基于微處理器的魚群探測器設計

摘要：為了提高魚群探測器的應用范圍，進一步擴展探測器的功能，該文提出一種基于ARM9控制器和嵌入式Linux操作系統的魚群探測器的設計方法，并在此基礎上開發并完成系統的硬件電路和相應的系統應用軟件。該魚群探測器是基于S3C2440微處理器，采用GPIO接口控制發射器發射電子脈沖，通過傳感器將其轉換成聲波并發射到水中，接收器接收回聲，并通過解碼芯片進行解析；最后，通過觸摸屏控制系統采集數據，由聲納裝置記錄下聲納曲線。實際應用表明，該探測器具有較好的效果。

關鍵詞：魚群探測器；探測；應用；聲納

中圖分類號：TP274文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2011)04-0908-02

Design of Fish Detector Based on Microprocessor

ZHANG Bin， DONG Hui

(College of Information Engineering， Zhejiang University of Technology， Hangzhou 310023， China)

Abstract: In order to expand the application and function of the fish detector， we propose a method of detector based on ARM9 processor and embedded Linux operating system. Besides， we design and accomplish the system including hardware circuit and application software. The fish detector is based on S3C2440 processor， using GPI0 interface to control transmitter to deliver electronic pulse. Sound waves are converted and launched to the water with sensor. Then receiver receives echoes， parsing through the decoder chip. In the end， we collect data through the touch screen control system， utilize sonar device to record sonar curve. The practical applications show good performance of the detector.

Key words: fish detector; detect; application; sonar

聲納在軍事上的應用始于第一次世界大戰。如水下目標的探測、定位及跟蹤、水雷探測、水下武器制導等幾乎都首先在軍事上得到應用。二戰以后，隨著海洋事業的發展，聲納技術被廣泛應用于回波探測，海底地貌測繪、魚群探測、遙控遙測等。

如今，隨著人們生活品質的不斷提高，越來越多的垂釣愛好者喜歡到海洋中進行垂釣，目前市場上也有一些大型的魚群探測設備，但是這類設備是專門針對漁業活動，海洋研究開發的，都是基于PC機作為控制核心，不但價格昂貴，操作復雜，而且體積龐大，攜帶不便，不適合個人用戶使用。越來越多的人希望能有一款便攜的探測設備，能輔助垂釣愛好者準確地定位魚群的位置，且該設備需具備體積小，可靠性高，成本低的特性。嵌入式系統是結合計算機技術、半導體技術和電子技術與具體應用相結合后的產物。可以根據實際需求對軟硬件進行裁剪，以滿足應用系統對可靠性、成本、體積的需求?；谝陨闲枨?，本文采用S3C2440作為CPU，該CPU具有內核小、功能強，效率高等優點。本設計采用基于ARM的嵌入式硬件設計和基于Linux操作系統的軟件設計，解決了成本高和便攜不便的問題。

1 聲納的基本原理

如何選擇發射信號的波形是系統設計的首要問題。根據項目的實際需求，本設計采用頻譜函數進行描述。信號的頻譜是信號時間波形s(t)的傅氏變換[1]，即：

(1)

進一步，式(1)可描述為：

(2)

其中|S(f)|稱為信號的幅度譜，而ψ(f)稱為信號的相位譜。在選擇接收機的通帶寬度時，頻譜起到重要的作用。一般需要選擇接收機的寬度稍大于信號的頻譜寬度，以防止信號能量的損失，還能進一步起到抑制帶外的噪聲干擾作用。

聲納的測距方法采用脈沖測距，該方法簡單易行，且可對多個目標進行測距[2]，同時，利用聲波到達水聽器系統的聲程差和相位差[3]，可以確定聲納的方位。

2 魚群探測器設計

2.1 電源管理方案

便攜式嵌入式設備的一個主要問題就是系統的電源問題，而一般的便攜式設備的電源管理設計方案中，電源設計往往被當作純粹的硬件設計。為了提高電源管理的效率，本設計專門增加了軟件管理功能，以減少不需要的電路的供電電流，并根據系統運行的最低外設、最慢時鐘頻率以及運行應用程序所需的最低電壓來控制電源輸出、時鐘發生器的狀態。通過軟件不斷的檢測系統的工作狀態，一旦檢測到系統在一分鐘內沒有發射聲納，就通過軟件關閉顯示屏，系統自動進入睡眠狀態。整個電源系統的設計如圖1所示。

