一種多用途水聲應答器設計

王玉巧, 劉軍鋒, 劉曉林

(1. 黃河科技學院, 河南 鄭州 450006; 2. 中船重工昆船設計研究院, 云南 昆明 650236)

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一種多用途水聲應答器設計

王玉巧1, 劉軍鋒2, 劉曉林2

(1. 黃河科技學院, 河南 鄭州 450006; 2. 中船重工昆船設計研究院, 云南 昆明 650236)

介紹一種多用途水聲應答器的設計。該水聲應答器系統采用雙DSP模塊協同控制處理的思想，雙DSP模塊是一塊基于ADSP-BF533芯片的M序列碼生成板和一塊基于TMS320VC5509芯片的信號控制處理板組成，兩者之間采用RS232方式通信，整個硬件系統采用低功耗設計，并給出相應的軟件流程圖；該水聲應答器系統配有標準的USB接口，可直接與PC的終端實現數據傳輸。經海上試驗證明該系統具有良好的可靠性、可移植性、可擴展性和較高的性價比，符合未來水下通信技術發展的方向。

水聲應答器; M序列碼; DSP信號處理板; 低通濾波

0 引 言

水聲應答器作為海洋資源勘探與開發和海洋環境監測現代水聲設備[1]，主要用于模擬水下目標的目標強度，可用于水下定位、潛艇的導航和跟蹤，監控水下施工，傳遞水下遙測系統各水文參數訊號等[1-6]。本文設計的多用途水聲應答器除了以上功能外，還可水下布網，實現遠距離通信、用0.5～1 kHz的頻率實時監測存儲海洋環境噪聲和海況信息數據。該數據可通過系統自帶的USB接口導入PC機進行分析。國外的水聲應答器比較先進、功能強大[2，4]，價格偏高，國內自主研發的產品較少，市場上基本是進口產品[3]。

1 水聲應答器的電路組成及工作原理

水聲應答器的硬件原理框圖如圖1所示，主要由DC-DC電源板、發射功放板、信號接收板、M序列碼解調板、DSP信號處理板和聲系統等幾部分組成。

圖1 水聲應答器硬件原理框圖

接收換能器和發射換能器組成的聲系統都是經過軸向密封的水密接口連接到電子倉內，電子倉包含37 V電池組、電源板、M序列碼解調板、DSP信號處理板、功放發射板和接收板。整個應答器靠電子倉外的硬質泡沫浮在特定的水位。

水聲應答器入水后，由軸向密封入水電源開關接通電源，電源板上輸出線性相互隔離的5路+5 V，其中4路可控+5 V分別送功放板、接收板、DSP信號處理板和硬盤供電電路，剩余一路設計成不可控直接送M序列碼解調板，M序列碼解調板得電初始化后，功放板和DSP信號處理板電源，等待接收母船發出的擴頻信號命令[7-8]。當M序列碼解調板解調出有效控制命令，控制電源板給功放板和DSP信號處理板通電，回發擴頻應答信號；并經RS232串口給DSP板發送模式選擇控制命令，使應答器進入相應工作模式。當M序列碼解調板解調出無效控制命令，等待母船繼續發命令，該過程中應答器一直處于低功耗狀態[7]。

當電池電源電壓低于設定值或硬盤空間不足時，DSP信號處理板給母船發送電源電壓低或移動硬盤空間不足擴頻信號，并關斷電源板電源。

1.1 DC-DC-LDO電源板

為了提高電源變換效率和降低功耗，采用開關電源芯片把鋰電池組輸出37 V電壓降壓濾波后，分5路進行線性穩壓濾波輸出相互隔離的+5 V，其中1路設計成不可控，送M序列碼解調板；另外4路設計成可控輸出給功放發射板、接收板、DSP信號處理板和其他設備使用[10]。

