ADSP-BF548在相關(guān)測速聲吶系統(tǒng)上的應(yīng)用

曹松軍，陳龍，汪玉玲，邱薇，王長紅

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ADSP-BF548在相關(guān)測速聲吶系統(tǒng)上的應(yīng)用

曹松軍1,2，陳龍1，汪玉玲1，邱薇1，王長紅1

(1. 中國科學(xué)院聲學(xué)研究所，北京 100190；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100190)

相關(guān)測速聲吶是一種適用于水面航行的船舶或者水下航行的潛器的設(shè)備，主要用于獲取載體速度信息、流速和海深，與慣導(dǎo)聯(lián)合可用于載體的導(dǎo)航定位。相關(guān)測速聲吶基于“波形不變性”原理，通過理論時(shí)空相關(guān)函數(shù)和數(shù)據(jù)時(shí)空相關(guān)函數(shù)的最小二乘擬合獲取載體速度。構(gòu)建了一套新的基于ADSP-BF548平臺(tái)的軟件控制系統(tǒng)。新系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)、串口、CAN等通信方式；完成了基于FatFs R0.08b文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能；動(dòng)態(tài)電源管理可以減小系統(tǒng)功耗，在電池供電時(shí)能延長有效工作時(shí)間。從系統(tǒng)通信、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、電源管理、系統(tǒng)工作等方面對(duì)新平臺(tái)軟件系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行了介紹。

相關(guān)測速聲吶；ADSP；軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引言

相關(guān)測速聲吶是基于“波形不變性”原理[1]的測速和測深設(shè)備。相關(guān)測速相比于多普勒測速，具有以下優(yōu)點(diǎn)[2,3]：(1) 相關(guān)測速聲吶測速與聲速無關(guān)，無需進(jìn)行聲速修正；(2) 相關(guān)測速聲吶較多普勒測速聲吶受載體姿態(tài)的影響小；(3) 相關(guān)測速聲吶垂直向下發(fā)射，功率小，利于隱蔽；(4) 相關(guān)測速聲吶工作頻率相對(duì)較低，適用于大深度海底。基于以上特點(diǎn)，相關(guān)測速聲吶在遠(yuǎn)洋船舶和水下潛器的使用方面，具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。中國科學(xué)院聲學(xué)研究所研發(fā)相關(guān)測速聲吶設(shè)備[4]十幾年，產(chǎn)出了多種不同型號(hào)的設(shè)備。本文實(shí)現(xiàn)了其在ADSP-BF548[5]平臺(tái)的應(yīng)用。

1 ADSP-BF548簡介

ADSP-BF548是ADI公司出品的blackfin系列低功耗處理器，廣泛應(yīng)用于各種低功耗移動(dòng)數(shù)字平臺(tái)。BF548的最高運(yùn)行時(shí)鐘為600 MHz，可軟件配置運(yùn)行時(shí)鐘頻率，支持各種低功耗運(yùn)行模式，以適應(yīng)不同功耗要求。BF548具有豐富的外部接口，大部分引腳都具有復(fù)用功能，既可配置成IO口，也可配置成專用功能接口。內(nèi)部集成11個(gè)計(jì)數(shù)器，4個(gè)UART接口，支持內(nèi)外存之間的DMA數(shù)據(jù)傳輸，還集成了低功耗mobile DDR SDRAM控制接口。

2 系統(tǒng)工作

2.1 通信模塊

相關(guān)測速聲吶在工作的過程中，需要實(shí)現(xiàn)以下的通信過程[6](見圖1)：與調(diào)試計(jì)算機(jī)通信，接收計(jì)算機(jī)的命令和參數(shù)；與姿態(tài)傳感器的通信，獲取實(shí)時(shí)姿態(tài)信息，用于速度計(jì)算；與聲多普勒計(jì)程儀(ADL)通信，實(shí)現(xiàn)組合測速工作模式，為慣導(dǎo)系統(tǒng)提供全海深的速度信息；實(shí)時(shí)工作過程中與上位機(jī)的通信，實(shí)時(shí)傳回工作結(jié)果。

