基于DSP的四路同步水聲信號記錄儀設計

　　一、引言

　　水聲信號是實(shí)現水下探測、定位、導航、通信的主要信息載體，對水下目標回波及其輻射噪聲的原始信號進(jìn)行分析、處理和研究可獲得大量的目標特性信息，這就需要一種多路同步的高精度水聲信號采集記錄裝置來(lái)采集記錄水下目標的原始信號。

　　傳統的水聲采集系統常采用單路16bit以下A/D轉換器和單片機為核心器件，采樣精度低，采集存儲速度慢，處理能力弱，通用性不強。因此，文中采用24bit高精度A/D轉換器ADS1274、超低功耗數字信號處理芯片TMSVC5509A和CF卡為主存儲介質(zhì)，設計開(kāi)發(fā)了一種四路同步水聲信號記錄儀。該記錄儀精度高、動(dòng)態(tài)范圍大、功耗低、存儲容量大，工作穩定可靠，通用性強，可完成30kHz以下的水聲信號采集記錄和分析處理。

　　二、記錄儀整體設計方案

　　水聲數據記錄儀需要長(cháng)時(shí)間工作于水下，在功能上需要滿(mǎn)足大容量的存儲、低功耗、高保真、實(shí)時(shí)采集記錄的要求。鑒于水聲信號頻率一般不高，采樣率100kHz足以滿(mǎn)足大部分信號采集需求，四路24bit采集8個(gè)小時(shí)總的數據量不超過(guò)32G,因此采用容量為32G的ComPACt Flash(CF卡)就能滿(mǎn)足系統存儲要求。記錄儀采樣頻率100kHz時(shí)，要在10μs的采樣周期內完成4路24bit水聲信號的采集存儲，實(shí)時(shí)性要求較高，這里選用TI超低功耗數字信號處理芯片TMS320VC5509A為主控處理器，其處理速度達到400MIPS,可滿(mǎn)足系統需求。根據系統的需要，系統硬件部分由四路信號調理(前置放大及濾波)、高精度模數轉換器(AD)、主控處理器(DSP)、數據存儲單元(CF卡)、PC機接口單元構成(USB)，軟件部分由數據采集模塊、數據存儲模塊和數據讀取模塊構成。記錄儀總體結構圖如圖1所示。

　　三、記錄儀硬件設計與實(shí)現

　　(一)信號調理部分

　　信號調理部分的主要的功能，是完成對水聽(tīng)器接收到的弱信號進(jìn)行放大、濾波、單端變雙端、電壓抬升以使接收到的水聽(tīng)器信號經(jīng)過(guò)調理后能滿(mǎn)足A/D輸入信號的要求。

　　水聽(tīng)器的信號是微弱信號，前置放大對抑制噪聲起到致關(guān)重要的作用。是否能有效抑制各種噪聲，是本系是否成功的關(guān)鍵，這里采用了成熟的商品化前放模塊。

　　前放模塊的技術(shù)指標為：輸入方式：差動(dòng)與單端;共模抑制比：>100dB;輸入阻抗：200MΩ;噪聲電壓密度為3nV/ ;增益：10倍(20dB)。

　　(二)A/D接口電路

　　經(jīng)過(guò)反復論證和比較，以及考慮到系統性能、電路結構、系統功耗、可擴展性及片源等多方面的因素，本系統選用了美國TI公司的一款24位高精度AD轉換器ADS1274.該AD芯片內部集成有多個(gè)獨立的高階斬波穩定調制器和FIR數字濾波器，可實(shí)現4通道同步采樣，支持高速、高精度、低功耗、低速4種工作模式，具有6 2 K H z的帶寬，采樣頻率最高可達128KS/s.該芯片采用差動(dòng)輸入方式，所以輸入端可直接與傳感器或微小的電壓信號相連;可通過(guò)設置相應的輸入/輸出引腳選擇工作模式，無(wú)需寄存器編程，其數據輸出可選擇幀同步或SPI串行接口，便于連接至DSP,可滿(mǎn)足要求嚴格的多通道微弱信號采集應用。

　　(三)主控制器

　　主控制器是系統的核心， 本系統所選用的主控處理器是TI公司的TMS320VC5509A,該芯片是TI公司生產(chǎn)的TMS320C5000系列DSP芯片中的一種。C5000系列的DSP在移動(dòng)通信終端中應用廣泛，其中C54x最為成熟，它采用改進(jìn)的哈佛結構，并集成有豐富的硬件邏輯和外部接口資源，不僅提高了性能，也降低了成本和體積。C55x是在C54x的基礎上發(fā)展起來(lái)的，具有C54x的全部?jì)?yōu)點(diǎn)，而且是目前功耗最低的新產(chǎn)品。C55x低功耗的這一特點(diǎn)正符合水下能量受限的電子系統的功耗要求。

　　(四)CF卡控制器

　　CF支持三種基本工作模式：PC CardMemory模式、PC Card I/O模式以及TrueIDE模式。文中使用True IDE模式，它可以在CF卡上電時(shí)自動(dòng)進(jìn)入。在插入CF卡之前，保證CF卡插槽的/OE管腳為低電平，即可以讓CF卡進(jìn)入True IDE模式。DSP與CF卡的接口電圖如圖4所示。