一种应用于水下信标的信号处理控制电路设计

周展望

（中国船重工集团公司第七一五研究所杭州310023）

一种应用于水下信标的信号处理控制电路设计

周展望

（中国船重工集团公司第七一五研究所杭州310023）

介绍水下声学定位测量系统研制背景；讲述信号处理控制电路的总体设计方案，并从硬件设计以及软件设计方面对电路的设计思路进行了分析和阐述，给出了主要的电路设计模块框图和软件流程图。

水下声学定位测量系统；水下信标；DSP；MSP430单片机

Class NumberTN929

1 引言

在水声技术的发展过程中，自主航行的声阵系统或探测设备不断在发展中，而相关声阵或设备在水下航行的姿态和轨迹控制是水声装备能否正常工作和保障探测、定位能力的重要因素，是目前水声技术研究中需要解决的重要技术问题之一。水下声学定位测量系统［1］主要用于测量运动目标的位置及其运动轨迹，其建设目的是形成适应范围较宽的水下定位能力，适用于该系统的水声目标或载体形式可具有多样性。本文主要讲述水下信标信号处理控制电路的研制。

2 方案设计

信号处理电路位于水下声学定位测量系统的水下信标电子舱内，它是水下信标电路的重要组成部分。该电路的设计目标是：对水声信号进行检测及识别，从而控制系统工作在以下模式：空闲模式、被动模式、主动模式，当系统工作在空闲模式时，不开启水声信号上传通道，发射电路不工作；当系统工作在被动模式时，开启水声信号上传通道，通过电缆将经过低频预处理的水声信号传输到水面浮球，经高频发射模块传送至船载处理设备进行定位解算，此时发射电路不工作；当系统工作在主动模式时，不开启水声信号上传通道，利用信号处理电路产生指定信号形式的应答信号，并将该信号送入发射模块，由发射模块对信号进行相应的变换后，通过换能器［2］向外发射。信号处理控制电路功能框图（虚线框内）如图1所示。

信号处理控制电路以DSP［3］和MCU为核心，主要由用于完成水声信号采集与信号分析、SPI通讯、信号生成等功能的信号处理单元和用于完成SPI通讯、485通讯［4］、电源管理等功能的控制单元组成。

此外，为方便系统日后升级，信号处理电路还设计包含参数设置与显示电路和时钟电路［5］等备用单元。其中参数设置与显示电路可以用于设置生成信号的各项参数（如发射周期、发射脉宽、信号形式等）；时钟电路可以用于设定系统工作周期。

3 电路设计

3.1 信号处理单元电路

信号处理单元电路由DSP主控电路、存储电路、AD采集电路组成［6］。

3.1.1 DSP主控电路

DSP主控电路是信号处理单元电路的核心，用于完成水声信号的采集和相关处理。根据功耗和处理能力考虑，采用的DSP为TI公司的TMS320VC5509A芯片。该芯片主频可以达到200MHz，具有硬件乘法器，乘加法能力为400MIPS。电路组成框图如图2所示。

3.1.2 存储电路

由于TMS320VC5509内部无FLASH，故需要外扩FLASH用于程序存储器。本设计选用AM29LV400B芯片，该芯片大小为512KB，可以满足信号处理程序的存储。选用的SRAM为ISSI61WV1024ALL芯片，该芯片大小为2MB，预估可以满足程序运行中的缓存需要。

3.1.3 AD采集电路

设计选用AD芯片TI公司的ADS1178，该芯片为8通道16位同步采样AD转换器，在高速模式下，采用率可达到52K，而每通道的功耗仅为31mW［8］。该转换器每个通道均有一个控制端，对于不使用的通道可以将其关闭从而降低功耗。AD转换器通过帧同步串行接口与DSP的多通道串口进行连接，其接口示意图如图3所示。

3.2 控制单元电路

控制单元电路由MCU主控电路、电源管理、开关电路、485通讯电路、备用单元电路组成。各电路模块设计如下。

3.2.1 MCU主控电路

主控电路MCU的选型考虑了低功耗、集成化、开发周期等因素，选用了TI公司型号为MSP430F235的单片机，其特点如下：宽工作电压：1.8V～3.6V；16KB Flash程序存储器；2KB SRAM数据存储器；48个IO口；2路UART口；低功耗休眠方式。电路功能框图如图4所示。

3.2.2 电源管理

电源管理电路［4］主要实现如下功能：上电值班、电源生成与上电时序控制、各电路模块通断电控制。在设计中，还要进行抗干扰设计［10］，防止信号处理板受到通讯模块天线的干扰；也要防止信号处理电路可能对低频电路造成干扰。

1）上电值班电路［8］

信号处理电路密封在系统应答器舱内，整个电路在投放入水前处于待机状态，只有在入水后才上电工作。设计中，采用一节3.6V的锂电池为值班电路供电，利用海水电极作为导电开关，具体设计如图5所示。