圖1 相關(guān)測速聲吶系統(tǒng)通信示意圖

BF548控制板使用W5300芯片，以完成控制板與調(diào)試計(jì)算機(jī)之間的網(wǎng)絡(luò)通信，W5300內(nèi)部集成了10/100M以太網(wǎng)控制器以及MAC和TCP/IP協(xié)議棧。通信過程中使用TCP協(xié)議，主控制板作為客戶端，調(diào)試計(jì)算機(jī)的superlog軟件作為服務(wù)器端(見圖2)。調(diào)試計(jì)算機(jī)通過superlog軟件給主控制板發(fā)送相關(guān)命令，如設(shè)置工作參數(shù)、進(jìn)入ADIO系統(tǒng)、數(shù)據(jù)回放、Flash擦除等。

圖2 TCP通信服務(wù)器端-superlog

BF548具有4個(gè)UART接口，使用UART0與姿態(tài)傳感器通信，使用UART3與ADL通信，串口發(fā)射程序使用查詢方式，接收子程序使用中斷方式，發(fā)射接收子程序見圖3。

控制器局域網(wǎng)(CAN)[7]是一種有效支持分布式控制系統(tǒng)的串行通信網(wǎng)絡(luò)，在自治水下潛器(AUV)的通信設(shè)計(jì)方面得到廣泛應(yīng)用。CAN協(xié)議引入了數(shù)據(jù)的CRC校驗(yàn)，使其具有突出的可靠性，可以保證船舶和潛器準(zhǔn)確地獲取航行速度和水域底深。

圖3 串口發(fā)射和接收子程序

BF548控制板具有CAN控制器模塊，可以實(shí)現(xiàn)控制板與上位機(jī)的CAN通信。CAN模塊遵從CAN2.0B標(biāo)準(zhǔn)，最大支持1 Mbps的數(shù)據(jù)傳輸率。聲吶通信使用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀，通信協(xié)議見表1。

表1 CAN總線標(biāo)準(zhǔn)ID格式

表1中：

(1) ID10為0代表主從通信方式，為1代表廣播方式。

(2) ID8~ID5為從節(jié)點(diǎn)地址，即聲相關(guān)計(jì)程儀地址，設(shè)為1。

(3) ID4~ID0為數(shù)據(jù)內(nèi)容模式，上位機(jī)發(fā)送給聲相關(guān)計(jì)程儀的數(shù)據(jù)幀包括工作指令包(數(shù)據(jù)內(nèi)容模式為0)、參數(shù)配置包(數(shù)據(jù)內(nèi)容模式為1)、時(shí)間參數(shù)包(數(shù)據(jù)內(nèi)容模式為2)，聲相關(guān)計(jì)程儀發(fā)送給上位機(jī)總共8類數(shù)據(jù)幀(數(shù)據(jù)內(nèi)容模式從0到7)，具體數(shù)據(jù)幀內(nèi)容模式的含義見表2。

表2 CAN總線數(shù)據(jù)內(nèi)容模式含義

2.2 存儲(chǔ)模塊

相關(guān)測速聲吶在工作過程中需要存儲(chǔ)相關(guān)工作參數(shù)和結(jié)果，包括AD采樣數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)速度信息等。使用NANDFLASH存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，需記錄工作過程中產(chǎn)生的壞塊信息，而且讀取速度較慢。BF548控制板的SD存儲(chǔ)卡增加數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的便捷性。

設(shè)備中SD卡基于FatFs R0.08b文件系統(tǒng)(見圖4)。SD卡存儲(chǔ)文件系統(tǒng)[8]分為三部分：SD卡底層驅(qū)動(dòng)，F(xiàn)atFs文件系統(tǒng)和應(yīng)用層函數(shù)。(1) 底層驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)使用了DMA通道實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取和寫入，具有單塊(一塊大小為512字節(jié))讀寫和多塊讀寫兩種方式，使用TIME0實(shí)現(xiàn)了日歷系統(tǒng)，為文件系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的時(shí)間信息；(2) FatFs文件系統(tǒng)采用了開源文件系統(tǒng)FatFs R0.08b；(3) 應(yīng)用層函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了FatFs_Read()和FatFs_Wrie()兩個(gè)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)處理結(jié)果的儲(chǔ)存和回放功能。

