水下滑翔機聲學測量系統(tǒng)的低功耗采集存儲系統(tǒng)設計

趙寶平，王茂法，王佳楠，仇寶春

(杭州電子科技大學 海洋工程研究中心，浙江杭州310018)

0 引 言

在海洋中，聲波來源廣泛，既有自然聲源(如海洋生物)，也有人為聲源(如船舶)。海洋背景噪聲包括海洋環(huán)境噪聲和技術噪聲。通過對背景噪聲的分析和處理，可以建立特定海域的噪聲場模型，從而有助于水下目標識別和預警探測。采集海洋背景噪聲一般以海洋環(huán)境觀測平臺搭載噪聲測量系統(tǒng)的方式進行。以往的海洋環(huán)境觀測平臺主要有海洋調(diào)查船、潛標和浮標等，水下滑翔機(Underwater Glider, UG)作為一種新型的海洋環(huán)境觀測平臺，跟以往的觀測平臺相比，具有自動化程度高、效率高、成本低、能耗小、航程大的優(yōu)點。當前的海洋環(huán)境科考工作也正在大量地應用水下滑翔機[1]。然而，水下滑翔機依靠電池對自身進行供電，為噪聲測量系統(tǒng)提供的能量十分有限，想要達到數(shù)月之久的工作時間，則必須要降低噪聲測量系統(tǒng)的功耗，因此，設計一套基于水下滑翔機的功耗低、體積小、質(zhì)量輕、工作穩(wěn)定、使用場景靈活的噪聲測量系統(tǒng)，具有十分重要的意義。

為了連續(xù)采集海洋中的聲波信號，Wang等[2]提出了一種主從結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，由一個主單元和兩個從單元構(gòu)成。劉璐等[3]研制了一種滑翔機自噪聲采集系統(tǒng)，用于測試水下滑翔機的自噪聲，系統(tǒng)主要由水聽器和數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)組成。孫巍等[4]設計了一種高性能的水聲信號采集系統(tǒng)，實現(xiàn)了多路模擬信號的數(shù)據(jù)采集存儲。Cauchy等[5]將Acousonde B003A-HF數(shù)據(jù)記錄儀應用于滑翔機進行被動聲學測量，進而研究風對水下環(huán)境噪聲的影響。Brain等[6]開發(fā)了一種單水聽器水聲環(huán)境探測系統(tǒng)，搭載在水下滑翔機上用于監(jiān)視水下聲環(huán)境。楊志國等[7]通過低噪聲自容式水聽器測量了波浪滑翔機的自噪聲，并捕捉到了水下生物信號。上述研究工作表明，在研制水聲測量系統(tǒng)時，工程師往往需要在工作周期、性能、采樣率、數(shù)據(jù)存儲容量、功耗幾個因素之間進行平衡。更大的數(shù)據(jù)存儲容量和更高的處理器性能可以為滑翔機帶來更長的工作周期，為測量系統(tǒng)帶來更強的數(shù)據(jù)采集能力，與此同時卻又增加了功耗，減少了水下滑翔機的續(xù)航時間。所幸，微處理器和閃存技術的快速發(fā)展為開發(fā)高采樣率、長工作周期、低功耗的水聲測量系統(tǒng)創(chuàng)造了可能。

本文設計的是一種裝備于水下滑翔機的新型噪聲測量系統(tǒng)。它的電路部分采用 STM32作為主控，高容量SD卡作為存儲介質(zhì)，系統(tǒng)具有功耗低、體積小、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。搭載在國內(nèi)某型水下滑翔機平臺上，完成海上噪聲測量試驗，試驗結(jié)果表明：測量系統(tǒng)穩(wěn)定，功耗較低，測量數(shù)據(jù)可靠。

1 系統(tǒng)設計

1.1 總體概述

本文設計的水下滑翔機聲學測量系統(tǒng)包括水聽器、模擬信號放大、數(shù)據(jù)采樣、存貯和通信等幾部分。其中水聽器經(jīng)計量標定，前置放大倍數(shù)為50倍，要求自噪聲低。聲學測量系統(tǒng)整體工作示意圖如圖1所示。

圖1 聲學測量系統(tǒng)工作流程示意圖Fig.1 Working procedure of the acoustic measurement system

聲學測量系統(tǒng)由水聽器、前置放大單元、程控放大單元、采集存儲單元以及數(shù)據(jù)分析等部分組成。環(huán)境噪聲首先由水聽器獲取，然后經(jīng)過前置放大、程控放大電路，最后進入采集存儲系統(tǒng)，由采集存儲系統(tǒng)將數(shù)據(jù)持久固化到存儲器中，后期通過計算機分析噪聲數(shù)據(jù)。

采集系統(tǒng)以ST公司的STM32F405RGT6為主控，并和程控增益模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、存儲模塊等構(gòu)成硬件系統(tǒng)，采用FAT文件系統(tǒng)以及SD卡完成數(shù)據(jù)存儲，通過RS232接口與上位機通信，實現(xiàn)狀態(tài)反饋、控制工作、增益控制等操作。采集系統(tǒng)整體功能如圖2所示。

