基于ARM的船舶水聲浮標(biāo)系統(tǒng)嵌入式應(yīng)用

文/張磊磊

利用優(yōu)化水聲信號(hào)的采集手段提高魚群定位精度能夠幫助大型漁船提高出海捕撈的效率，對(duì)于潛艇水下作業(yè)來說，提高水聲信號(hào)的采集分析精度能夠幫助潛艇操作者準(zhǔn)確完成作業(yè)任務(wù)，同樣，對(duì)于遠(yuǎn)洋運(yùn)輸來說水生信號(hào)的采集精度同樣具有重要的意義。因此，人們開始尋求能夠提高信號(hào)采集精度的技術(shù)方法，通過實(shí)踐應(yīng)用我們發(fā)現(xiàn)機(jī)遇ARM的船舶水聲浮標(biāo)系統(tǒng)嵌入式應(yīng)用這一技術(shù)手段在保證精度的同時(shí)，體現(xiàn)了該技術(shù)實(shí)用性強(qiáng)、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，因此這一技術(shù)也被廣泛應(yīng)用于船舶系統(tǒng)中，以保證船舶出航的實(shí)際需求。

1 國(guó)內(nèi)外船舶水聲浮標(biāo)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

目前我國(guó)國(guó)內(nèi)外常用的浮標(biāo)種類有兩種：

（1）錨泊浮標(biāo)；

（2）漂流浮標(biāo)。

無論何種浮標(biāo)都在軍用、民用等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，同時(shí)也為科學(xué)研究與海洋勘探提供足夠詳實(shí)的數(shù)據(jù)資料，因此世界上各個(gè)國(guó)家都積極地對(duì)船舶水聲浮標(biāo)技術(shù)進(jìn)行了深入的研究。目前國(guó)際有關(guān)組織計(jì)劃在全球海洋上逐步布放大量的Argo浮標(biāo)，這種浮標(biāo)具有自沉浮剖面探測(cè)功能，能夠?qū)Ｑ髮?shí)時(shí)情況進(jìn)行觀測(cè)，其運(yùn)轉(zhuǎn)流程為先在海洋表面漂浮一定時(shí)間后，主動(dòng)下沉到一定深度并保持一定時(shí)間，然后在上浮到海面上，這個(gè)過程是不斷重復(fù)的，并以電池能量耗盡為終止。數(shù)據(jù)的上傳時(shí)間集中在該浮標(biāo)停留在海面的實(shí)踐，用戶可以通過互聯(lián)網(wǎng)下載浮標(biāo)采集的資料，一般來說這種浮標(biāo)的工作壽命能夠保持在兩年以上。目前我國(guó)已經(jīng)在南海海域布放了四個(gè)Argo浮標(biāo)。隨著對(duì)水聲浮標(biāo)技術(shù)研究的不斷加深，國(guó)外企業(yè)逐漸研究出了L55輕型浮標(biāo)、博爾姆錨泊浮標(biāo)、Seswatch海洋實(shí)時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)。

近幾年，我國(guó)浮標(biāo)技術(shù)開發(fā)人員在水聲浮標(biāo)技術(shù)中融入了計(jì)算機(jī)技術(shù)與無限代技術(shù)，從而促使我國(guó)海洋環(huán)境預(yù)報(bào)技術(shù)的飛速發(fā)展。我國(guó)國(guó)家海洋技術(shù)中心研制實(shí)時(shí)傳輸海洋漂浮系統(tǒng)等技術(shù)更是能夠?qū)崿F(xiàn)深海數(shù)據(jù)的傳輸，填補(bǔ)了我國(guó)技術(shù)上的空白。并且我國(guó)很多高校也針對(duì)浮標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行了一系列的研究，比如哈爾濱工程大學(xué)研制的水下目標(biāo)跟蹤定位系統(tǒng)，有效提高了數(shù)據(jù)的采集精度。目前，為了進(jìn)一步提高浮標(biāo)的各項(xiàng)性能，研究人員開始對(duì)基于ARM的水聲浮標(biāo)的嵌入式設(shè)計(jì)開展了一系列的研究。

