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]提出了一種主從結構的數據采集系統(tǒng)，由一個主單元和兩個從單元構成。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)主要由水聽器和數據采集存儲系統(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)，實現了多路模擬信號的數據采集存儲。Cauchy等[5]將Acousonde B003A-HF數據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、數據存儲容量、功耗幾個因素之間進行平衡。更大的數據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)帶來更強的數據采集能力，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，系統(tǒng)具有功耗低、體積小、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。搭載在國內某型水下滑翔機平臺上，完成海上噪聲測量試驗，試驗結果表明：測量系統(tǒng)穩(wěn)定，功耗較低，測量數據可靠。

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、數據采樣、存貯和通信等幾部分。其中水聽器經計量標定，前置放大倍數為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據分析等部分組成。環(huán)境噪聲首先由水聽器獲取，然后經過前置放大、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)將數據持久固化到存儲器中，后期通過計算機分析噪聲數據。

采集系統(tǒng)以ST公司的STM32F405RGT6為主控，并和程控增益模塊、A/D轉換模塊、存儲模塊等構成硬件系統(tǒng)，采用FAT文件系統(tǒng)以及SD卡完成數據存儲，通過RS232接口與上位機通信，實現狀態(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 DC-DC轉換，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。增益的調整在硬件上通過程控增益電路實現。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如表1所示。

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

1.2.2 模-數轉換電路

系統(tǒng)采用TI公司的ADS1274模數轉換芯片，這是一款4通道的24位ΔΣ型模數轉換器，主要由ΔΣ調制器和數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，支持SDIO/SPI驅動模式，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據包，每個采樣點的字長為3 B，數據包頭長為28 B。數據采樣率75 KHz，那么系統(tǒng)每秒鐘存儲的數據為

選用容量為512 GB的SD卡存儲時間約為

根據理論估算，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)存儲數據，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)的層次結構。

圖6 FatFs模塊的層次結構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，就可以方便地調用 FatFs的f_open、f_read等API函數。

驅動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 SD_ReadBlock、SD_ReadMultiBlocks、SD_WriteBlock、SD_WriteMultiBlocks，兩個供 FatFs調用的接口函數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，也不會存儲任何數據。

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電路的能源轉換效率提高能源利用率。

經過調查和分析，模-數轉換芯片選用了ADS1274，相比其他結構的轉換器，ΔΣ型模數轉換器 ADS1274能在相同的功耗下實現更高的采樣率；存儲介質選用SD卡，能源消耗相對硬盤等存儲介質非常低；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據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，可以實現更優(yōu)的轉換效率，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，最后分析所存數據。

系統(tǒng)默認的增益為32，選取當前增益下的數據繪出時域圖，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的數據，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，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據。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，沒有出現異常情況，實際海上試驗的結果表明，所設計的噪聲測量系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)定性。

3 結 論

本文針對水下滑翔機，研究、設計和實現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。