自容式聲學海流計的數字處理系統研究范文

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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，設計了一種“微處理器+現場可編程門陣列(FPGA)”系統構架的自容式聲學海流計數字處理系統。低功耗處理器完成系統級的任務維護，并進行電源管理;FPGA模塊應用復相關測頻算法進行實時海流的測量;協同設計的微處理器與FPGA間軟硬件接口保證了相互間的數據實時通信。實驗測試結果為:系統在信噪比10dB環境時測流誤差不超過0．94%;系統功耗低，待機功耗僅19mW、工作功耗167mW。

關鍵詞:自容式海流計;數字處理系統;現場可編程門陣列;軟硬件接口;復相關

引言

海流是海洋中主要的動力參數之一。海流計根據工作原理可分為機械轉子式海流計、聲學矢量海流計、多普勒聲學海流計等［1］。其中，多普勒聲學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，受環境噪聲影響小、抗干擾性強［2］，目前市場海洋領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。自主研發功耗低、性能高的自容式海流計成為國家海洋高新技術項目之一。本文設計了一種自容式聲學海流計的數字處理系統，采用“微處理器+現場可編程門陣列(fieldprogrammablegatearray，FP-GA)”的方案，進行完整的系統分析和軟硬件結構設計，以解決系統低功耗及實時測量海流的技術問題。

1自容式聲學海流計原理多普勒聲學海流計應用

多普勒頻移原理，通過測量相對運動的收發信號頻率差異而推導出流速。向海洋水體發射頻率為f0的聲波，與海流同速度(v)的浮游生物或物質反射聲波，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為發射聲信號的波長。

2系統硬件結構

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。自容式聲學海流計完整的系統構架采用“微處理器+FPGA”的結構:微處理器增加系統控制的靈活性，FPGA提高硬件處理的實時性。其中數字處理系統部分包括微處理器MSP430、電源模塊、FPGA、模/數(A/D)采集電路、DDR2、和SD卡。MSP430為主控處理器，用于整個系統的正常運行;電源模塊用于數字信號處理板的供電;FPGA完成水聲發射的信號產生、回波信號的采集A/D轉換控制、流速解算等;A/D采集電路完成水聲回波信號的A/D轉換、DDR2存儲器為FPGA采集數據緩沖區;SD卡用于存儲測流結果。MSP430通過串口接收來自PC的系統參數設置，然后按設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，并將結果傳送給MSP430。圖1中，MSP430的P6口為控制總線，MSP430向FPGA發送命令的通道;P5口為數據總線，FPGA傳送測量結果給MSP430的數據通道。

3系統實現

3．1微處理器

MSP430主控設計自容式海流計中，微處理器MSP430不僅完成系統的值班任務，而且承擔電源管理、系統協調工作等任務，包括電源控制管理、系統參數維護、FPGA測速時序控制、測速結果的保存等。自容式海流計的功耗是系統性能的重要指標，系統中采用MSP430系列低功耗微處理器實現系統的低功耗待機，并通過控制電源的關斷使系統待機時其他電路(AD采集、FPGA等)不工作，提升系統低功耗性能。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)參數設置:系統通過串口通信完整接收工作參數，并進行相應的設置。3)休眠:等待設定的啟動時間。4)啟動時刻:待機到海流測量的第一時刻，測量相關電路(包括發射電路及接收電路)上電。5)啟動測量:命令FPGA完成相應的工作。6)等待結果:經FPGA數據處理，并將結果傳送給MSP430。7)FPGA休眠:節省功耗，測流相關電路斷電休眠。8)保存結果:將測量結果保存到SD卡中。9)完成:測量任務完成，則結束;否則，繼續下次測量。10)測量時刻:待機到海流測量的下一時刻，測量相關電路上電。

3．2硬件

FPGA數據處理FPGA硬件完成數據采集及數字信號的處理，提高了系統的實時性。整個數字處理系統中，FPGA可視為微處理器的協作處理模塊，主要完成MSP430下達測量流速的任務，其處理狀態轉換如圖3。上電后進入“空閑”，監測到測量命令后進入“發射信號”，延時一段時間后進入“回波采集”，進行水聲回波信號的數據采集;經過“數字濾波”、“流速解算”等狀態，最后在“發送結果”狀態中將測量結果發送給MSP430保存于SD卡中。1)發射信號:構造水聲信號發射形式，并控制發射電路模塊向水體發射水聲信號;2)回波采集:將水聲回波信號模擬信號轉換為數字信號，精確時序控制保證數據的正確性;3)數字濾波:數字帶通濾波，濾除帶外噪聲，進一步減少噪聲的影響，提高系統抗噪能力;4)流速解算:根據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。采用寬帶復相關測頻算法可實現高精度的頻率測量［4］為水聲回波數字信號X(n)延遲m點的復相關函數。

3．3數據信息實時交互的軟硬件接口設計

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，需通過脈沖形式發送，FPGA模塊通過P6口獲得參數，解碼后控制內部的邏輯。C語言形式如下:P6=參數信息;P6|=0x80;∥P6．7置1P6＆=0x07F;∥P6．7清零2)FPGA向MSP430返回結果:FPGA完成測速任務后通過al_done信號線通知MSP430獲得測量結果，FPGA內部將結果數據以菊花鏈的方式傳送。FPGA模塊在MSP430的P6．0雙邊沿進行掃描，將結果按次傳送給MSP430。獲得結果y(1B)的MSP340執行C語言如下:while((P1＆0x01)!=0x01);∥等待FPGA完成任務y=P5;∥獲得1B的結果P6^=0x01;∥P6．0取反

4實驗與結果分析

自容式海流計的發射信號頻率f0為1．5MHz，將接收回波信號下移頻1．35MHz，獲得中心頻率為150kHz，降低系統處理的實時性能要求。FPGA模塊的流速測量，采用寬帶復相關測頻算法，采集頻率fs為600kHz，延遲點數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，式中的系數部分2．5/π因需要浮點計算資源，由上位機軟件實現。計算中假設水聲傳播速度c為1500m/s，實際使用時可根據溫度、鹽度、深度等傳感器采集的現場參數進行修正［5］。而FPGA的測速算法部分只要實現式中的三角函數部分，大幅減少了FPGA的硬件資源開銷，角度θ為數字處理系統選用的主要器件為:TI公司MSP430F149，Xilinx公司XC6SLX45—2CSG324，AD公司AD7980［6］。由v可知，寬帶復相關測頻算法的測速范圍在－2．5～+2．5m/s。數字信號處理板的實驗調試中，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的抗噪性能測試。測試數據如表1所示。無噪聲時的系統測速誤差小于0．1%，信噪比10dB時的系統測試誤差小于0．94%。 因此，系統測速性能較好，在室溫條件下，該數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，符合設計要求。

5結論

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”數字信號處理體系結構，選用低功耗MSP430F149為主控處理器進行系統管理，并控制其他電路的供電電源，實現微功耗待機。FPGA作為協處理模塊實現海流的實時測流，并設計了軟硬件接口實現模塊間通信，保證了系統的正常運行。從實驗結果看，系統性能可靠、穩定、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［J］．聲學技術，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，2001，20(1):78－82．

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

［5］汪德昭，尚爾昌．水聲學［M］．2版．北京:科學出版社，2013．

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

作者：吳振謙 蔣志迪 俞牡丹 單位：寧波大學