完成流速解算，并將結(jié)果傳送給MSP430。圖1中，MSP430的P6口為控制總線，MSP430向FPGA發(fā)送命令的通道;P5口為數(shù)據(jù)總線，F(xiàn)PGA傳送測量結(jié)果給MSP430的數(shù)據(jù)通道。

3系統(tǒng)實現(xiàn)

3．1微處理器

MSP430主控設(shè)計自容式海流計中，微處理器MSP430不僅完成系統(tǒng)的值班任務(wù)，而且承擔電源管理、系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作等任務(wù)，包括電源控制管理、系統(tǒng)參數(shù)維護、FPGA測速時序控制、測速結(jié)果的保存等。自容式海流計的功耗是系統(tǒng)性能的重要指標，系統(tǒng)中采用MSP430系列低功耗微處理器實現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗待機，并通過控制電源的關(guān)斷使系統(tǒng)待機時其他電路(AD采集、FPGA等)不工作，提升系統(tǒng)低功耗性能。如圖2所示，MSP430軟件流程如下:1)初始化:完成端口的初始化，如待機供電等。2)參數(shù)設(shè)置:系統(tǒng)通過串口通信完整接收工作參數(shù)，并進行相應(yīng)的設(shè)置。3)休眠:等待設(shè)定的啟動時間。4)啟動時刻:待機到海流測量的第一時刻，測量相關(guān)電路(包括發(fā)射電路及接收電路)上電。5)啟動測量:命令FPGA完成相應(yīng)的工作。6)等待結(jié)果:經(jīng)FPGA數(shù)據(jù)處理，并將結(jié)果傳送給MSP430。7)FPGA休眠:節(jié)省功耗，測流相關(guān)電路斷電休眠。8)保存結(jié)果:將測量結(jié)果保存到SD卡中。9)完成:測量任務(wù)完成，則結(jié)束;否則，繼續(xù)下次測量。10)測量時刻:待機到海流測量的下一時刻，測量相關(guān)電路上電。

3．2硬件

FPGA數(shù)據(jù)處理FPGA硬件完成數(shù)據(jù)采集及數(shù)字信號的處理，提高了系統(tǒng)的實時性。整個數(shù)字處理系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA可視為微處理器的協(xié)作處理模塊，主要完成MSP430下達測量流速的任務(wù)，其處理狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖3。上電后進入“空閑”，監(jiān)測到測量命令后進入“發(fā)射信號”，延時一段時間后進入“回波采集”，進行水聲回波信號的數(shù)據(jù)采集;經(jīng)過“數(shù)字濾波”、“流速解算”等狀態(tài)，最后在“發(fā)送結(jié)果”狀態(tài)中將測量結(jié)果發(fā)送給MSP430保存于SD卡中。1)發(fā)射信號:構(gòu)造水聲信號發(fā)射形式，并控制發(fā)射電路模塊向水體發(fā)射水聲信號;2)回波采集:將水聲回波信號模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，精確時序控制保證數(shù)據(jù)的正確性;3)數(shù)字濾波:數(shù)字帶通濾波，濾除帶外噪聲，進一步減少噪聲的影響，提高系統(tǒng)抗噪能力;4)流速解算:根據(jù)采集的水聲回波信號，計算出回波信號的多普勒頻移，即可按式(1)推得海流的流速v。采用寬帶復(fù)相關(guān)測頻算法可實現(xiàn)高精度的頻率測量［4］為水聲回波數(shù)字信號X(n)延遲m點的復(fù)相關(guān)函數(shù)。

