采用ZigBee和模糊PID控制的水声信号采集系统*

张国光

(昆明船舶设备研究试验中心 昆明 650051)



采用ZigBee和模糊PID控制的水声信号采集系统*

张国光

(昆明船舶设备研究试验中心 昆明 650051)

在水下制导武器的研究、开发、外场试验中,都需要采集水声基阵的接收信号,并实时记录采集数据,根据需要进行现场数据分析和实时或离线处理。研究水声信号采集系统对有效提高制导武器的数据分析性能具有重要意义。提出一种基于ZigBee和模糊PID控制的水声信号采集系统设计方案,通过ZigBee识别模型中的识别器获取ZigBee水声信号,进行信号滤波和中频放大设计,实现对干扰噪声的有效抑制。实验结果表明,设计的系统具有较好的实时数据采集和信号处理性能,通过模糊PID控制提高信号检测性能,系统的实时性和人机交互性好,在水声信号处理和信息采集等领域具有较好的应用价值。

ZigBee; 模糊PID控制; 水声信号; 系统设计

Class Number TN911

1 引言

随着现代科学技术和现代工业生产的发展,对电子测量和仪器技术的要求越来越高,采用自动测试系统(Automated Test System,ATS)成为必然的选择。随着信息与信号处理技术的不断发展以及现代海战对高精度制导武器的需求,对制导武器的精度提出了更高的要求。在水下制导武器设计过程中,采用新一代自动测试仪器,开发一套水声基阵信号数据采集、数据回放及其现场数据分析系统,这对水下制导武器的研制、调试和外场试验都具有重大意义。

ZigBee作为一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术,广泛适合用于自动控制和远程控制领域,可以嵌入各种设备[1]。本文利用ZigBee短距离、低功耗的无线通信性能,结合模糊PID技术,设计了基于ZigBee和模糊PID控制的水声信号采集系统设计方案。论文首先建立水声信号数据采集系统的硬件设计模型,然后采用模糊PID控制算法,对水声信号采集系统的信号接收机进行改进设计,最后通过仿真实验进行性能验证,展示了本文设计的控制系统和算法的优越性能。

2 基于ZigBee水声信号采集分析系统总体设计

2.1 水声信号采集工作原理与系统总体结构

本文设计基于ZigBee的水声信号采集系统,ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议,根据国际标准规定,ZigBee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。本文设计的水声信号数据采集系统设计一般由五个主要部分构成,包括:发射天线、接收天线、发射机、接收机、控制器等。ZigBee信号采集阶段需要采用ZigBee技术获取水声基阵信号的方位和噪声特征,通过支持向量机方法识别信号特征,最终完成对水声信息的准确识别。

用户应用层软件主要包括水声阵列信号采集及记录和阵列信号分析处理两大模块。阵列信号采集及记录实现硬件资源采集设置、实时数据记录、采样控制等。通过ZigBee识别模型中的识别器获取ZigBee水声信号,通过K均值聚类算法对ZigBee信号中的特征值进行聚类分析,通过特征提取进行归类后当成支持向量机算法的输入特征向量,本文开发了基于VXI总线的32通道水声基阵信号采集及实时数据记录系统,并对采集的数据作通用线列阵阵列信号分析处理。综上分析,得到水声信号采集工作原理与系统总体结构模型如图1所示。

图1 水声信号采集系统总体结构模型

2.2 基于ZigBee技术水声信号数据采集软件设计

在上述进行系统总体模型构建设计的基础上,进行基于ZigBee技术水声信号数据采集软件设计,采用水声换能器进行水声信号的原始数据采集,水声换能器物理结构如图2所示。

图2 水声换能器物理结构

在获得的原始信号中,含有大量的噪声需要进行滤波处理,采用ZigBee技术进行特征值分析,对信号的类型进行识据,输入特征向量主要是ZigBee水声通信信号,并将特征聚类结果当成支持向量机识别算法的依据。详细的过程为:

1) 通过RFID射频识别技术获取水声信号。

2) 对各个属性的不同取值使用K均值聚类算法进行聚类分析。

3) 将不同属性的聚类结果当成支持向量机识别模型中各个属性的不同取值,按照支持向量机算法获取水下制导系统的识别规律,实际运行中采用该规律识别水下目标。当前的技术都是以ZigBee射频信噪比为基础,以过滤的思想去除干扰,本文利用ZigBee技术进行水声通信来实时水下目标速度、距离等信息的采集。

设置采集参数,包括输入通道、采样率、耦合方式、触发、采集时间等参数设置,构建水声通信系统,依据802.15.4标准,在数千个微小的传感器之间相互协调实现车辆间的自主通信,以接力的方式通过无线电波将数据从一个网络节点传到另一个节点,提高通信效率。基于上述分析,设计基于ZigBee技术水声信号数据采集软件,设计流程如下:

用VI_TRUE和VI_FALSE标记数据采集通道组,初始化输入通道、测量初始化和测量循环、采集时间等参数。调用函数hpe1432_setTriggerSlope(ViSession vi,ViInt32 group,ViInt32 trigSlope)设置触发源触发方向,创建传输单元和仪器会话,由此实现仪器驱动程序。仪器驱动代码为:

export KBUILD_BUILDHOST := $(SUBARCH)

ARCH ?= $(SUBARCH)

CROSS_COMPILE ?=

通过下载busybox1.14,使用tar zxvf busybox-1.14.tar.bz2命令进行文件解压。

触发源信号进入触发区间时,调用hpe1432_getGroupInfo()函数获取通道组的信息,触发电平的大约为-125%～+12%,一些块数据需要在缓冲区中排队。测量初始化和测量循环,每个阶段又包括几个状态。从一个状态到下一个状态都引起Sync/Trigger线(VXI背板总线的一条TTLTRG触发线)的变化,采用HP E1562E接收局部总线上的高速数据流。

