自容式ADCP低功耗信号处理板

Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ・电子技术　自容式ＡＤＣＰ低功耗信号处理板　声学多普勒海流剖面仪　（ＡＤＣＰ）是利用声学多普勒原理　设计，是目前世界上最先进的一　种流速流量实时测量设备。自容　式ＡＤＣＰ中的信号处理板不但具　有极强的数字实时处理能力，配　有多种标准接口，而且还要实现　低功耗，满足自容式的要求。本　文简要介绍了自行研制的自容式　ＡＤＣＰ设备中信号处理板的特点、　组成和相关软硬件实现方法，重　点介绍信号处理板的低功耗化的　设计改进。　【关键词】０ＭＡＰ－Ｌ１　３８　ＭＳＰ４３０　Ｌｉｎｕｘ操作系　统自容式ＡＤＣＰ　１引言　声学多普勒海流剖面仪（Ａｃｏｕｓｔｉｃ　Ｄｏｐｐｌｅｒ　Ｃｕｒｒｅｎｔ　Ｖｒｏｆｌ￣下称ＡＤＣＰ）是目前国际上测量　多层海流剖面的最有效方法，是海洋勘测领域　的一项高新技术。其基本原理是向水中发射超　声波脉冲接收反射回波并计算其频率偏移，根　据多普勒频移效应可以精确地测量水流的流速　流向。ＡＤＣＰ对于合理地开发利用水资源，使　之造福予人类，实现自然界、社会和人类的可　持续发展有着重要的意义。　本文所提的自容式ＡＤＣＰ为国内白行研制　的剖面仪，是在改进传统的测量方法和科学发　展的信号处理技术的基础上研制的新一代产品，　相比第一代产品其效率提高几十倍，准确率也　提高了很多，而且实现了低功耗，满足自容式　的要求。本项目研制的信号处理板，以ＴＩ公司　的低功耗双核处理器ＯＭＡＰ－ＬＩ３８和极低功耗　ＭＣＵ单片机ＭＳＰ４３Ｏ为核心进行设计，满足了　自容式ＡＤＣＰ的实时数据处理及低功耗要求，　并具有良好的扩展性，是自容式ＡＤＣＰ产品实　现的关键基础。　信号处理板主要承担着水声信息的实时处　理及对外接口通讯任务，具体完成高速数据采　集、海底深度测算、海流剖面速度测量及对海　底速度计算、值班电路等，同时完成发射信号、　发射包络信号等信号的产生，并负责水声信息　的交换。　２技术指标　ＡＤ：８路，１６ｂｉｔｓ同步采样，采样频率　文／曹永红　。　图１：信号处理板原理功能框图　不小于６００ＫＨｚ，单端输入幅度￣ＩＯＶ；２路，　功耗：工作状态下小于２Ｗ。　１６ｂｉｔｓ异步采样，采样频率１０｝ＩＺ，单端输入幅　度Ｏ一５ｖ；　３基本结构和组成　ＤＡ：２路，１Ｃｏｉｔｓ并行输入，采样频率不　３．１基本结构　小于２ＫＨｚ，单端输出幅度￣５Ｖ；　发射信号频率：１５０ＫＨｚ、７５ＫＨｚ、　信号处理板原理功能框图如图１所示。　３７．５ＫＨｚ三种；　３．２组成　网口：１个ｌＯ／ｌＯＯＭｂｐｓ；　串口：４个独立的ＲＳ２３２／ＲＳ４２２接口；　根据自容式ＡＤＣＰ项目的设计要求，信号　ＣＡＮ２．０Ｂ接口：１个；　处理板的硬件设计主要由值班电路和数字信号　存储盘：容量不小于３２ＧＢ；　处理电路组成。值班电路在本系统中主要完成　ＲＴＣ：精确年误差小于１分钟；　对信号处理电路以及其它电路板的电源控制，　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｓｏｆｔｗａｒｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ电子技术与软件工程・１１１　电子技术●Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　完成整个系统的工作节拍控制及与上位机的数　数　接口控制电路　ＲＴＣ电路　据通讯等。