3．3數(shù)據(jù)信息實時交互的軟硬件接口設(shè)計

MSP430和FPGA信息交互必須按嚴格的時序進行。圖4為微處理器MPS430與FPGA的通信硬件接口。1)MSP430向FPGA傳送信息:MSP430通知FPGA進行流速測量，具有較強的實時性，需通過脈沖形式發(fā)送，F(xiàn)PGA模塊通過P6口獲得參數(shù)，解碼后控制內(nèi)部的邏輯。C語言形式如下:P6=參數(shù)信息;P6|=0x80;∥P6．7置1P6＆=0x07F;∥P6．7清零2)FPGA向MSP430返回結(jié)果:FPGA完成測速任務(wù)后通過al_done信號線通知MSP430獲得測量結(jié)果，F(xiàn)PGA內(nèi)部將結(jié)果數(shù)據(jù)以菊花鏈的方式傳送。FPGA模塊在MSP430的P6．0雙邊沿進行掃描，將結(jié)果按次傳送給MSP430。獲得結(jié)果y(1B)的MSP340執(zhí)行C語言如下:while((P1＆0x01)!=0x01);∥等待FPGA完成任務(wù)y=P5;∥獲得1B的結(jié)果P6^=0x01;∥P6．0取反

4實驗與結(jié)果分析

自容式海流計的發(fā)射信號頻率f0為1．5MHz，將接收回波信號下移頻1．35MHz，獲得中心頻率為150kHz，降低系統(tǒng)處理的實時性能要求。FPGA模塊的流速測量，采用寬帶復(fù)相關(guān)測頻算法，采集頻率fs為600kHz，延遲點數(shù)m為60，則由式(1)和式(2)可得單方向的海流速度為減少自容式海流計的計算資源，式中的系數(shù)部分2．5/π因需要浮點計算資源，由上位機軟件實現(xiàn)。計算中假設(shè)水聲傳播速度c為1500m/s，實際使用時可根據(jù)溫度、鹽度、深度等傳感器采集的現(xiàn)場參數(shù)進行修正［5］。而FPGA的測速算法部分只要實現(xiàn)式中的三角函數(shù)部分，大幅減少了FPGA的硬件資源開銷，角度θ為數(shù)字處理系統(tǒng)選用的主要器件為:TI公司MSP430F149，Xilinx公司XC6SLX45—2CSG324，AD公司AD7980［6］。由v可知，寬帶復(fù)相關(guān)測頻算法的測速范圍在－2．5～+2．5m/s。數(shù)字信號處理板的實驗調(diào)試中，以中心頻率為150kHz的正弦波模擬下移頻1．35MHz后的水聲回波信號，并混疊高斯噪聲模擬水聲信道噪聲進行系統(tǒng)的抗噪性能測試。測試數(shù)據(jù)如表1所示。無噪聲時的系統(tǒng)測速誤差小于0．1%，信噪比10dB時的系統(tǒng)測試誤差小于0．94%。 因此，系統(tǒng)測速性能較好，在室溫條件下，該數(shù)字信號處理板的待機功耗為19mW(僅MSP430F149工作)，工作功耗峰值為167mW，符合設(shè)計要求。

5結(jié)論

自容式海流計的功耗和測速實時性要求較高，本文提出了一種“微處理器+FPGA”數(shù)字信號處理體系結(jié)構(gòu)，選用低功耗MSP430F149為主控處理器進行系統(tǒng)管理，并控制其他電路的供電電源，實現(xiàn)微功耗待機。FPGA作為協(xié)處理模塊實現(xiàn)海流的實時測流，并設(shè)計了軟硬件接口實現(xiàn)模塊間通信，保證了系統(tǒng)的正常運行。從實驗結(jié)果看，系統(tǒng)性能可靠、穩(wěn)定、功耗低，具有較高的實用價值。

參考文獻:

［1］梁捷．海洋觀測技術(shù)［J］．聲學(xué)技術(shù)，2012，31(1):61－63．

［2］張道平．寬帶多普勒測流儀信號特性分析［J］．海洋技術(shù)，2001，20(1):78－82．

［3］范寒柏，李瑞琪，趙文成，等．點式聲學(xué)多普勒海流計研究設(shè)計［J］．儀表技術(shù)與傳感器，2015，18(11):38－41．

［5］汪德昭，尚爾昌．水聲學(xué)［M］．2版．北京:科學(xué)出版社，2013．

［6］張向珂，張世慶，聞鳳連，等．高精度相位法超聲測距系統(tǒng)研究［J］．傳感器與微系統(tǒng)，2010，29(2):45－47．

作者：吳振謙 蔣志迪 俞牡丹 單位：寧波大學(xué)