一种多用途水声应答器设计

王玉巧, 刘军锋, 刘晓林

(1. 黄河科技学院, 河南 郑州 450006; 2. 中船重工昆船设计研究院, 云南 昆明 650236)



一种多用途水声应答器设计

王玉巧1, 刘军锋2, 刘晓林2

(1. 黄河科技学院, 河南 郑州 450006; 2. 中船重工昆船设计研究院, 云南 昆明 650236)

介绍一种多用途水声应答器的设计。该水声应答器系统采用双DSP模块协同控制处理的思想，双DSP模块是一块基于ADSP-BF533芯片的M序列码生成板和一块基于TMS320VC5509芯片的信号控制处理板组成，两者之间采用RS232方式通信，整个硬件系统采用低功耗设计，并给出相应的软件流程图；该水声应答器系统配有标准的USB接口，可直接与PC的终端实现数据传输。经海上试验证明该系统具有良好的可靠性、可移植性、可扩展性和较高的性价比，符合未来水下通信技术发展的方向。

水声应答器; M序列码; DSP信号处理板; 低通滤波

0 引 言

水声应答器作为海洋资源勘探与开发和海洋环境监测现代水声设备[1]，主要用于模拟水下目标的目标强度，可用于水下定位、潜艇的导航和跟踪，监控水下施工，传递水下遥测系统各水文参数讯号等[1-6]。本文设计的多用途水声应答器除了以上功能外，还可水下布网，实现远距离通信、用0.5～1 kHz的频率实时监测存储海洋环境噪声和海况信息数据。该数据可通过系统自带的USB接口导入PC机进行分析。国外的水声应答器比较先进、功能强大[2，4]，价格偏高，国内自主研发的产品较少，市场上基本是进口产品[3]。

1 水声应答器的电路组成及工作原理

水声应答器的硬件原理框图如图1所示，主要由DC-DC电源板、发射功放板、信号接收板、M序列码解调板、DSP信号处理板和声系统等几部分组成。

图1 水声应答器硬件原理框图

接收换能器和发射换能器组成的声系统都是经过轴向密封的水密接口连接到电子仓内，电子仓包含37 V电池组、电源板、M序列码解调板、DSP信号处理板、功放发射板和接收板。整个应答器靠电子仓外的硬质泡沫浮在特定的水位。

水声应答器入水后，由轴向密封入水电源开关接通电源，电源板上输出线性相互隔离的5路+5 V，其中4路可控+5 V分别送功放板、接收板、DSP信号处理板和硬盘供电电路，剩余一路设计成不可控直接送M序列码解调板，M序列码解调板得电初始化后，功放板和DSP信号处理板电源，等待接收母船发出的扩频信号命令[7-8]。当M序列码解调板解调出有效控制命令，控制电源板给功放板和DSP信号处理板通电，回发扩频应答信号；并经RS232串口给DSP板发送模式选择控制命令，使应答器进入相应工作模式。当M序列码解调板解调出无效控制命令，等待母船继续发命令，该过程中应答器一直处于低功耗状态[7]。

当电池电源电压低于设定值或硬盘空间不足时，DSP信号处理板给母船发送电源电压低或移动硬盘空间不足扩频信号，并关断电源板电源。

1.1 DC-DC-LDO电源板

为了提高电源变换效率和降低功耗，采用开关电源芯片把锂电池组输出37 V电压降压滤波后，分5路进行线性稳压滤波输出相互隔离的+5 V，其中1路设计成不可控，送M序列码解调板；另外4路设计成可控输出给功放发射板、接收板、DSP信号处理板和其他设备使用[10]。

1.2 功放发射板

考虑功放发射板的高效率和减小发射板体积,降低功耗和提高波形线性度等因素，功放发射板采用D类音频功率放大器，功放发射板原理框图见图2。

图2 功放发射板原理框图

当需要功放发射板发射信号时，M序列码板或DSP信号处理板的IO控制信号控制电源板上开关电源芯片，控制发射可控+5 V输出给功放发射板，并开启直流高压(电池组提供)送功放板芯片。发射完成后，M序列码板或DSP信号处理板的IO控制信号撤销控制信号切断发射功放板的高、低压电源，实现功放发射板零功耗待机。

1.3 接收板

为了使换能器接收输入阻抗匹配、降低噪音和降低功耗，接收板的前放与阻抗匹配部分采用低噪音、低功耗的仪表放大器转差分信号为单端输出信号，该信号经4阶Butterworth滤波[10]和后置放大驱动输出接收信号，该接收信号分别送M序列码和DSP信号处理板的16位A/D电路。为了保证接收带宽增益的动态范围，后置放大增益设为多级可调增益电路，接收板原理框图如图3所示。