2 基于ARM的船舶水聲浮標(biāo)系統(tǒng)嵌入式設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于浮標(biāo)標(biāo)體長(zhǎng)期浸泡在海水中，而海水本身含有較高的鹽分，所以提高浮標(biāo)標(biāo)體的耐腐蝕性對(duì)于提高浮標(biāo)的壽命有著重要的意義。所以在浮標(biāo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)該采取能夠抗腐蝕性能良好的材料將水聲浮標(biāo)GPS天線、無線信號(hào)天線、電子倉(cāng)等構(gòu)件包裹起來，避免受到海水的侵蝕。并且也要選擇能被信號(hào)穿透的抗腐蝕材料。

由于設(shè)備在海洋中往往處于不斷震動(dòng)的狀態(tài)，如果浮標(biāo)震動(dòng)幅度過大，往往會(huì)影響信號(hào)的采集精度，并降低設(shè)備的穩(wěn)定性。所以我們需要通過確定標(biāo)體固有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、標(biāo)體質(zhì)量、標(biāo)體質(zhì)心高度等參數(shù)計(jì)算浮標(biāo)橫向運(yùn)動(dòng)周期、橫向搖擺頻率、橫向搖擺運(yùn)動(dòng)特征，隨后技術(shù)人員可以通過跳著這幾個(gè)參數(shù)的數(shù)值來控制浮標(biāo)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特征。

2.2 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

由于電路系統(tǒng)與電子元件是水聲浮標(biāo)功能實(shí)現(xiàn)的重要組成部分，所以技術(shù)人員在設(shè)計(jì)開發(fā)過程中應(yīng)該對(duì)信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行優(yōu)化與完善，主要需要考慮系統(tǒng)中電阻電容值匹配情況以及功率損耗情況，并且需要通過設(shè)計(jì)讓電流具有信號(hào)放大、過濾噪聲等功能。

（1）在電路設(shè)計(jì)中應(yīng)該為信號(hào)放大器預(yù)留位置，并將信號(hào)放大器放在電路前端，以起到提高聲波信號(hào)信噪比的作用。

（2）需要讓直流偏置通過利用浮標(biāo)信號(hào)接收器的電容特性的方式得到抵消。

（3）需要通過設(shè)置帶通濾波器的方法讓信號(hào)經(jīng)過處理后輸出穩(wěn)定的差分信號(hào)，并將差分信號(hào)轉(zhuǎn)入數(shù)模轉(zhuǎn)換器。

這樣，信號(hào)調(diào)理電路就能夠?qū)λ曅盘?hào)進(jìn)行降噪、放大、濾波以及差分輸出等功能。

2.3 水聽器設(shè)計(jì)

水聽器位于浮標(biāo)標(biāo)體電子艙內(nèi)，起著聲電轉(zhuǎn)換的作用，能夠?qū)⑹占降穆暡ㄐ盘?hào)轉(zhuǎn)換為可供傳輸?shù)碾娦盘?hào)，轉(zhuǎn)換后的信號(hào)能夠被信號(hào)調(diào)理器識(shí)別。一般來說，會(huì)采用壓電陶瓷作為水聽器的主要材料。其原理為陶瓷內(nèi)部會(huì)由于陶瓷受力導(dǎo)致正負(fù)電荷出現(xiàn)極化現(xiàn)象和相對(duì)位移，從而進(jìn)一步導(dǎo)致材料兩端出現(xiàn)相反電荷。提高陶瓷應(yīng)力敏感性則是提高水聽器精確性的主要措施。

2.4 基于ARM的船舶水聲浮標(biāo)系統(tǒng)嵌入式程序設(shè)計(jì)

