基于聲吶浮標的水聲信號采集系統設計

程思源，齊 華，鄭 琨，孫辰奇

（1.西安工業大學電子信息工程學院，陜西西安 710021；2.西北工業大學航海學院，陜西西安 710068；3.廣西師范大學計算機科學與信息工程學院，廣西桂林 541006）

自21 世紀以來，世界各國因海洋主權問題引起的爭端愈演愈烈，海洋資源對于一個國家的經濟發展和戰略地位至關重要，因此海洋資源的開發與研究成為了各個國家關注的重點。

該文基于浮標平臺設計并實現了一款水聲信號采集系統。該系統以高性能STM32 芯片[1-2]為核心，實現了高穩定性的數據采集、傳輸和控制功能，提高了水聲采集系統的實時性和可靠性；該系統具有上位機，將采集系統與物聯網技術結合在一起，實現了實時監測采集數據和實時控制采集系統狀態的功能。該文設計的水聲信號采集系統采集數據質量高、信號干擾小，同時采集過程可控，采集效率和時效性得到了提升。

1 系統整體方案設計

水聲信號采集系統的主控芯片采用意法半導體公司的STM32F407ZGT6 芯片，系統設計框圖如圖1所示。系統主要由四通道水聽器、微弱信號預處理模塊、水聲信號采集系統主控芯片、電源供電模塊、網絡通信模塊和上位機構成。系統在工作時，首先將水聽器接收到的差分模擬水聲信號，經過微弱信號預處理模塊中的放大、濾波和A/D 模數轉換裝置進行采集處理[3-6]，最終將A/D 模數轉換后的數字信號傳輸至水聲信號采集系統的主控芯片中；系統通過網絡通信模塊與上位機進行以太網通信，在本地上位機實現遠程實時檢測與遠程系統管理控制的功能。

圖1 水聲信號采集系統總框圖

2 系統硬件設計

系統硬件設計主要包括電源供電模塊設計、微弱信號預處理模塊設計和網絡通信模塊設計。

2.1 電源供電模塊設計

考慮到系統中各個模塊供電電壓的多樣性，為保證系統在水下未知環境下能正常工作，該系統采用DC 24 V 的基準電壓，首先采用兩片TPS5430 芯片設計24 V 電源穩壓降壓電路，產生+12 V 和-12 V為微弱信號預處理模塊中運算放大器進行供電，原理圖如圖2 所示；其次采用MP2359 芯片以及AMS1117-3.3芯片[7]對+12 V電壓進行處理，輸出5 V、3.3 V 主要為A/D 模數轉換芯片、水聲信號采集主控芯片、網絡通信模塊進行供電。原理圖如圖3 所示。

圖2 DC 24 V轉+12 V與-12 V原理圖

圖3 +12 V轉5 V、3.3 V原理圖

2.2 微弱信號預處理模塊設計

水聽器接收到的信號一般為微伏級模擬信號，為了保證水聲采集數據的有效性，需要對四通道水聽器采集信號進行預處理，并要求盡可能控制微弱水聲信號幅度相位相對穩定。微弱信號預處理結構框圖如圖4 所示，該模塊主要由前置放大模塊、多級可控放大模塊、濾波模塊與A/D 模數轉換模塊組成。

圖4 微弱信號預處理結構框圖

2.2.1 前置放大模塊

該部分設計采用高精度、低噪聲運算放大器，對水聽器輸出信號進行耦合并放大。前置放大電路輸入的一般是電壓量級為10-6V 的模擬微弱小信號，經過前置放大模塊[8]進行100 倍的固定增益放大，滿足小信號的耦合傳輸需求。原理圖如圖5 所示。

圖5 前置放大模塊原理圖

2.2.2 多級可控放大模塊

該系統多級可控放大模塊由四片ADA4077 芯片構成，其中第一個和第二個運算放大模塊分別設計為20 dB 的固定增益，由外圍的輸入電阻和反饋電阻構成放大電路；第三個和第四個運算放大模塊分別設計為增益不低于20 dB 的增益可調模塊[9]，其輸入電阻的阻值固定，反饋電阻使用數字電位計，由主控芯片控制實現增益可調。固定放大模塊原理圖如圖6 所示。

可控放大模塊放大增益主要由數字電位計控制，數字電位計RC相當于可以由主控芯片發送的程序指令控制檔位的滑動變阻器[10]，位于放大電路的反饋電阻部分，和放大電路的輸入電阻R構成反相放大器，其放大倍數表示為G=-RCR（負號表示信號的相位翻轉180°）。通過調整二者的比例關系，可以實現對模擬信號的放大或者衰減，當RC>R時，|G|>0，可以實現信號放大；當RC

圖7 可控放大模塊原理圖

根據上述前置放大模塊與多級可控放大模塊描述可知，最終該系統理論固定放大增益為80 dB，動態可控增益范圍為40 dB，最大放大增益為120 dB。滿足對微伏量級水聲小信號的放大處理要求。