图3 接收板原理框图

1.4 DSP信号处理板

DSP信号处理板主要由DC-DC-LDO电源变换、两路16位A/D采集、一路D/A信号输出、EMP240接口电路、信号调理、外扩FLASH和SDRAM电路、串口RS232接口、JTAG接口、USB主机接口控制CH375电路、看门狗复位电路和抗干扰电路等几部分组成。

DSP信号处理板的核心处理芯片采用TMS320VC5509芯片，该芯片具有低功耗、低噪声和高速处理能力[11-12]，通过RS232标准接口与M序列码解调板通讯。两路16位A/D和一路16位D/A芯片经过EPM240接口电路转换送给DSP进行数据采集[13-15]。

1.5 M序列码解调板

M序列码板主要由DC-DC-LDO电源变换、一路16位A/D采集、一路D/A信号输出、串口RS232接口、JTAG接口、信号调理、看门狗复位电路和抗干扰电路等几部分组成。

M序列码板的核心处理芯片采用ADSP-BF533芯片，该芯片具有低功耗、低噪声和高速处理能力等特点[13-14]，A/D和D/A芯片也采用高速、低功耗、低噪声的16位串行芯片。M序列码板收到接收信号，通过A/D解调出CON控制命令，如果CON为有效信号，则开启功放发射板回发M序列码应答信号，如果CON控制命令是记录模式或应答模式，则控制电源板开启DSP信号处理板，并通过RS232串口把CON控制命令传给DSP信号处理板，应答器工作在相应模式下[12]。

2 软件设计

DSP信号处理板和M序列码板都采用C语言编写，M序列码板程序流程图如图4所示，流程图中的N=0，1，2,…，开机上电由入水电源开关控制，休眠模式时，功放板和DSP信号处理板供电关闭，只有接收板和M序列码板工作，整个系统处于低功耗状态。

图4 M序列码程序流程图

DSP信号处理板的程序流程图如图5所示，M序列码板控制电源板给DSP信号处理板上电，DSP系统初始化分为CSL库函数初始化、EMIF接口初始化、串口初始化、McBSP口初始化、USB主机接口初始化和硬盘初始化；运行模式分为应答模式、记录仪模式和休眠模式；应答文件以FAT32格式固定为4 Kb容量存储，记录文件以FAT32格式固定为10 Mb容量存储，如果在存储过程中有新的CON命令送来，则存储文件根据实际文件大小(小于4 Kb或10 Mb)来存盘[6]。

图5 M序列码程序流程图

3 实验结果

2011年8月份，在中国南海进行了海上试验，试验存盘记录数据完整、回放信号清晰，抗多途干扰能力强，实现了模拟水下目标的目标强度和0.5～1 kHz的海洋环境监测。并且利用3台水声应答器组成定点网络，在海深7 m、声源级175 dB、760 Hz，传输距离8 500 m，无误码，试验过程中接受功耗145 mW，发射功耗10 W。实现水下无线组网的可靠通信。

4 结语

基于双DSP模块协同控制的水声应签器具有功耗低、功能完善和多用途广泛等特点，该产品应用实际中，产品运行稳定可靠，更适合整个水声技术发展的需求！

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Design of Multipurpose Underwater Acoustic Response Device System

WANGYu-qiao1,LIUJun-feng2,LIUXiao-lin2

(1. Huanghe Science & Technology College, Zhengzhou 450006, China; 2. CSIC Kunming Ship Design and Research Institute, Kunming 650236, China)

This paper discussed a kind of multipurpose underwater acoustic response device system design. It adopted new thought of double DSP modules to cooperate and control system's process. Dual DSP modules were composed of a piece of the ADSP-BF533 chips as the core in the M series code generated board and a piece of the TMS320VC5509 chips as the core in the signal processing board. Two pieces of the DSP processing board communicated through RS232 port. This entire hardware system used low power consumed design and gave the corresponding software flow chart. The acoustic response device system equipped with standard USB port, and could transmit the data to PC terminal. The entire system has fire reliability, software transplanted and high cost performance through the experiment in South China Sea. Underwater acoustic response device meets the future design direction of underwater communication.

underwater acoustic response device; M series code; DSP signal processing board; lower pass filter

2015-10-16

河南省科技厅重点科技攻关计划项目(142102210550)；郑州市重点实验室——电子信息技术实验室资助项目(ZZLG201414)

王玉巧 (1980- ), 女, 河南郑州人, 硕士, 讲师，研究方向: 电子信息工程。 Tel.:15515801518; E-mail: 12825693@qq.com

TP 368

A

1006-7167(2016)05-0067-04