圖2 水下滑翔機聲學測量系統(tǒng)框圖Fig.2 Block diagram of the acoustic measurement system for underwater glider

工作流程如下：水聽器接收到的模擬信號前置放大后，首先進入程控增益電路，并在單片機(Micro Controll Unit, MCU)的控制下進行程控放大，之后信號進入AD采樣電路，經(jīng)AD采樣之后，通過直接存儲器訪問(Direct Memory Access, DMA)通道存儲到SD卡中，系統(tǒng)通過RS232串口接收指令。實時時鐘(Real Time Clock, RTC)電路為SD卡的文件系統(tǒng)提供實時時鐘，電源模塊實現(xiàn) DC-DC轉(zhuǎn)換，為采集提供電源。

1.2 硬件設計

1.2.1 程控增益電路

不同海域的噪聲強度并不一樣，通過軟件命令調(diào)整增益可以在一定程度上提高系統(tǒng)的環(huán)境適應性。增益的調(diào)整在硬件上通過程控增益電路實現(xiàn)。通過控制該電路可以對輸入信號加以不同的增益。程控放大器采用LINEAR公司的LTC6911IMS-2，它是一款采用微型小外形封裝(Miniature Small Outline Package, MSOP)封裝的雙通道低噪聲數(shù)字可編程增益放大器，具有控制簡單，體積小等優(yōu)點，其典型應用電路如圖3所示。

圖3 雙通道低噪聲數(shù)字可編程放大器(LTC6911IMS-2)示意圖Fig.3 Schematic diagram of dual channel low noise digital programmable gain amplifier (LTC6911IMS-2)

LTC6911IMS-2的匹配增益可以通過程序控制3位數(shù)字輸入管腳(G0、G1、G2)的電平狀態(tài)進行增益變換，不同的電平狀態(tài)對應的具體放大倍數(shù)如表1所示。

表1 LTC6911IMS-2放大倍數(shù)Table1 The magnifications of LTC6911IMS-2

1.2.2 模-數(shù)轉(zhuǎn)換電路

系統(tǒng)采用TI公司的ADS1274模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，這是一款4通道的24位ΔΣ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，主要由ΔΣ調(diào)制器和數(shù)字降采樣濾波器組成，具有低功耗、低成本的特點[8]。

ADC的輸入時鐘頻率為 19.2 MHz，對應的采樣率為75 KHz，并且，為ADC提供時鐘的TCXO晶振也能有效補償由于溫度變化而引起的頻率漂移。同時，采用差分輸入方式，可以接收到更為微弱的輸入信號。

1.2.3 存儲模塊

SD卡是適合于MCU的大容量存儲介質(zhì)，支持SDIO/SPI驅(qū)動模式，體積也較小，適合用于對體積大小要求高的水下滑翔機。使用傳輸速度更快的SDIO模式來驅(qū)動SD卡[9]。在SDIO總線上有兩張SD卡，分別通過兩個雙向電平轉(zhuǎn)換芯片TXS0108E連接至MCU的SDIO接口，硬件連接如圖4所示(以一張SD卡為例)。

圖4 SD卡硬件連接Fig.4 The hardware connection of SD card

如果每4 096個采樣點組成一個數(shù)據(jù)包，每個采樣點的字長為3 B，數(shù)據(jù)包頭長為28 B。數(shù)據(jù)采樣率75 KHz，那么系統(tǒng)每秒鐘存儲的數(shù)據(jù)為

選用容量為512 GB的SD卡存儲時間約為

根據(jù)理論估算，使用兩張容量為512 GB的SD卡大約可以工作52 d，滿足滑翔機水下長期、大范圍噪聲測量的要求。

1.3 軟件設計

1.3.1 主程序設計

主程序工作流程如圖5所示。

圖5 主程序工作流程圖Fig.5 Flowchart of the main program

系統(tǒng)上電之后開始工作，首先進行RTC、串口、SD卡、ADC等模塊的初始化，然后進入死循環(huán)，不斷檢測是否接收到指令、緩存是否存滿、是否需要切換SD卡等情況。當有指令發(fā)送進來時系統(tǒng)進入中斷服務程序處理指令，之后返回主程序繼續(xù)存儲數(shù)據(jù)，如此循環(huán)往復。當一張卡存滿時再開啟另外一張卡，以減少不必要的能源消耗。

1.3.2 SD卡初始化

在初始化SD卡之前，需要進行FAT文件系統(tǒng)的移植工作。圖6是FAT文件系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)。

圖6 FatFs模塊的層次結(jié)構(gòu)Fig.6 The hierarchical structure of FatFs module

最頂層是應用層，與用戶平臺相關的部分就是底層存儲媒介接口和實時時鐘。移植時需要對ffconf.h和diskio.c進行配置。移植完成之后，再對SD卡進行初始化，就可以方便地調(diào)用 FatFs的f_open、f_read等API函數(shù)。