其组成框图如图２所示。数字信号　ＧＰ１０控制电路　处理电路主要完成发射信号等的产生、接收信　号的采集和处理与存储、对外通讯等功能。其　组成框图如图３所示。　字　信　号　处　４技术设计改进　本信号处理板相比以前产品改动还是比较　大的，主要技术改进电路有：ＤＳＰ电路、Ａ／Ｄ　转换电路、信号产生电路、数据存储电路、接　图２：值班电路部分电路组成框图　图３：数字信号处理部分电路组成框图　的ｍｉｎｉＳＤ卡，用于对原始数据等和处理结果　的存储，以便进行数据回放和分析。为此需要　在ＣＣＳ环境下及Ｌｉｎｕｘ操作系统下对大容量　司提供的双核通信模块ＤＳＰＬｉｎｋ的软件架构，　以及ＣＭｅｍ的共享内存分配功能和ＣｏｄｅｃＥｎｇｉｅ　口控制电路、ＲＴＣ电路等。这里主要介绍这几　ＦＡｒ３２文件系统设计，这样非常方便ＳＤ卡上　个改进电路。　数据管理以及其与ＰＣ机的兼容数据读写，使　４．１　ＤＳＰ电路　得该板具有通用性。由于这方面的资料相对较　少，设计有一定的难点。　ＤＳＰ电路是以Ｏ１ＶＬＡＰ．Ｌ１３８处理器、　ＭＳＰ４３０单片机和可编程ＦＰＧＡ为核心组成的　４．５　ＲＴＣ电路　功能模块。　其中ＯＭＡＰ—Ｌ１３８处理器集成了３００ＭＨｚ　ＲＴＣ电路选用ＭＡＸＩＭ公司的一款低成本　ＡＲＭ９２６ＥＪ－Ｓ内核及３００ＭＨｚ　Ｃ６７４８　ｖＬ１ｗ　ＤＳＰ　超高精度实时时钟芯片ＤＳ３２３２，它将晶体和温　核，并提供了丰富的外设接口，主要负责数字　度补偿均集成在芯片内部，提高了计时精度，　信号处理功能；ＭＳＰ４３０单片机选用资源比较　甚至部分误差可以小于２Ｏ秒／一年。该芯片采　用Ｉ２Ｃ接口，挂靠在ＭＳＰ４３０单片机的ＵＣＢ０　丰富的型号ＭＳＰ４３０Ｆ５４３８，功耗极低功能更　强．值班电路的大部分功能就是由单片机内部　接口上。　集成的模块完成的，主要承担值班电路的功　４．６接口控制电路　能。可编程器件ＦＰＧＡ选用ＡＬＴＥＲＡ公司的　ＣｙｃｌｏｎｅＩＨ系列，在本设计中主要用于系统的各　接口控制电路主要改进是对ＣＡＮ２．０接口　电路逻辑时序控制，以及产生相应的信号输出　的修改，采用一种新型低功耗的ＣＡＮ控制芯片　等。　ＭＣＰ２５１５，挂靠在ＳＰＩ串行总线上，解决原来　的ＳＡＪ１ｏ００控制器的接口效率和数据吞吐率低　４．２　Ａ／Ｄ转换电路　下的缺点，但需要对其驱动程序进行移植。另　信号处理板总共带有８路高速数据同步采　外增加了隔离电路，具有抗干扰性和防雷特性。　样电路；另外２路分别用于温度传感器和压力　５软件设计　传感器的模拟信号的采集。　５．１　ＭＳＰ４３０程序设计　该电路的设计难点在于将以往设备的采样　频率１５０ＫＨｚ、３００ＫＨｚ、６００ＫＨｚ三种要合并到　根据值班电路的要求，需要对ＭｓＰ４３０芯　一起。本方案中对采集软件采用模块化的设计，　片进行编程。本设计中充分利用ＭＳＰ４３０单片　形成一个通用的数据采集系统，从而对输入的　机的“片上系统”资源优势，完成ＲＴＣ程序、　采样频率没有固定值的要求了。　ｓＰＩ总线驱动程序、ＲＳ２３２／ＲＳ４２２串口程序、　我们选用的Ａ／Ｄ转换芯片为ＳＰＩ串行接　ＧＰＩＯ控制程序等，从而对系统进行供电电源控　口高精度芯片ＡＤ７９８２，其最高采样率可达到　制、工作节拍控制以及数据通讯。　