圖4 SD卡文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.3 動(dòng)態(tài)電源管理

BF548控制板具有四種不同的運(yùn)行方式：全速、激活、休眠和深度休眠。通過外部電源管理控制器能夠操縱DSP的內(nèi)部電壓，從而減小功耗。當(dāng)潛器浮出水面航行或者在水下待命狀態(tài)時(shí)，可以軟件切換聲吶的工作模式，使其處于深度休眠狀態(tài)，關(guān)閉核心時(shí)鐘和系統(tǒng)時(shí)鐘，保留RTC時(shí)鐘信息，可在一定程度上減少功耗，增加設(shè)備在水底的工作時(shí)間。

2.4 工作類型

相關(guān)測速聲吶的主要工作目標(biāo)是測量流速剖面和底跟蹤測量載體速度，其工作類型主要分為底搜索、底跟蹤測速、流層跟蹤測速、流速剖面測量。另外，為了對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行考核，還有自檢和噪聲分析等任務(wù)[9]。圖5給出了軟件系統(tǒng)的整體工作流程圖。

圖5 系統(tǒng)工作流程圖

3 測試結(jié)果

系統(tǒng)首先進(jìn)行仿真測試。測試過程中使用串口調(diào)試助手CommAssistant、CANalyst軟件對(duì)系統(tǒng)的通信功能加以測試，使用8GTF卡對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)進(jìn)行測試，測試流程如圖6所示。使用CommAssistant串口調(diào)試助手代表ADL，每秒鐘向控制主板發(fā)送四組串口數(shù)據(jù)，同時(shí)接收控制主板的參數(shù)配置包和開始停止工作命令；控制主板接收到串口發(fā)過來的數(shù)據(jù)包，首先存儲(chǔ)在主板的TF存儲(chǔ)卡上，然后經(jīng)由CAN總線發(fā)送給CANalyst；使用CANalyst代表上位機(jī)，給控制主板發(fā)送啟動(dòng)信息包和參數(shù)配置包，同時(shí)接收和顯示控制主板發(fā)送過來的數(shù)據(jù)包，仿真測試結(jié)果如圖7所示。經(jīng)過長時(shí)間(大于72 h)的測試，收發(fā)數(shù)據(jù)正常，保存信息完整正確。

在仿真測試以后，控制軟件與某潛器的上位機(jī)和ADL設(shè)備進(jìn)行了聯(lián)合調(diào)試，各種通信功能良好，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)完整。

圖6 仿真測試流程

圖7 仿真測試結(jié)果

4 結(jié)論

本文對(duì)相關(guān)測速聲吶軟件控制系統(tǒng)在ADSP- BF548平臺(tái)上面的應(yīng)用進(jìn)行了介紹。新平臺(tái)豐富了聲吶工作的功能，使之更好地與主控電腦之間交互，在工作效率和系統(tǒng)健壯性方面得到一定程度的提升。

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An ADSP-BF548 based correlation sonar system

CAO Song-jun1,2, CHEN Long1, WANG Yu-ling1, QIU Wei1, WANG Chang-hong1

(1. Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)

Correlation Sonar is usually used on the boat or the UUV for obtaining the velocity of vessel, current velocities and the depth of water. With the help of INS, it can help the vessel to locate its position and sail on the right direction. Correlation Sonar works on the principle of ‘waveform invariance’ and obtains the velocity of vessel by least-square fitting the theoretical correlation function and the data correlation function. In this paper, a new software control system is established on the platform of BF548. The new system has some communication modes, including TCP, UART, CAN. A file system based on FatFs R0.08b is built for storing data. The dynamic power system is used to reduce power consumption, which can help system to increase working time in using battery. The new system is introduced in the following aspects: system communication, data storage, power management and working process.

correlation sonar; ADSP;software design

TB556

A

1000-3630(2014)-06-0544-04

10.3969/j.issn1000-3630.2014.06.013

2013-09-05;

2014-01-14

國家863計(jì)劃資助項(xiàng)目(2006AA09A313)。

曹松軍(1990－), 男, 山東人, 碩士生, 研究方向?yàn)樾盘?hào)與信息處理。

王長紅, E-mail: wangch@mail.ioa.ac.cn