1.2 功放發射板

考慮功放發射板的高效率和減小發射板體積,降低功耗和提高波形線性度等因素，功放發射板采用D類音頻功率放大器，功放發射板原理框圖見圖2。

圖2 功放發射板原理框圖

當需要功放發射板發射信號時，M序列碼板或DSP信號處理板的IO控制信號控制電源板上開關電源芯片，控制發射可控+5 V輸出給功放發射板，并開啟直流高壓(電池組提供)送功放板芯片。發射完成后，M序列碼板或DSP信號處理板的IO控制信號撤銷控制信號切斷發射功放板的高、低壓電源，實現功放發射板零功耗待機。

1.3 接收板

為了使換能器接收輸入阻抗匹配、降低噪音和降低功耗，接收板的前放與阻抗匹配部分采用低噪音、低功耗的儀表放大器轉差分信號為單端輸出信號，該信號經4階Butterworth濾波[10]和后置放大驅動輸出接收信號，該接收信號分別送M序列碼和DSP信號處理板的16位A/D電路。為了保證接收帶寬增益的動態范圍，后置放大增益設為多級可調增益電路，接收板原理框圖如圖3所示。

圖3 接收板原理框圖

1.4 DSP信號處理板

DSP信號處理板主要由DC-DC-LDO電源變換、兩路16位A/D采集、一路D/A信號輸出、EMP240接口電路、信號調理、外擴FLASH和SDRAM電路、串口RS232接口、JTAG接口、USB主機接口控制CH375電路、看門狗復位電路和抗干擾電路等幾部分組成。

DSP信號處理板的核心處理芯片采用TMS320VC5509芯片，該芯片具有低功耗、低噪聲和高速處理能力[11-12]，通過RS232標準接口與M序列碼解調板通訊。兩路16位A/D和一路16位D/A芯片經過EPM240接口電路轉換送給DSP進行數據采集[13-15]。

1.5 M序列碼解調板

M序列碼板主要由DC-DC-LDO電源變換、一路16位A/D采集、一路D/A信號輸出、串口RS232接口、JTAG接口、信號調理、看門狗復位電路和抗干擾電路等幾部分組成。

M序列碼板的核心處理芯片采用ADSP-BF533芯片，該芯片具有低功耗、低噪聲和高速處理能力等特點[13-14]，A/D和D/A芯片也采用高速、低功耗、低噪聲的16位串行芯片。M序列碼板收到接收信號，通過A/D解調出CON控制命令，如果CON為有效信號，則開啟功放發射板回發M序列碼應答信號，如果CON控制命令是記錄模式或應答模式，則控制電源板開啟DSP信號處理板，并通過RS232串口把CON控制命令傳給DSP信號處理板，應答器工作在相應模式下[12]。

2 軟件設計

DSP信號處理板和M序列碼板都采用C語言編寫，M序列碼板程序流程圖如圖4所示，流程圖中的N=0，1，2,…，開機上電由入水電源開關控制，休眠模式時，功放板和DSP信號處理板供電關閉，只有接收板和M序列碼板工作，整個系統處于低功耗狀態。

圖4 M序列碼程序流程圖

DSP信號處理板的程序流程圖如圖5所示，M序列碼板控制電源板給DSP信號處理板上電，DSP系統初始化分為CSL庫函數初始化、EMIF接口初始化、串口初始化、McBSP口初始化、USB主機接口初始化和硬盤初始化；運行模式分為應答模式、記錄儀模式和休眠模式；應答文件以FAT32格式固定為4 Kb容量存儲，記錄文件以FAT32格式固定為10 Mb容量存儲，如果在存儲過程中有新的CON命令送來，則存儲文件根據實際文件大小(小于4 Kb或10 Mb)來存盤[6]。

圖5 M序列碼程序流程圖

3 實驗結果

2011年8月份，在中國南海進行了海上試驗，試驗存盤記錄數據完整、回放信號清晰，抗多途干擾能力強，實現了模擬水下目標的目標強度和0.5～1 kHz的海洋環境監測。并且利用3臺水聲應答器組成定點網絡，在海深7 m、聲源級175 dB、760 Hz，傳輸距離8 500 m，無誤碼，試驗過程中接受功耗145 mW，發射功耗10 W。實現水下無線組網的可靠通信。

4 結語

基于雙DSP模塊協同控制的水聲應簽器具有功耗低、功能完善和多用途廣泛等特點，該產品應用實際中，產品運行穩定可靠，更適合整個水聲技術發展的需求！

[1] Stojanovic M. Underwater acoustic communication[J]. IEEE Oceans, San Diego, 1995: 435-440.