驅(qū)動SD卡首先要對其進行初始化。初始化完成后，讀寫操作較為簡單，只需編寫四個底層讀/寫函數(shù) SD_ReadBlock、SD_ReadMultiBlocks、SD_WriteBlock、SD_WriteMultiBlocks，兩個供 FatFs調(diào)用的接口函數(shù)SD_ReadDisk、SD_WriteDisk[9]。

1.3.3 指令處理

本文所設計的系統(tǒng)中，MCU通過一個 RS232串口實現(xiàn)對外通信，通過此串口，MCU可以向水下滑翔機反饋系統(tǒng)當前的工作狀態(tài)，接收來水下滑翔機的增益控制以及控制工作的指令。

當MCU接收到改變增益的指令后對指令進行解析，根據(jù)指令中的增益值去改變增益相關標志位，后臺系統(tǒng)通過查詢這個標志位進而改變LTC6911IMS-2增益控制管腳G0、G1、G2的電平狀態(tài)。當G0、G1、G2全部設置為全0時，系統(tǒng)將停止采集工作，也不會存儲任何數(shù)據(jù)。

1.4 低功耗設計

低功耗設計方面，一是通過器件選型盡可能地降低能源消耗，另外通過提高 DC-DC電路的能源轉(zhuǎn)換效率提高能源利用率。

經(jīng)過調(diào)查和分析，模-數(shù)轉(zhuǎn)換芯片選用了ADS1274，相比其他結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換器，ΔΣ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADS1274能在相同的功耗下實現(xiàn)更高的采樣率；存儲介質(zhì)選用SD卡，能源消耗相對硬盤等存儲介質(zhì)非常低；主控選用STM32F405GR6，相比常用的DSP芯片TMS320C6748，能夠以更低的功耗完成數(shù)據(jù)存儲以及命令響應任務。兩款芯片的典型功耗如表2所示。

表2 器件典型功耗對比Table 2 Comparison of typical power consumption of devices

電源部分，通過使用脈沖頻率調(diào)制(Pulse frequency modulation, PFM)技術和不連續(xù)導通模式(Discontinuous Conduction Mode, DCM)控制策略的LM43602，可以實現(xiàn)更優(yōu)的轉(zhuǎn)換效率，提高了能源利用率，減少外圍電路的元器件，也在一定程度上減少了能源消耗。

2 試驗研究

2.1 穩(wěn)定性試驗

為驗證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對系統(tǒng)進行了一周的無故障烤機測試。以信號源向系統(tǒng)輸入電壓20 mV(峰峰值)，頻率2 kHz的正弦差分信號，并不定期地通過串口向采集系統(tǒng)下達改變增益的命令，最后分析所存數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)默認的增益為32，選取當前增益下的數(shù)據(jù)繪出時域圖，如圖7所示。

圖7 默認增益下的時域波形Fig.7 Time domain waveform for the default gain

可以看出，所選兩個采樣點之間相隔 5 個周期，以75 kHz的采樣頻率計算，波形的頻率為

與原始信號的頻率基本相等。

觀察增益從32切換到64的數(shù)據(jù)，如圖8所示。

圖8 增益切換到64時的時域波形Fig.8 Time domain waveform when the gain is switched to 64

可以看到，發(fā)送至采集系統(tǒng)的命令得到了響應并被正確執(zhí)行。

2.2 功耗測量

分別測試采集系統(tǒng)在空載以及掛載水聽器之后的功耗，結(jié)果如表3所示。

表3 系統(tǒng)功耗Table 3 The power consumption of the system

在使用TMS320C6748低功耗DSP芯片為基礎的系統(tǒng)中，僅DSP芯片自身的峰值功耗就已經(jīng)達到了 660 mW，再加上采樣、存儲等部分的功率消耗，總功耗通常約為1 W。

本文所設計的這套采用 STM32并簡化電路設計的系統(tǒng)，正常工作時功耗為 728 mW，相比一般的DSP測量系統(tǒng)，功耗降低約27.2%，效果明顯。由280 Ah容量的電池組供電，預計可以為水下滑翔機延長90 h左右的續(xù)航時間。

2.3 海上噪聲測量

2019年下半年，在某海域進行了海洋環(huán)境噪聲的測量試驗。在該海域內(nèi)，水下滑翔機以不同的速度和深度航行，測得了海洋背景噪聲數(shù)據(jù)。圖9和圖10所示分別是實際海試時在110 m深度下的噪聲時域圖和頻譜圖。

圖9 某海域背景噪聲原始時域信號(110 m深)Fig.9 Original background noise signal at a depth of 110 m in a specific sea area

圖10 某海域背景噪聲信號的頻譜(110 m深)Fig.10 Background noise spectrum at a depth of 110 m in a specific sea area

在整個海試過程中，測量系統(tǒng)工作穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)異常情況，實際海上試驗的結(jié)果表明，所設計的噪聲測量系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)定性。

3 結(jié) 論

本文針對水下滑翔機，研究、設計和實現(xiàn)了一種用于觀測海洋環(huán)境噪聲的采集存儲系統(tǒng)，并開展了實際的海上噪聲測量試驗。結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有功耗低、體積小、重量輕、自動化程度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，在海洋噪聲測量應用中有較好的應用前景。