基于AD7655的魚雷聲靶數據采集系統設計分析*

王 楠

(海軍駐昆明750試驗場軍事代表室 昆明 650051)

1 引言

魚雷聲靶是一種用于魚雷水下聲納試驗的聲學靶標。它利用數據采集系統接收水中的聲信號,并從中檢測魚雷聲納“尋的”信號的有無,然后將接收到的“尋的”信號經過目標強度設置、多普勒頻移設置、輻射噪聲設置等處理后將回波信號轉發出去,魚雷檢測到聲靶回波信號后,根據魚雷對信號的檢測結果來判斷魚雷對水聲目標的檢測能力。根據分析水聲信號的特點及魚雷聲靶的技術要求[1],聲靶數據采集系統需要滿足以下參數的指標要求:A/D轉換器具有4路輸入模擬信號同步采樣的能力,每路采樣通道具有16bit的采樣精度,每個采樣通道的采樣速率最高可達200kSPS,接收換能器的輸出電壓信號幅值±10V。根據以上對數據采集系統的要求,由于AD7655[2,4]的轉換速度可達1MSPS;當4個通道同時采集時,每個通道最高的采樣頻率可達250kSPS;轉換精度可達16bit;支持串、并行數據輸出方式;能夠滿足數據采集系統對AD芯片的要求,且單芯片就能完成多路模數轉換功能,組成的數據采集系統簡單可靠,所以,選擇AD7655作為數據采集系統的模數轉換芯片。

本文在分析數據采集系統的總體構成的基礎上,詳細介紹了前置調理電路、模數轉換單元和DSP數據接收模塊等組成部分的主要功能和設計原理[5～6],最后給出了系統設計合理性的結論。

2 系統總體構成

根據數據采集系統的功能要求和數據處理流程,該系統可由接收換能器、前置調理電路、模數轉換單元、FPGA控制模塊和DSP數據接收模塊組成,如圖1所示。

圖1 數據采集系統結構圖

?接收換能器:聲靶系統中的外部信號都是以聲波的形式到達接收換能器,需要首先將聲信號轉化為對應量級的電信號,聲納信號通過接收換能器后轉化為連續的電壓波形信號。

?前置調理電路:對于A/D轉換器件而言,其對模擬信號輸入的幅值有特別的要求,所以需要對接收換能器的輸出信號進行調理,使之滿足A/D轉換器對輸入信號的要求。

?模數轉換單元:對經過調理后的模擬信號進行采樣,得到對應的數字量信號,供系統對這些數字信息進行進一步處理。

?FPGA控制模塊:由于AD7655正常工作需要較復雜的一些控制信號,AD7655將轉換后的數字信號傳送到DSP的過程也有嚴格的時序要求,所以,運用FPGA強大的可編程能力,可以方便的完成上述控制要求。

?DSP數據接收單元:實時接收AD7655傳送來的數字信號,DSP的數據接口要有足夠的數據吞吐率,本系統選擇ADSP21060作為聲靶系統的數字處理器,因為它有多種與外部器件傳送數據的接口方式,可以根據實際需要靈活選擇。

3 系統設計

AD7655可以有多種工作方式:根據數據輸出方式的不同可分為串行數據輸出方式與并行數據輸出方式;根據工作時鐘是否由外部提供可分為主模式與從模式。ADSP21060與外部器件之間數據傳輸接口也有多種方式,如主機接口方式、串口方式、外部DMA方式等。因為通過串口傳送數據可以充分利用DSP的串口資源,避免在其它方式下占用DSP的外部數據總線與地址總線,所以本系統中設置AD7655工作在串行從模式下,利用ADSP21060的串口實現AD7655與ADSP21060的數據傳送,用于輸出的數據線大幅減少,從而簡化了系統的硬件結構。從模式下AD7655工作時鐘由外部提供,通過FPGA產生的控制信號,可以方便的實現傳送數據的同步。在介紹數據采集系統的設計之前,先對涉及到的AD7655的管腳做出簡要說明[2～3]:

1)SER/(/PAR):(數字輸入)串行/并行模式選擇。為低時,選擇并行數據輸出模式;為高時,選擇串行數據輸出模式。

2)D[4]/[EXT/(/INT)]:在串行模式下(數字輸入),作為時鐘來源的選擇信號。該引腳位低時,內部時鐘信號將出現在SCLK引腳上;當該引腳被設置成邏輯高時,數據的輸出與SCLK引腳上的時鐘信號同步,而該時鐘信號由外部提供。

3)A/(/B):(數字輸入)數據通道選擇。在串行模式下,為高時,通道A的數據先被讀出,然后再讀通道B的數據;為低時,通道B的數據先被讀出,然后再讀通道A的數據。

4)A0x:(數字輸入)多路(復用)器選擇,當為低時,INA1和INB1通道同時采樣并轉換;為高時,INA2和INB2通道同時采樣并轉換。

5)/RD:讀數據。當片選信號/CS和/RD都為低時,接口總線使能。

6)/CS:芯片選擇。/CS也用于打開外部串行接口。

7)INB1,INB2:模擬輸入通道B。

8)INA1,INA2:模擬輸入通道A。

9)D[9]/SCLK:在串行模式下,作為時鐘輸入信號。

10)BUSY:(數字輸出)當轉換開始的時候置高該引腳,并且一直保持為高,直到兩個通道的轉換完成和數據鎖存到片上移位寄存器內。BUSY信號的下降沿用作數據準備好信號。