3 模糊PID控制算法和水声信号采集系统实现

在实现原始的水声信号采集的基础上,需要设计基于模糊PID控制的信号接收机,进行水声信号处理,水声信号接收机的输入调谐回路信号表示为

(1)

加性高斯色噪声干扰背景下确知信号下水声信号接收机信号接收问题描述为

(2)

式中,E为基带信号混频信号能量,并有:

(3)

假设存在一个白化滤波器hw(t),可以将高斯色噪声n(t)白化为高斯白噪声w(t),一般来说,这个白化滤波器采用模糊PID控制算法进行噪声干扰抑制滤波,此时得到基带信号的中频放大滤波输出为

w(t)=n(t)*hw(t)

(4)

通过上述中频放大,式(2)描述的水声信号采集的中频接收机基阵接收问题就转化为

(5)

式中

x′(t)=x(t)*hw(t),s′(t)=s(t)*hw(t)

(6)

水声信号接收机通过天线得到的高频信号,经过输入调谐回路,进入混频器,通过抗干扰抑制得到足够的增益,采用模糊PID控制方法,实现信号x′(t)和s′(t)均预白化处理,从而提高接收机的灵敏度和稳定性。本文采用改进的基于可变论域的模糊PID控制干扰抑制方案,提高对水声信号采集系统对数据的检测性能。此时ZigBee射频电源输出功率PE及负载功率PL分别为

(7)

式中,VCE为运放管压降,它与运放输出电流大小有关,VCE随电流的增大而增大。在额定电流时,VCE一般在10V左右,通过模糊PID抗干扰抑制,得到水声基带信号的中频放大滤波输出,此时VCE=0.2VS,有:

(8)

(9)

对具有M个阵元任意配置的基阵,远场中有d个信号源si(t)(i=1,2,…,d),采用预白化滤波加互相关接收机的方式,经交流放大后在鉴频器中进行解调,改善输出信号波形。综上分析,得到本文设计的改进的基于ZigBee和模糊PID控制的水声信号采集接收机系统结构如图3所示。

图3 改进后的水声信号接收机结构示意图

4 系统测试与仿真实验

为了验证本文设计的ZigBee和模糊PID控制的水声信号采集系统在进行水声信号采集和处理中的性能,进行系统仿真实验。仿真实验中,软件开发采用ANSI C语言编写程序,以提高并行执行效率,使用4通道任意波形发生器作信号源,调用GPCTR_Control启动计数器,采集信道参数为四个输入通道为四块采集卡的任意通道,分别接信号源的输出。实验将4通道信号源分别接到不同的四块HP E1433A任意通道上,测试各板卡之间的同步采集、触发测试、实时数据记录测试、数据流盘测试等。由PXI总线水下目标模拟器模拟,并由VXI总线数据采集系统采集,作相应的阵列信号分析处理。设置0°、15°、-15°的三个相干源目标,也是阵列信号分析处理调试中所使用的参数设置。得到本文设计的水声信号采集系统的控制界面如图4所示。

图4 水声信号采集与信号处理系统运行界面

从图4结果可见,数字触发调试时,使用另一个信号源产生TTL电平的脉冲,接到任意HP E1433A的前面板“ExTrig”端。分析信号处理结果得出,采用本文设计的水声信号采集与信号处理系统,具有较好的人机交互性,通过水声换能器采集得到水声信号经过本文设计的模糊PID控制接收系统,进行信号滤波和中频放大,实现对干扰噪声的有效抑制,信号采集的实时性好,提高了信号检测性能,同时减少数据量,也便于分析处理。实验结果展示了本文设计系统的优越性能。

5 结语

现代海战以智能武器和信息技术为主导,研究水下制导武器的核心要实现对水声信号的有效采集和处理。在水下制导武器的研究、开发、外场试验中,都需要采集水声基阵的接收信号,并实时记录采集数据,根据需要进行现场数据分析和实时或离线处理。本文提出一种基于ZigBee和模糊PID控制的水声信号采集系统设计模型,分析得出,本文设计的系统具有较好的实时数据采集和信号处理性能,通过ZigBee技术提高了水声信号的传输通信性能,通过模糊PID控制提高信号检测性能,实验结果展示了本文系统的优越性和实用性。

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Underwater Acoustic Signal Acquisition System Based on ZigBee and Fuzzy PID Control

ZHANG Guoguang

(Kunming Shipborne Equipment Research and Test Center, Kunming 650051)

In the research of underwater guidance weapons development and field test, it needs to receive the signal acquisition of underwater acoustic array, records the data for collection. According to the need, field data analysis and real-time or offline processing are taken. It is important to analyze performance data to effectively improve guided weapons research of underwater acoustic signal acquisition system. An underwater acoustic signal acquisition system is proposed based on ZigBee and fuzzy PID control. The underwater acoustic signal is obtained with the ZigBee recognizer and identification model, signal filtering and intermediate frequency amplifier design are taken, and the effective suppression of interference noise is obtained. The experimental results show that the system has real-time data acquisition performance, and signal processing performance is good, to improve the signal detection performance through the fuzzy PID control. Human-computer interaction performance is good, and it has good application value in underwater acoustic signal processing and information acquisition and other fields.

ZigBee, fuzzy PID control, acoustic signal, system design

2015年3月4日,

2015年4月25日

张国光,男,硕士,助理工程师,研究方向:水下信号处理。

TN911

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.09.040