在實(shí)際應(yīng)用中我們發(fā)現(xiàn)ARM技術(shù)的應(yīng)用能夠有效提高船舶水聲浮標(biāo)系統(tǒng)的自動(dòng)化水平，因此本節(jié)基于水生浮標(biāo)所采用的硬件電路以及ARM處理器，對(duì)其自動(dòng)化程序進(jìn)行了分析和討論。

ARM處理器具有性能強(qiáng)、功耗小的特點(diǎn)，并且同時(shí)支持16位指令集合和32為指令集合，由于處理器內(nèi)部將大量的數(shù)據(jù)寄存器集成起來，因此該處理器具有尋址靈活、運(yùn)行速度快、執(zhí)行效率高的特點(diǎn)。一般來說，采用ARM處理器的船舶水聲浮標(biāo)系統(tǒng)具有以下幾個(gè)模塊：

（1）系統(tǒng)時(shí)鐘模塊。在收集信息的過程中，除了要保證信號(hào)的采集準(zhǔn)確性，還需要通過確定采集信號(hào)時(shí)間的方式提高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元的規(guī)律性。目前技術(shù)人員常使用采集時(shí)間作為保存水聲信號(hào)文件夾的名稱，為后續(xù)數(shù)據(jù)調(diào)取分析工作提供便利條件。在設(shè)計(jì)過程中建議使用基于CMOS工藝的時(shí)鐘系統(tǒng)。

（2）數(shù)據(jù)采集程序，程序設(shè)計(jì)對(duì)于軟件功能來說有著重要的以，并且也在很大程度上決定著系統(tǒng)的整體性能。因此在編寫數(shù)據(jù)采集程序的過程中需要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)寫入存儲(chǔ)器、A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀取等功能。在設(shè)計(jì)匯總建議施工用DMA數(shù)據(jù)傳輸方式，并采用4位總線連接的存儲(chǔ)器。

（3）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序，通過在架構(gòu)中內(nèi)置FatFs文件系統(tǒng)，使得ARM處理器加工具備了跨平臺(tái)移植性，讓軟件可以在ARM、AVR、PLC嵌入式系統(tǒng)中運(yùn)行。另外，這種文件系統(tǒng)還能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的直接訪問，因此該技術(shù)執(zhí)行過程中不需要實(shí)現(xiàn)訪問FDT表和FAT文件分配表的過程，從而有效提高了運(yùn)行效率。

通過在實(shí)踐應(yīng)用中對(duì)基于ARM的船舶水聲浮標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)的水聽器靈敏度、等效噪聲、相位一致性、系統(tǒng)功耗等方面均能達(dá)到實(shí)踐要求，并能夠證明該系統(tǒng)具有一定的可靠性和穩(wěn)定性，能夠?yàn)樯a(chǎn)提供詳細(xì)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，也能為科研工作的開展提供一定的助力，并且浮標(biāo)系統(tǒng)布放與回收工作簡(jiǎn)單便捷，各項(xiàng)成本較低，是一種值得推廣的技術(shù)。

3 總結(jié)

水聲浮標(biāo)系統(tǒng)作為促進(jìn)我國(guó)海洋科學(xué)研究的重要設(shè)備，其研發(fā)水平和精度水平對(duì)于我國(guó)海洋事業(yè)發(fā)展有著重要的意義。所以我們應(yīng)該積極研究能夠提高水聲浮標(biāo)信息采集精確度的方法。因此本文通過研究發(fā)現(xiàn)基于ARM的船舶水聲浮標(biāo)系統(tǒng)嵌入式設(shè)計(jì)與應(yīng)用技術(shù)能夠有效提高水生浮標(biāo)的信息采集精確度，并降低技術(shù)成本。因此，在未來的水生浮標(biāo)技術(shù)研究過程中，我們?nèi)匀恍枰獙?duì)基于ARM的船舶水聲浮標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行深度的剖析，從而進(jìn)一步優(yōu)化該技術(shù)的設(shè)計(jì)方案，提出精度更高、穩(wěn)定性更好的水生浮標(biāo)系統(tǒng)。