采用ZigBee和模糊PID控制的水聲信號采集系統(tǒng)*

張國光

(昆明船舶設備研究試驗中心 昆明 650051)

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采用ZigBee和模糊PID控制的水聲信號采集系統(tǒng)*

張國光

(昆明船舶設備研究試驗中心 昆明 650051)

在水下制導武器的研究、開發(fā)、外場試驗中,都需要采集水聲基陣的接收信號,并實時記錄采集數(shù)據(jù),根據(jù)需要進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析和實時或離線處理。研究水聲信號采集系統(tǒng)對有效提高制導武器的數(shù)據(jù)分析性能具有重要意義。提出一種基于ZigBee和模糊PID控制的水聲信號采集系統(tǒng)設計方案,通過ZigBee識別模型中的識別器獲取ZigBee水聲信號,進行信號濾波和中頻放大設計,實現(xiàn)對干擾噪聲的有效抑制。實驗結果表明,設計的系統(tǒng)具有較好的實時數(shù)據(jù)采集和信號處理性能,通過模糊PID控制提高信號檢測性能,系統(tǒng)的實時性和人機交互性好,在水聲信號處理和信息采集等領域具有較好的應用價值。

ZigBee; 模糊PID控制; 水聲信號; 系統(tǒng)設計

Class Number TN911

1 引言

隨著現(xiàn)代科學技術和現(xiàn)代工業(yè)生產的發(fā)展,對電子測量和儀器技術的要求越來越高,采用自動測試系統(tǒng)(Automated Test System,ATS)成為必然的選擇。隨著信息與信號處理技術的不斷發(fā)展以及現(xiàn)代海戰(zhàn)對高精度制導武器的需求,對制導武器的精度提出了更高的要求。在水下制導武器設計過程中,采用新一代自動測試儀器,開發(fā)一套水聲基陣信號數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)回放及其現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析系統(tǒng),這對水下制導武器的研制、調試和外場試驗都具有重大意義。

ZigBee作為一種新興的近距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡技術,廣泛適合用于自動控制和遠程控制領域,可以嵌入各種設備[1]。本文利用ZigBee短距離、低功耗的無線通信性能,結合模糊PID技術,設計了基于ZigBee和模糊PID控制的水聲信號采集系統(tǒng)設計方案。論文首先建立水聲信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設計模型,然后采用模糊PID控制算法,對水聲信號采集系統(tǒng)的信號接收機進行改進設計,最后通過仿真實驗進行性能驗證,展示了本文設計的控制系統(tǒng)和算法的優(yōu)越性能。

2 基于ZigBee水聲信號采集分析系統(tǒng)總體設計

2.1 水聲信號采集工作原理與系統(tǒng)總體結構

本文設計基于ZigBee的水聲信號采集系統(tǒng),ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議,根據(jù)國際標準規(guī)定,ZigBee技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術。本文設計的水聲信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計一般由五個主要部分構成,包括:發(fā)射天線、接收天線、發(fā)射機、接收機、控制器等。ZigBee信號采集階段需要采用ZigBee技術獲取水聲基陣信號的方位和噪聲特征,通過支持向量機方法識別信號特征,最終完成對水聲信息的準確識別。

用戶應用層軟件主要包括水聲陣列信號采集及記錄和陣列信號分析處理兩大模塊。陣列信號采集及記錄實現(xiàn)硬件資源采集設置、實時數(shù)據(jù)記錄、采樣控制等。通過ZigBee識別模型中的識別器獲取ZigBee水聲信號,通過K均值聚類算法對ZigBee信號中的特征值進行聚類分析,通過特征提取進行歸類后當成支持向量機算法的輸入特征向量,本文開發(fā)了基于VXI總線的32通道水聲基陣信號采集及實時數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng),并對采集的數(shù)據(jù)作通用線列陣陣列信號分析處理。綜上分析,得到水聲信號采集工作原理與系統(tǒng)總體結構模型如圖1所示。

圖1 水聲信號采集系統(tǒng)總體結構模型

2.2 基于ZigBee技術水聲信號數(shù)據(jù)采集軟件設計

在上述進行系統(tǒng)總體模型構建設計的基礎上,進行基于ZigBee技術水聲信號數(shù)據(jù)采集軟件設計,采用水聲換能器進行水聲信號的原始數(shù)據(jù)采集,水聲換能器物理結構如圖2所示。

