基于ARM和北斗通訊的水聲浮標技術應用研究

陳鴻志，徐功慧，崔華義，江國進

（1.91388部隊95分隊，廣東 湛江 524022；2.國家海洋技術中心，天津 300112）

基于ARM和北斗通訊的水聲浮標技術應用研究

陳鴻志1，徐功慧1，崔華義2，江國進1

（1.91388部隊95分隊，廣東 湛江 524022；2.國家海洋技術中心，天津 300112）

水聲浮標是進行海洋聲學調查的重要設備，傳統的浮標采用基于計算機的數據采集方式和短波通信方式，其可靠性較差。文中介紹了基于ARM的數據采集存儲系統和北斗通訊方式的浮標工程技術應用設計方案，結合傳統浮標系統對比分析了其系統集成的實用性、先進性、適應性，并提出了進一步的改進措施。

水聲浮標系統；工程應用；ARM；北斗通訊

海洋聲學要素調查是海洋觀測的重要內容，它包括海水聲速測量、海洋環境噪聲、海洋聲傳播損失測量、混響和海底聲特性調查。水聲浮標系統是獲取海洋環境噪聲及聲傳播損失的主要測量設備，具有海上測量時間長、錄取數據質量高等特點，在實際作業中應用廣泛、頻繁。因此水聲浮標的選取是數據獲取與提高功效的關鍵，經實踐探索、驗證，基于ARM的數據采集存儲技術和北斗通訊的水聲浮標工程技術應用是目前的最佳選擇之一，其效果顯著，海上作業更加便捷，易于推廣使用。基于ARM數據采集存儲技術在海洋調查儀器和水聲測量數據采集領域的應用還是首次，大大提高了獲取數據的質量，而北斗通訊在水聲浮標系統的應用較傳統浮標提升了系統可靠性和穩定性。

1 工程技術方案分析

傳統的浮標系統在通信及定位上主要采用短波電臺與GPS定位系統，數據獲取方面采用基于工控機的數據采集卡為平臺，該浮標的主要特點是系統功耗大、輻射干擾大、通信不夠穩定、可靠性不高；系統易自激和死機，造成水聲浮標丟失和數據缺失。基于ARM的數據采集存儲系統和北斗通訊的水聲浮標采用以ARM和FPGA為核心的嵌入式系統，設計開發了8通道數據采集存儲系統，脫離工控機環境，獨立完成數據采集和存儲；采用北斗衛星導航定位系統的短報文傳輸功能進行通訊，提高了水聲浮標系統的穩定性和可靠性。

基于ARM數據采集存儲系統和北斗通訊的水聲浮標系統，由北斗/GPS衛星通訊系統、數據采集存儲系統、電源系統、控制單元、電源管理單元、數據轉換單元和存儲單元等組成。

1.1 通訊系統

傳統的浮標通訊系統由電臺、調制解調器、天線調諧器和天線等部分組成，其靜態功耗約20 W，發射瞬間功耗達到200 W。由于短波電臺的散熱問題經常導致工控機損壞或死機；而且電臺器件老化后會引起電源尖刺，影響采集數據質量；短波電臺通訊數據傳輸速度較慢，傳輸10個字符需要十幾秒時間，而且電臺輻射會造成系統控制器復位。采用短波電臺通信，電臺天線長度2.6 m，增加了浮標布放回收的難度，同時較長的電臺天線，極大地影響了浮標在水中姿態的穩定性，且在海上易出現電臺天線被風浪折斷現象。

北斗通訊水聲浮標通訊系統采用北斗/GPS雙模通訊定位模塊，該模塊兼容北斗和GPS兩種導航定位系統。具有高靈敏度信號捕捉能力、穩定高效率的信號發射能力，實現對3顆北斗衛星信號和12個通道GPS信號的實時跟蹤處理。支持寬范圍的直流電源供電。設備具有尺寸小、功耗低、安裝方便、性能可靠、結構緊湊等特點，適合用戶二次開發，嵌入到其他產品中。模塊采用全屏蔽設計，具有優良的電磁兼容特性和抗沖擊振動的能力。

北斗通訊水聲浮標通訊系統由微控制器、指令收發控制軟件、電源系統、北斗/GPS雙模通訊定位模型塊、天線等組成，如圖1所示。通訊系統主要在微控制器的控制下完成與浮標的通訊，實現對浮標的遙控遙測，其設計原理圖如圖1所示。浮標控制指令經控制器編碼通過北斗通訊系統發射出去。水聲浮標通過北斗接收終端接收船臺控制指令，再通過浮標值守模塊完成控制指令檢測、數據采集、指令接收發送通訊等功能。

1.2 數據采集系統

傳統的水聲調查浮標內部采集存儲系統采用基于PCI總線的微型工控機，采集系統工作時功耗大于70 W，又因無法在密封殼體內的狹小空間里安裝熱傳導結構，所以，其產生的熱量只能通過密封殼體的筒壁與海水進行交換，大量無法散出的熱量使得密封殼體內的溫度快速上升。當系統啟動后，密封殼體內的空氣溫度在2 h內就超過58℃，主板和芯片的溫度則更高，該溫度已經接近甚至超過浮標內部采集卡、硬盤和短波通信系統的使用環境溫度，且在此溫度下部分元器件會加速老化，性能變差，甚至造成工控機死機或損壞。