１Ｍｓｐｓ，可以实现多路级联，很好的满足项目要　５．２　０ＭＡＰ—Ｌ１　３８软件设计　求。　４．３信号产生电路　我们已经知道ｏＩ讧ＡＰ　Ｌ１３８处理器是双内　核结构。本设计中基于Ｌｉｎｕｘ操作系统的ＢＳＰ　本设计中主要采用单频信号和ＩＴＩ序列随机　板级支持软件包，运行在ＡＲＭ端内核，主要　相位编码信号，在ＦＰＧＡ中产生，通过驱动器　实现ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ、Ｌｉｎｕｘ操作系统的内核移植、　输出。在本设计中对ＦＰＧＡ的编程方法作了调　根文件系统的创建及各种驱动程序如ＳＤ卡设　整，只要编写出最基本的信号，需要的重复次　备、ＣＡＮ接口驱动等。　数由ＣＰＵ来控制，这样既方便试验，同时与以　ＡＲＭ端主要运行基于Ｌｉｎｕｘ系统的非实时　往测流设备可以兼容使用。　软件，而ＤＳＰ端则运行高强度的实时算法运算。　４．４数据存储电路　值得一提的是，这两端之间的数据交换是怎样　的呢？ＯＭＡＰ－ＬＩ３８芯片在芯片设计时采用的　在ＯＭＡＰ．Ｌ１３８上设计了一个３２ＧＢ容量　是共享内存的机制，ＡＲＭ端和ＤＳＰ端都可以　直接访问。它们之间的通讯，我们是利用ＴＩ公　１　１２・电子技术与软件工程Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｓｏｆｔｗａｒｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　工程管理　通过ＤＳＰ端的实时操作系统ＤＳＰ／　ＢＩＯＳ和ＡＲＭ端的Ｌｉｎｕｘ操作系统在通信上实　现无缝的链接。　ＯＭＡＰ—Ｌ１３８应用软件由接口软件、控制　软件和算法软件三部分组成。其中接口软件完　成与值班电路间的接口控制；控制软件根据接　收到的指令和参数以及实际测量的航速、海深　等参数，控制发射信号脉宽、周期和算法等；　算法软件完成相关海底回波信号的判别、提取　和多普勒信息的分析，最后给出结果等。总之，　整个应用软件比较复杂，是一个有机整体。　６试验验证与结束语　本文介绍了一种高性能、使用灵活的通用　信号处理板，选用基于低功耗处理器和开放式　Ｌｉｎｕｘ操作系统，保证了自容式ＡＤＣＰ的产品　快速更新、成本降低、质量的提高。　该板经过水池试验和湖上试验，工作稳定　可靠，功耗极低，证明该板的设计是成功的，　为自容式ＡＤＣＰ的产品化通用化提供技术支持　和借鉴，同时具有较大的社会效益和经济效益，　有很好的推广利用价值。　参考文献　【１］ＴＩ，０ＭＡＰ—Ｌ１　３８　Ｌｏｗ—Ｐｏｗｅｒ　Ａｐｐ１ｉＣＲｔｉｏｎｓ　Ｐｒｏｃｅｓ　ｓｏｒ，ｗｗｗ．ｔ　ｉ．ｃｏｍ，２　００９．　［２】ＴＩ，ＭＳＰ４３０Ｆ５４３ＸＡ，ｗｗｗ．ｔ　ｉ．ｃｏｎｌ，２０１２．　［３］ｃＹ　ｃ　ｉ　Ｏｎｅ　３一ｈａｉｉｄｂＯＯｋ，ＷＷＷ．ａ　ｌ　ｔ　ｅ　ｒ　ａ．　ｃｏｍ，２　００９．　［４】沈斌坚等．国产宽带相控阵声学多普勒海　流剖面仪．【ｊ］．声学与电子工程，２００５．　作者简介　曹永红（１　９　７７－），男，江苏省泰州市人　大　学本科学历。高工，研究方向为嵌入式系统的　软硬件系统设计、海洋仪器的研究设计开发等。　作者单位　１．中国人民解放军海军工程大学电子工程学　院湖北省武汉市４３００３３　２．杭州应用声学研究所　浙江省杭州市　３１００２３