11)/CNVST:(數字輸入)開始轉換。該信號的下降沿使內部的采樣/保持進入保持狀態并開始轉換。

12)D[8]/SDOUT:在串行模式下,作為串行數據的輸出引腳(與SCLK信號同步)。轉換結果存儲在內部的一32位寄存器內,AD7655同時提供兩個轉換結果,最高位在前。

3.1 前置調理電路設計

因為接收換能器的輸出電壓幅值為±10V,而AD7655的模擬電壓輸入范圍為單極性的0～5V,所以,需要對每路的AD信號輸入進行極性和幅值的調整,其調理電路設計如圖2所示。

圖2 前端調理電路圖

圖2中,由兩個集成運算放大器配合電阻電容,組成了一個兩級的信號調理電路。通過配置合適的電阻值,第一級運放將信號進行1/4倍的增益放大后,輸出信號的幅值變為±2.5V;而第二級則在第一級輸出值的基礎上,添加一個2.5V的偏置,所以對應于±10V的外部電壓信號輸入,經過調理后的輸出電壓范圍為0～5V,滿足了AD7655對輸入電壓的要求。

3.2 模數轉換單元

FPGA控制模塊所需的信號輸入格式為數字信號,而前端調理電路輸出地信號格式仍然為模擬信號,所以需要利用AD7655把經過調理的電壓信號轉換為數字信號,AD7655工作在串行從模式下的控制管腳狀態與工作時序如圖3所示。

圖3 AD7655串行從模式工作時序圖

經過復位信號對芯片復位后,向芯片輸入轉換信號CNVST,下降沿啟動芯片的采樣保持器。BUSY下降沿指示轉換完畢。通過SCLK引腳向AD芯片輸入串行時鐘,讀取串行數據SDOUT。SDOUT一次輸出32位數據,前16位為A1通道數據,高位在前。后16位為B1通道數據,高位在前。在CNVST為高電平時可以對A0X信號置反,在下一次采集時換成另外兩個通道采集數據。

在本系統中,AD7655的控制時序由FPGA產生,設置好AD7655工作狀態后,通過FPGA控制A0x輸入頻率為200KHz,CNVST輸入頻率為400KHz,FPGA中用40M時鐘采樣BUSY信號的下降沿,檢測到后向AD輸入33個40M的串行時鐘信號。該信號以上升沿開始,在第二個上升沿讀取第1bit數據,并作串并轉換。在第17和第33個下降沿鎖存串并轉換結果,獲得兩路16位采樣數據。當A0x狀態改變后,通過同樣過程得到另外兩路的16位數字信號,則AD7655數據輸出流量為:

3.3 DSP數據接收單元

利用ADSP21060串口接收AD7655轉換后的數字信號,ADSP21060的串口接收數據時序圖如圖4所示,控制時序由FPGA產生。

圖4 ADSP21060串口接收時序圖

clk為串口接收時鐘信號,fra clk為串口幀同步信號,data為串口接收數據信號。串口接收數據過程為:向ADSP21060串口的接收時鐘管腳輸入時鐘信號,啟動幀同步信號,在幀信號有效過程中,在串口時鐘下降沿對數據進行采樣,接收采樣數據。

在本系統中,串口時鐘 clk輸入頻率為20MHz,幀同步信號為800KH,則串口的數據吞吐率為:

能夠滿足AD7655的數據輸出流量,AD采樣數據能夠正常傳送到DSP而不存在瓶頸。

4 結語

隨著魚雷武器的不斷發展和研制試驗力度的不斷加大,魚雷聲靶在降低試驗費用、提高試驗效率等方面功不可沒。數據采集系統作為魚雷聲靶的核心部件,其性能對魚雷聲靶具有決定性的影響。本文介紹的以 AD7655芯片為主要組件的數據采集系統不僅在硬件設計中簡單易行,而且在實際的應用過程中,工作穩定性、試驗精度和可靠性都比較高,滿足了聲靶對數據采集系統的需要。

[1]李飛,李斌.水聲定位系統數據彩集單元設計[J].聲學技術,2009,28(5)

[2]Analog Devices.Inc.AD7655 Datasheet[M].2004

[3]王慶利,劉奎,袁建敏.單片機設計標準教程[M].北京:北京郵電大學出版社,2008

[4]王芳,嚴勝剛,陳勇.基于CPLD的多路數據采集系統[J].彈箭與制導學報,2005,25(4)

[5]劉東亮,焦彥軍,張新國.基于DSP和嵌入式系統的便攜式數據采集分析裝置設計[J].電力自動化設備,2007,27(8)

[6]楊勝,房建成.基于DSP和POS數據采集與處理系統的設計與實現[J].儀器儀表學報,2008,29(9)