圖1 水聲浮標通訊系統組成框圖

為解決采集系統過熱問題，在分析權衡采取散熱措施和降低系統功耗兩種技術途徑后，決定采用降低系統功耗的方式從根本上解決系統過熱的問題。數據采集系統采用以ARM和FPGA為核心的數據采集存儲系統，脫離工控機環境，獨立完成數據的采集和存儲，降低了數據采集系統功耗。購買基于ARM的8通道采集存儲系統，進行二次開發，每個通道采用24位A/D轉換芯片，8個通道的數據轉換由一片FPGA控制完成，包括轉換啟動，轉換同步，轉換停止，轉換數據輸出等。8通道數據轉換單元可以直接輸出轉換完成的8通道24位數據，整個過程無需CPU的參與。

1.3 數據記錄和轉存方式

原水聲浮標采用普通筆記本硬盤，由于溫度條件和自身的機械結構在使用中會影響系統的性能，隨著現代電子技術的發展，市場上可以采購到低功耗、高可靠性、大容量的電子硬盤，可以有效地解決浮標晃動造成的磁針定位錯誤。為了提高浮標的數據存儲能力，對浮標記錄的數據進行了壓縮處理。

1.4 控制單元

控制單元是整個系統的值班電路，考慮其長期處于加電狀態，因此對可靠性和功耗要求較高，采用低功耗單片機，其主要功能如下：（1）對數據采集存儲模塊和水聽器陣進行電源控制；（2）系統布放前與水上機通訊，完成參數設置；（3）系統測量過程中與數據采集存儲模塊的信息交換。控制單元設計示意圖如圖2所示。

圖2 控制單元設計示意圖

1.5 電源管理單元

水聲調查浮標采用鋰電池長期給微控制器供電，在測量時通過電源控制開關給水聽器陣和數據采集存儲模塊供電，電壓適應范圍2.8～4.2 V，電源系統設計原理如圖3所示。

圖3 電源系統設計原理框圖

2 應用效果分析

2.1 北斗通訊系統性能穩定、使用便捷

采用北斗通訊系統后，降低了供電功耗和干擾；整機功耗不大于3.6 W，散熱少，改善了采集系統的使用環境；通信天線不受方位搖擺的影響，提高了通信的穩定性與可靠性；天線短小，安裝簡捷，整體高度較傳統浮標減少了1/2，提高了布放回收的便利性。

2.2 采集系統可靠性

以ARM和FPGA為核心的數據采集存儲系統有效降低了數據采集系統功耗和自噪聲，提高了接收信號的信噪比，增加了聲傳播試驗中水聲浮標的測量距離。

2.3 系統功耗

北斗通訊水聲探測浮標系統功耗不到短波電臺通訊水聲浮標的1/10，延長了浮標海上有效工作時間。

2.4 系統工作環境

系統工作環境得以改善，技術工況良好、穩定，數據錄取完整、有效，無干擾，數據信號質量較之傳統浮標顯著提升。

2.5 控制單元

控制單元片內資源和外圍接口豐富，減少了外圍電路的搭建，硬件實現方便；同時，其構建的硬件系統功耗較低，應用軟件也容易實現，這為日后軟硬件的擴展提供了良好的基礎。

3 設計改進建議

經海上實驗，應在如下方面進行進一步改進：

電子系統的水下儀器艙容積率不宜太小，設計時內部應留有充裕的散熱空間，確保與海水的散熱接觸面，利于進一步降低內部工作環境溫度；

北斗系統天線宜采用剛性保護罩，以避免碰撞造成的損壞。

4 結束語

基于ARM的數據采集存儲系統和北斗通訊在水聲浮標系統的工程技術應用，經海上多次驗證取得了良好的科研實驗成效，屬于經濟實用的新型系統集成，全系統性能優良、適應性好、電磁兼容匹配，工作穩定、可靠，數據錄取有效率及信號質量大大提高，具有推廣應用價值。

[1]李佳.ARM系列處理器應用技術手冊[M].北京：人民郵電出版社，2006.

[2]沈建華.ARM嵌入式系統開發：軟件設計與優化[M].北京：北京航空航天大學出版社，2005.

[3]中華人民共和國交通運輸部.JT/T767-2009.北斗衛星導航系統船舶監測終端數據交換協議[S].北京：交通出版社，2010.

Application Research of the Acoustic Buoy Technology Based on ARM and COMPASS Satellite Communication

CHEN Hong-zhi1,XU Gong-hui1,CUI Hua-yi2,JIANG Guo-jin1
(1.Unit 95,Navy Force 91388,PLA.Zhanjiang Guangdong 524022,China;2.National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China)

Acoustic buoy is a vital equipment for ocean acoustic survey.Traditional buoy uses the computer-based data collection and short-wave communication with poor reliability.An application design of acoustic buoy engineering based on ARM data collecting storage system and COMPASS satellite communication technology was introduced.The practicability,advancement and applicability of this system integration were analyzed comparing to the traditional buoy system.The further improvements were provided finally.

acoustic buoy system;engineering application;ARM;COMPASS satellite communication

P715.2，TN927

B

1003-2029（2012）01-0024-03

2011-09-09

軍內科研資助項目（HJ2009-04-05-01）

陳鴻志（1966－），男，高級工程師，主要從事海洋環境測量與研究。