圖2 水聲換能器物理結構

在獲得的原始信號中,含有大量的噪聲需要進行濾波處理,采用ZigBee技術進行特征值分析,對信號的類型進行識據(jù),輸入特征向量主要是ZigBee水聲通信信號,并將特征聚類結果當成支持向量機識別算法的依據(jù)。詳細的過程為:

1) 通過RFID射頻識別技術獲取水聲信號。

2) 對各個屬性的不同取值使用K均值聚類算法進行聚類分析。

3) 將不同屬性的聚類結果當成支持向量機識別模型中各個屬性的不同取值,按照支持向量機算法獲取水下制導系統(tǒng)的識別規(guī)律,實際運行中采用該規(guī)律識別水下目標。當前的技術都是以ZigBee射頻信噪比為基礎,以過濾的思想去除干擾,本文利用ZigBee技術進行水聲通信來實時水下目標速度、距離等信息的采集。

設置采集參數(shù),包括輸入通道、采樣率、耦合方式、觸發(fā)、采集時間等參數(shù)設置,構建水聲通信系統(tǒng),依據(jù)802.15.4標準,在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調實現(xiàn)車輛間的自主通信,以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個網(wǎng)絡節(jié)點傳到另一個節(jié)點,提高通信效率?；谏鲜龇治?設計基于ZigBee技術水聲信號數(shù)據(jù)采集軟件,設計流程如下:

用VI_TRUE和VI_FALSE標記數(shù)據(jù)采集通道組,初始化輸入通道、測量初始化和測量循環(huán)、采集時間等參數(shù)。調用函數(shù)hpe1432_setTriggerSlope(ViSession vi,ViInt32 group,ViInt32 trigSlope)設置觸發(fā)源觸發(fā)方向,創(chuàng)建傳輸單元和儀器會話,由此實現(xiàn)儀器驅動程序。儀器驅動代碼為:

export KBUILD_BUILDHOST := $(SUBARCH)

ARCH ?= $(SUBARCH)

CROSS_COMPILE ?=

通過下載busybox1.14,使用tar zxvf busybox-1.14.tar.bz2命令進行文件解壓。

觸發(fā)源信號進入觸發(fā)區(qū)間時,調用hpe1432_getGroupInfo()函數(shù)獲取通道組的信息,觸發(fā)電平的大約為-125%～+12%,一些塊數(shù)據(jù)需要在緩沖區(qū)中排隊。測量初始化和測量循環(huán),每個階段又包括幾個狀態(tài)。從一個狀態(tài)到下一個狀態(tài)都引起Sync/Trigger線(VXI背板總線的一條TTLTRG觸發(fā)線)的變化,采用HP E1562E接收局部總線上的高速數(shù)據(jù)流。

3 模糊PID控制算法和水聲信號采集系統(tǒng)實現(xiàn)

在實現(xiàn)原始的水聲信號采集的基礎上,需要設計基于模糊PID控制的信號接收機,進行水聲信號處理,水聲信號接收機的輸入調諧回路信號表示為

(1)

加性高斯色噪聲干擾背景下確知信號下水聲信號接收機信號接收問題描述為

(2)

式中,E為基帶信號混頻信號能量,并有:

(3)

假設存在一個白化濾波器hw(t),可以將高斯色噪聲n(t)白化為高斯白噪聲w(t),一般來說,這個白化濾波器采用模糊PID控制算法進行噪聲干擾抑制濾波,此時得到基帶信號的中頻放大濾波輸出為

w(t)=n(t)*hw(t)

(4)

通過上述中頻放大,式(2)描述的水聲信號采集的中頻接收機基陣接收問題就轉化為

(5)

式中

x′(t)=x(t)*hw(t),s′(t)=s(t)*hw(t)

(6)

水聲信號接收機通過天線得到的高頻信號,經(jīng)過輸入調諧回路,進入混頻器,通過抗干擾抑制得到足夠的增益,采用模糊PID控制方法,實現(xiàn)信號x′(t)和s′(t)均預白化處理,從而提高接收機的靈敏度和穩(wěn)定性。本文采用改進的基于可變論域的模糊PID控制干擾抑制方案,提高對水聲信號采集系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的檢測性能。此時ZigBee射頻電源輸出功率PE及負載功率PL分別為

(7)

式中,VCE為運放管壓降,它與運放輸出電流大小有關,VCE隨電流的增大而增大。在額定電流時,VCE一般在10V左右,通過模糊PID抗干擾抑制,得到水聲基帶信號的中頻放大濾波輸出,此時VCE=0.2VS,有:

(8)

(9)

對具有M個陣元任意配置的基陣,遠場中有d個信號源si(t)(i=1,2,…,d),采用預白化濾波加互相關接收機的方式,經(jīng)交流放大后在鑒頻器中進行解調,改善輸出信號波形。綜上分析,得到本文設計的改進的基于ZigBee和模糊PID控制的水聲信號采集接收機系統(tǒng)結構如圖3所示。

圖3 改進后的水聲信號接收機結構示意圖

4 系統(tǒng)測試與仿真實驗

為了驗證本文設計的ZigBee和模糊PID控制的水聲信號采集系統(tǒng)在進行水聲信號采集和處理中的性能,進行系統(tǒng)仿真實驗。仿真實驗中,軟件開發(fā)采用ANSI C語言編寫程序,以提高并行執(zhí)行效率,使用4通道任意波形發(fā)生器作信號源,調用GPCTR_Control啟動計數(shù)器,采集信道參數(shù)為四個輸入通道為四塊采集卡的任意通道,分別接信號源的輸出。實驗將4通道信號源分別接到不同的四塊HP E1433A任意通道上,測試各板卡之間的同步采集、觸發(fā)測試、實時數(shù)據(jù)記錄測試、數(shù)據(jù)流盤測試等。由PXI總線水下目標模擬器模擬,并由VXI總線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集,作相應的陣列信號分析處理。設置0°、15°、-15°的三個相干源目標,也是陣列信號分析處理調試中所使用的參數(shù)設置。得到本文設計的水聲信號采集系統(tǒng)的控制界面如圖4所示。

圖4 水聲信號采集與信號處理系統(tǒng)運行界面

從圖4結果可見,數(shù)字觸發(fā)調試時,使用另一個信號源產生TTL電平的脈沖,接到任意HP E1433A的前面板“ExTrig”端。分析信號處理結果得出,采用本文設計的水聲信號采集與信號處理系統(tǒng),具有較好的人機交互性,通過水聲換能器采集得到水聲信號經(jīng)過本文設計的模糊PID控制接收系統(tǒng),進行信號濾波和中頻放大,實現(xiàn)對干擾噪聲的有效抑制,信號采集的實時性好,提高了信號檢測性能,同時減少數(shù)據(jù)量,也便于分析處理。實驗結果展示了本文設計系統(tǒng)的優(yōu)越性能。

5 結語

現(xiàn)代海戰(zhàn)以智能武器和信息技術為主導,研究水下制導武器的核心要實現(xiàn)對水聲信號的有效采集和處理。在水下制導武器的研究、開發(fā)、外場試驗中,都需要采集水聲基陣的接收信號,并實時記錄采集數(shù)據(jù),根據(jù)需要進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析和實時或離線處理。本文提出一種基于ZigBee和模糊PID控制的水聲信號采集系統(tǒng)設計模型,分析得出,本文設計的系統(tǒng)具有較好的實時數(shù)據(jù)采集和信號處理性能,通過ZigBee技術提高了水聲信號的傳輸通信性能,通過模糊PID控制提高信號檢測性能,實驗結果展示了本文系統(tǒng)的優(yōu)越性和實用性。

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Underwater Acoustic Signal Acquisition System Based on ZigBee and Fuzzy PID Control

ZHANG Guoguang

(Kunming Shipborne Equipment Research and Test Center, Kunming 650051)

In the research of underwater guidance weapons development and field test, it needs to receive the signal acquisition of underwater acoustic array, records the data for collection. According to the need, field data analysis and real-time or offline processing are taken. It is important to analyze performance data to effectively improve guided weapons research of underwater acoustic signal acquisition system. An underwater acoustic signal acquisition system is proposed based on ZigBee and fuzzy PID control. The underwater acoustic signal is obtained with the ZigBee recognizer and identification model, signal filtering and intermediate frequency amplifier design are taken, and the effective suppression of interference noise is obtained. The experimental results show that the system has real-time data acquisition performance, and signal processing performance is good, to improve the signal detection performance through the fuzzy PID control. Human-computer interaction performance is good, and it has good application value in underwater acoustic signal processing and information acquisition and other fields.

ZigBee, fuzzy PID control, acoustic signal, system design

2015年3月4日,

2015年4月25日

張國光,男,碩士,助理工程師,研究方向:水下信號處理。

TN911

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.09.040