系统投放前，海水电极处于断开状态，整个电路不导通，仅有微小的漏电流通过，从而降低了系统功耗；系统投放入水后，海水电极导通，MCU主控电路上电开始工作，并控制电源管理电路生成3.3V等电源，持续为整个电路供电。

2）电源生成与上电时序控制

本部分电路的功能为为低频电路提供7.2V电源，为发射电路提供21V、15V、3.3V电源，并控制其上电顺序和为信号处理单元电路提供A5V、D3.3V、D1.8V、D1.6V电源，并控制其上电顺序，具体设计如图6所示。

信号处理单元电路的上电时序说明如下：系统入水后，控制电路首先控制7.2V数字电源上电，随后生成D5V数字电源，再依次生成D1.6V、D1.8V、D3.3V、A5V电源，最后控制7.2V低频电路上电。在系统工作期间，信号处理电路一直处于工作状态，不断电。

发射电路的上电时序说明如下：当系统处于主动工作模式时，控制电路首先控制生成15V发射电源，再控制3.3V发射电路电源上电，最后控制21V发射电路电源上电。当系统切换到被动工作模式时，则首先控制21V发射电路电源断电，再控制3.3V发射电路电源断电，最后控制15V发射电路电源断电。

3.2.3 通道开关电路

水声信号上传通道的开启和关闭采用模拟开关实现。设计示意图如图7所示。

当系统处于被动工作模式时，控制电路控制开启模拟开关，水声得以通过电缆传输到系统上电子舱；当系统处于主动工作模式时，控制电路控制关闭模拟开关，水声信号上传通道被断开。

3.2.4485 通讯电路

485通讯电路用于上下电子舱命令交互，上电子舱可以将信号参数通过电缆下发给下电子舱，从而改变生成信号的形式。上电子舱的信号参数可以进行预先设置，亦可通过遥控电路进行接收。

3.2.5 备用单元电路

备用单元电路包含了参数设置显示电路和时钟电路，用于日后的系统升级。在本设计阶段，可以将参数设置显示电路作为测试电路使用，即利用设置按钮设置生成信号的形式，利用显示数码管显示电路工作模式。

3.2.6 抗干扰设计

在系统的下电子舱中，除了信号处理电路，还有低频电路和发射电路，从电路抗干扰设计出发，设计时对各种地线进行了隔离，划分为电源地、数字地、模拟地、发射地，并在电源入口处进行工地。此外，还在芯片的电源引脚附近布置了滤波和去耦电容。

4 软件设计

信号处理电路软件设计包含DSP软件设计和单片机软件设计［9］。

4.1 DSP软件设计

DSP软件程序流程如图8所示。

4.2 单片机软件设计

单片机软件程序流程如图9所示。

5 结语

本文讲述了一种基于DSP和MCU为核心处理器的水下信标信号处理控制电路设计，详细讲述了电路的软硬件设计思路和过程，经过联调，电路达到了系统提出的设计要求。

［1］王伟，徐志勇，李锦华.水下声学定位系统中水声通讯的实现［J］.科研，2017，2（4）：139.

［2］程清良.一种换能器基阵的测量分析［J］.声学与电子工程，2002，2：34-36.

［3］曹延生.浅析DSP数字信号处理器的应用［J］.工程技术（文摘版），2015，9（47）：211.

［4］王丁磊，冯冬青.RS-232至RS-422／485接口多路转换电路［J］.河南广播电视大学报，2003（3）：75-77.

［5］马君璞，魏智.实时时钟电路设计［J］.国外电子元器件，2003，9：38-4.

［6］朱忠卫.模数转换（AD）集成电路原理及其应用分析.《科研》.2016，10（08）：27-28.

［7］汪胜聪，滕勤，左承基.综述单片机控制系统的抗干扰设计［J］.现代电子技术，2003（1）：7-9.

［8］一种声纳数字值班电路的设计［J］.舰船电子工程. 2011（9）：150-152.

［9］丁保华，张有忠，陈军，孟凡喜.单片机原理与接口技术实验教学改革与实践［J］.实验技术与管理，2010（1）：117-119.

Design of Underwater Beacon Signal Processing Control Circuit

ZHOU Zhanwang
（The 715th Research Institute of CSIC，Hangzhou310023）

This paper introduces the development background of the underwater acoustic positioning measurement system，tells about the general design scheme of the signal processing and control circuit.The paper analyzes and discusses the design idea of the circuit from the aspects of hardware design and software design.And the main circuit design block diagram and software flow chart are given.

system of underwater acoustic positioning measurement，underwater beacon，DSP，MSP430 MCU

TN929

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.07.035

2017年1月8日，

2017年2月23日

周展望，男，助理工程师，研究方向：信号处理与电路设计。