在整個電源管理模塊中，鋰電池提供3.5V電源輸入，HT9233穩壓芯片起到穩壓作用，MC34063升壓芯片，提供6V的電壓輸出。

2.2 嵌入式系統的硬件設計

嵌入式系統處理模塊基于主流的S3C2440芯片，以實現聲納的發射、采集和處理。其硬件結構如圖2所示。

聲納是由發射器、傳感器、接受器和顯示組成，具體工作方式如下：

聲納發射模塊產生200KHz的脈沖頻率，脈沖個數為25-100，對應不同的深度，脈沖發射的周期4次/秒。發射器發出一種電子脈沖，傳感器將其轉換成聲波并發射到水中。（人和魚不能聽到這種聲音頻率）這種聲波碰到物體（魚，阻擋，底部）然后反彈至傳感器，它再將聲音轉換成電子信號。

接收器擴大了這種返回信息或回聲，進而，將其顯示在液晶屏幕上面，物體的形狀就會出現在滾動的聲納圖上。聲納的微處理器計算信號發射與回聲返回的時間，然后算出到物體的距離。值得注意的是傳感器必須位于時刻都有暢通水流的地點，如果傳感器沒有放在暢通水流中，當船移動時，由于氣泡或渦流產生的干擾會以點線的形式出現在聲納的顯示屏[4]。

2.3 嵌入式系統的軟件設計

該魚群探測器設備為了支持多任務編程以及界面的設計，嵌入式系統采用了Linux操作系統。所有的程序設計都是基于Linux編寫的，界面的設計是用QT來完成的。整個程序可分為一下幾個模塊：超聲波發射控制模塊、超聲波接收控制模塊、聲納的定向和測距模塊、聲納圖紙顯示模塊。

超聲波發射采用S3C2440芯片來控制。通過定時器計數器差生頻率脈沖激勵信號。該ARM9芯片的主頻是400MHZ，為激勵信號頻率調節提供可靠的保證。

傳感器接收反射回來的聲納信號，通過A/D轉換傳遞給ARM9芯片，超聲波接收控制模塊采用了乒乓算法的思想[5]，首先在內存中開辟A、B兩個固定大小的空間，把接收到的時間差和相位差數據存入A，存滿后通過內存映射把數據交給聲納的定向和測距模塊處理，然后再把數據存入B，依次交換存儲。

聲納定向模和測距模塊根據共享過來的數據，確定目標的位置，并將目標的位置信息轉化成坐標數據[6]。由于屏幕的尺寸有限，以及實現設定的探測深度，會舍棄掉一些超出屏幕繪制范圍的數據。

聲納圖紙顯示模塊通過QPainter這個類，將上面轉換得到的數據描繪在液晶屏幕上，以及繪制一些覆蓋信息(如水溫)。

整個聲納圖紙（圖4）是主要的聲納顯示選項，這里是船下水層的橫切面圖。圖橫穿整個屏幕，顯示魚群、阻擋物和底部的聲納信息。

3 小結

本文針對聲納探測系統，通過設計超聲波檢波模塊和超聲波接收模塊，對聲物體進行聲納探測。用脈沖法測距和聲波到達水聽器系統的聲程差和相位差來確定目標在水下的位置，最后結果表明本文設計的系統具有較好的實用價值。

參考文獻：

[1] Soh B C，Young S.Distributed computing: an experimental investigation of a denial-of-service applet[J].Computer Communications，1998，21(7):670-674.

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[3] 盧迎春，桑恩方.基于主動聲納的水下目標特性提取技術綜述[J].哈爾濱工程大學學報，1997，18(6):43-52.

[4] 張新宇，尹勇.三維海底地形仿真模塊的研究與應用[J].系統仿真學報，2007，19(S2):208-210.

[5] 易成濤，羅小澤.航海模擬器中雷達回波的生成研究[J].航海技術，2001，6(3):26-28.

[6] 王解先，王軍，陸彩萍.WGS-84與北京54坐標的轉換問題[J].大地測量與地球動力學，2003，23(3):70-73.