[2] Sozer E M, Stojanovic M, Proakis J G. Underwater acoustic networks[J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 2000, 25(1): 72-83.

[3] Kilfoyle D B, Baggeroer A B. The state of the art in underwater acoustic telemetry[J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 2000, 25(1): 4-27.

[4] Ethem M. S.Underwater acoustic networks[J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 2010, 25(1): 72-83.

[5] Siderius M, Porter M B. McDonald V K, Experiments study underwater acoustic communications[J]. Sea Tech, 2004(5): 42-46.

[6] 劉軍鋒, 王玉巧. 基于QPSK擴頻技術的水下Modem設計[J]. 實驗室研究與探索, 2014, 33(2): 46-48.

[7] 許肖梅. 水聲通信與水聲網絡的發展與應用[J]. 聲學技術, 2009, 28 (6): 811-815.

[8] 查光明, 熊賢祚. 擴頻通信[M]. 西安: 西安電子科技大學出版社, 1990: 28-35.

[9] 白 鑫, 錢志博, 陳 潔. 一種水聲應答器電子系統的設計[J].電子測量技術, 2009, 32 (10): 8-11.

[10] 李鐘慎, 洪 劍.基于改進型Butterworth傳遞函數的高階低通濾波器的有源設計[J].電子測量與儀器學報，2008, 22(1): 86-89.

[11] 申 敏, 鄧矣兵, 鄭建宏. DSP原理及其在移動通信中的應用[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2001: 113-116.

[12] 景志宏, 趙俊渭, 林鈞清, 等. 高性能水下目標識別系統及其實驗研究[J]. 船舶工程, 1999, 22(1): 52-54.

[13] 汪春梅, 孫洪波, 任治剛. TMS320C500系列DSP系統設計與開發實例[M]. 北京: 電子工業出版社, 2004: 91-119.

[14] 奧本海姆A V, 謝弗 R W. 數字信號處理[M]. 董士嘉等譯. 北京: 科學出版社, 1981: 27-61.

[15] 樊昌信. 通信原理[M]. 北京: 國防工業出版社, 2001: 11-79.

Design of Multipurpose Underwater Acoustic Response Device System

WANGYu-qiao1,LIUJun-feng2,LIUXiao-lin2

(1. Huanghe Science & Technology College, Zhengzhou 450006, China; 2. CSIC Kunming Ship Design and Research Institute, Kunming 650236, China)

This paper discussed a kind of multipurpose underwater acoustic response device system design. It adopted new thought of double DSP modules to cooperate and control system's process. Dual DSP modules were composed of a piece of the ADSP-BF533 chips as the core in the M series code generated board and a piece of the TMS320VC5509 chips as the core in the signal processing board. Two pieces of the DSP processing board communicated through RS232 port. This entire hardware system used low power consumed design and gave the corresponding software flow chart. The acoustic response device system equipped with standard USB port, and could transmit the data to PC terminal. The entire system has fire reliability, software transplanted and high cost performance through the experiment in South China Sea. Underwater acoustic response device meets the future design direction of underwater communication.

underwater acoustic response device; M series code; DSP signal processing board; lower pass filter

2015-10-16

河南省科技廳重點科技攻關計劃項目(142102210550)；鄭州市重點實驗室——電子信息技術實驗室資助項目(ZZLG201414)

王玉巧 (1980- ), 女, 河南鄭州人, 碩士, 講師，研究方向: 電子信息工程。 Tel.:15515801518; E-mail: 12825693@qq.com

TP 368

A

1006-7167(2016)05-0067-04