2.2.3 濾波模塊

由于水聲信號的頻率范圍很寬，從水聲采集系統的使用角度來說，100 Hz 到20 kHz 的信號都在采集處理的頻帶范圍之內。該系統濾波模塊設計為運放同相輸入端與RC 濾波器[11-12]結合，采用兩個二階高通有源濾波器和兩個二階低通有源濾波器級聯構成的帶通濾波器電路，其中高通濾波器主要濾除水聽器接收到的低頻噪聲和電源引入的工頻干擾，低通濾波器主要濾除PCB 板內的高頻數字信號干擾，濾波模塊原理圖如圖8 所示。

圖8 濾波電路模塊原理圖

2.2.4 A/D模數轉換模塊設計

該系統采用AD7768-4 芯片作為A/D 模數轉換器[13-14]，芯片分辨率為24 bit，默認采樣頻率為128 kHz，采樣率調節范圍為64～256 kHz。根據采樣定理與實際工程需求，設計A/D 采樣頻率必須大于或等于60 kHz，該A/D 采樣頻率范圍滿足要求，且在默認頻率下信號輸入帶寬為55.4 kHz，滿足聲吶信號采集通頻帶大小要求。A/D 轉換芯片輸入范圍0～10 V，滿足接收來自微弱信號預處理模塊的最終輸出信號。

2.3 網絡通信模塊設計

水聲信號采集系統主控芯片內部自帶以太網媒體接入控制器(MAC)[15]，底層物理層組成缺少物理接口收發器(PHY)，因此該系統采用LAN8720 芯片作為PHY。LAN8720 芯片首先采用RMII 接口方式與主控芯片進行連接，其次連接一個RJ45 接口用于與上位機進行以太網通信。原理圖如圖9 所示。

圖9 網絡通信模塊原理圖

該系統以太網通信帶寬設計為10 Mbps，滿足以太網通信帶寬大于四通道水聲信號同步數據傳輸帶寬的工程設計要求。

3 系統軟件設計

系統軟件設計主要包含水聲采集主控軟件設計和上位機軟件設計。

3.1 水聲信號采集主控軟件設計

水聲信號采集主控軟件設計的主要功能是采集水聲信號，將水聲信號的采集數據通過以太網打包發送至上位機，并且響應上位機下發的控制命令。具體流程框圖如圖10 所示。首先對系統進行初始化操作，各個系統模塊上電；其次水聲信號采集主控芯片采集并接收到來自水聽器經過微弱信號預處理模塊處理后的水聲數據；然后將水聲數據通過以太網打包上傳至上位機，上位機根據實際情況對主控系統進行控制，若主控系統接收到控制命令則根據上位機最新控制命令改變主控系統狀態；若未接收控制命令，則主控系統繼續工作；最后采集板斷電，系統結束工作。

圖10 水聲信號采集主控軟件流程圖

3.2 上位機軟件設計

該設計采用VS2017（Microsoft Visual Studio 2017）軟件開發平臺進行上位機設計，采用基于WIN32 的MFC 窗口應用程序，使用了較多控件來實現該設計的要求。該軟件主要具有數據接收處理[16]與控制采集系統的功能。上位機軟件設計流程圖如圖11 所示，首先上位機軟件初始化；然后上位機開始接收由主控系統上傳的水聲數據，通過對水聲信號數據的實時處理與分析，對水聲信號采集系統進行控制狀態調整，向采集系統下發控制命令。

圖11 上位機軟件流程圖

4 實驗測試

4.1 多級可控放大測試

多級可控放大測試方式是先確定多級可控放大模塊的放大倍數，使用電腦通過JTAG 仿真器向單片機發送相應的增益指令，改變數字電位計的電阻值，然后將電路接入信號發生器和示波器測量此時的實際放大倍數，并與理論值進行對比。通過實驗測試，實測固定放大增益為80.5 dB，動態可控增益范圍為40.7 dB，系統最大增益為121.2 dB，滿足多級可控放大模塊性能設計需求[17]。

4.2 濾波特性測試

對10 Hz 至30 kHz 信號頻率進行測量，記錄多次測量結果并繪制頻響特性曲線，多個頻率輸出幅度增益表與頻響曲線如圖12 所示，實測結果符合設計要求。

圖12 濾波電路模塊實測頻響曲線

4.3 通道一致性測試

通道一致性采用的測試方法是使用信號發送器同時對四個通道信號預處理模塊輸入相同頻率和幅度的正弦信號，待水聲采集系統正常工作后分別采用示波器與相位計測量四個通道輸出信號的幅度與相位。以第一通道輸出信號作為參考信號，對比計算出其他三個通道的幅度差與相位差。為了更好地驗證通道一致性，采用三種不同頻率的正弦輸入信號進行測試，測試結果如表1 所示。

表1 通道一致性測試結果

由測量結果可知，四路通道的幅度差可以控制在±0.2 V 內，即幅度誤差率為±2.5%。相位差可以控制在±0.3°內，滿足各通道相位誤差小于等于±0.5°的工程應用要求。

5 結論

該文設計并實現了一種基于以太網數據傳輸、以STM32F407ZGT6 單片機為主控的四通道水聲信號采集系統。通過實驗測試證明，該系統能夠實現對水聲信號的采集預處理和監測控制功能。該系統設計成本低、操作簡易，在海洋信息采集領域具有極強的參考價值與通用性。進一步研究表明，在采集系統與以太網通信技術結合后，系統設計的靈活性得到提高，系統功能更加全面。