基于DP83640同步以太網(wǎng)模式的深海探測系統(tǒng)?

晁大海 范業(yè)明

（海軍駐大連地區(qū)軍事代表室 大連 116013）

1 引言

在國家加快深遠(yuǎn)海試驗(yàn)場建設(shè)過程中，深海探測系統(tǒng)的使用對于大力發(fā)展水下探測，對提高海洋綜合感知能力起到了非常重要的作用［1］。其中，多臺探測裝置同步實(shí)時(shí)采集探測信息對于數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)分析有效性起到非常重要的作用［2］。據(jù)調(diào)查，目前多臺深海探測裝置同時(shí)開始采集工作一段時(shí)間后，都會存在所有探測裝置中采集卡采樣時(shí)鐘有偏差，導(dǎo)致后期數(shù)據(jù)處理中不同采集卡所采集的數(shù)據(jù)同一時(shí)間點(diǎn)存在不同采樣值，做頻譜分析后會出現(xiàn)誤差累加增加［3］。基于此，解決所有水下探測設(shè)備工作時(shí)鐘同步性對于后期數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性、及時(shí)發(fā)現(xiàn)探測目標(biāo)具有重要意義［4］。

2 總體技術(shù)方案

如圖1所示，本次深海探測系統(tǒng)主要分為四部分，具體組成內(nèi)容如下。

1）中央處理單元。該裝置主要通過STM32處理器控制監(jiān)測模塊采集數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)通過485通信控制器傳輸?shù)胶Ｃ孳O船的上位機(jī)中。

2）監(jiān)測模塊。實(shí)現(xiàn)水下不同傳輸協(xié)議傳感器組的數(shù)據(jù)采集，完成各種模擬量的采集。

3）時(shí)鐘同步模塊。負(fù)責(zé)外部時(shí)鐘對本地參考時(shí)鐘提供激勵。本地參考時(shí)鐘成為監(jiān)測模塊中所有時(shí)鐘的核心。從接收的以太網(wǎng)包數(shù)據(jù)流中恢復(fù)接收時(shí)鐘，并鎖定到對接點(diǎn)中發(fā)送時(shí)鐘。

4）數(shù)據(jù)收發(fā)單元。利用485控制芯片，實(shí)現(xiàn)水下探測裝置與躉船監(jiān)測中心的數(shù)據(jù)通信［5］。

5）躉船監(jiān)測中心。利用水面躉船監(jiān)測中心對水下探測裝置發(fā)送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、解析、顯示處理。

圖1 總體方案框圖

系統(tǒng)實(shí)際工作中，將監(jiān)測傳感器組集成到水下探測裝置上，監(jiān)測節(jié)點(diǎn)本地時(shí)鐘被時(shí)鐘同步模塊（DP83640）處理后，提供給監(jiān)測模塊采集時(shí)鐘，監(jiān)測模塊將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至中央處理器，經(jīng)STM32處理器處理后通過485控制器傳輸至水面躉船的計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理和顯示［6］。整個(gè)系統(tǒng)工作示意圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)工作示意圖

3 硬件設(shè)計(jì)

如圖3所示，整個(gè)深海探測控制系統(tǒng)主要由深海探測裝置、臍帶纜（含數(shù)據(jù)線）、岸站接收端組成。深海探測裝置又由深海探測傳感器組、動力裝置、水下電子艙組成。深海探測傳感器組搭載在深海探測裝置上，用于完成環(huán)境信息、設(shè)備自身運(yùn)行姿態(tài)、溫深信息的采集，動力裝置用于保證深海探測裝置動力。水下電子艙主要由控制單元、電源轉(zhuǎn)換模塊、時(shí)鐘同步模塊組成［7］?？刂茊卧饔檬菍?shí)現(xiàn)水下環(huán)境信息、溫深信息、設(shè)備姿態(tài)信息采集、采集后數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸?shù)壬詈Ｌ綔y裝置控制操作［8］。臍帶纜一端通過水下連接器與深海探測設(shè)備內(nèi)電子艙連接，臍帶纜的另一端連接岸站中心，通過臍帶纜將采集的水下環(huán)境數(shù)據(jù)、溫深信息、設(shè)備姿態(tài)信息發(fā)送到岸站中心進(jìn)行數(shù)據(jù)處理［9］。除此之外，臍帶纜還為水下傳感器組、水下電子艙內(nèi)的電路板、485控制器提供工作電壓［10］。

圖3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

作為時(shí)鐘同步模塊中重要的組成單元，DP83640具有幾個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘，包括本地參考時(shí)鐘，一個(gè)以太網(wǎng)接收時(shí)鐘和一個(gè)PTP時(shí)鐘信號源。同時(shí)還包括一個(gè)內(nèi)部的PTP數(shù)字計(jì)數(shù)器，以及可以控制數(shù)字計(jì)數(shù)器和PTP時(shí)鐘速的邏輯單元。外部時(shí)鐘對本地參考時(shí)鐘提供了激勵。本地參考時(shí)鐘成為時(shí)鐘的核心［11］。從接收的以太網(wǎng)包數(shù)據(jù)流中恢復(fù)接收時(shí)鐘，并鎖定到對接點(diǎn)中發(fā)送時(shí)鐘。在正常工作時(shí)，利用IEEE1588 PTP包從器件PTP時(shí)鐘與主器件中的PTP時(shí)鐘和計(jì)數(shù)器相匹配。使能同步以太網(wǎng)模式時(shí)，將PTP時(shí)鐘、數(shù)字計(jì)數(shù)器、PTP速率調(diào)節(jié)單元的控制從本地參考時(shí)鐘切換到已經(jīng)恢復(fù)的接收時(shí)鐘上［12］。這種工作模式將從系統(tǒng)的PTP時(shí)鐘和計(jì)數(shù)器鎖定到主時(shí)鐘PTP時(shí)鐘和計(jì)數(shù)器，系統(tǒng)同步精確性會顯著增加［13］，如圖5所示。

圖4 深海探測裝置設(shè)計(jì)圖

圖7 在點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲型揭蕴W(wǎng)模式使能的DP83640的工作框圖

4 系統(tǒng)的同步測試

在系統(tǒng)的同步特性測試中，比較主時(shí)鐘與從信號的相應(yīng)同步信號之間的時(shí)間延遲。將系統(tǒng)的主從信號連接到示波器的輸入端，主信號作為觸發(fā)信號進(jìn)行同步特性測試。實(shí)驗(yàn)中，將兩個(gè)DP83640板分別用作主從器件來進(jìn)行測量［14］，如圖6所示，采用1米超5類網(wǎng)絡(luò)電纜進(jìn)行連接，使用Analog LaunchPAD軟件對測試板進(jìn)行測定，USB口主要用于MDIO功能的測試［15］。

5 測試結(jié)果分析

圖7 電纜時(shí)域反射晶振發(fā)送端和接收端阻抗特性

圖7是電纜時(shí)域反射晶振發(fā)射端和接收端阻抗特性，發(fā)射一次50ns正脈沖，看其在發(fā)射端和接收端的響應(yīng)，測試電纜的阻抗特性。如圖8所示，將圖放大，可以看出，脈沖都是在56ns處下降，在64ns處到達(dá)底部，說明兩者時(shí)鐘已經(jīng)同步。

圖8 TDR晶振Tx和Rx結(jié)果比較

圖9 系統(tǒng)同步特性測試現(xiàn)場圖

6 結(jié)語

本文詳細(xì)介紹了基于DP83640同步以太網(wǎng)模式的深海探測控制系統(tǒng)構(gòu)成、總體技術(shù)方案、實(shí)際驗(yàn)證過程。其中，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求對采樣率要求很高的數(shù)據(jù)采集裝置，在使用了同步以太網(wǎng)模式得到的結(jié)果其精確度可以達(dá)到納秒級。因此，說明基于DP83640的同步以太網(wǎng)模式對本地?cái)?shù)據(jù)采集卡的時(shí)鐘同步起到保障作用，對從系統(tǒng)與本地參考時(shí)鐘的不穩(wěn)定現(xiàn)狀起到校準(zhǔn)作用。