自容式ADCP低功耗信號處理板

摘 要 聲學(xué)多普勒海流剖面儀（ADCP）是利用聲學(xué)多普勒原理設(shè)計，是目前世界上最先進的一種流速流量實時測量設(shè)備。自容式ADCP中的信號處理板不但具有極強的數(shù)字實時處理能力，配有多種標準接口，而且還要實現(xiàn)低功耗，滿足自容式的要求。本文簡要介紹了自行研制的自容式ADCP設(shè)備中信號處理板的特點、組成和相關(guān)軟硬件實現(xiàn)方法，重點介紹信號處理板的低功耗化的設(shè)計改進。

【關(guān)鍵詞】OMAP-L138 MSP430 Linux操作系統(tǒng) 自容式ADCP

1 引言

聲學(xué)多普勒海流剖面儀（Acoustic Doppler Current Profiler，下稱ADCP）是目前國際上測量多層海流剖面的最有效方法，是海洋勘測領(lǐng)域的一項高新技術(shù)。其基本原理是向水中發(fā)射超聲波脈沖接收反射回波并計算其頻率偏移，根據(jù)多普勒頻移效應(yīng)可以精確地測量水流的流速流向。ADCP對于合理地開發(fā)利用水資源，使之造福予人類，實現(xiàn)自然界、社會和人類的可持續(xù)發(fā)展有著重要的意義。

本文所提的自容式ADCP為國內(nèi)自行研制的剖面儀，是在改進傳統(tǒng)的測量方法和科學(xué)發(fā)展的信號處理技術(shù)的基礎(chǔ)上研制的新一代產(chǎn)品，相比第一代產(chǎn)品其效率提高幾十倍，準確率也提高了很多，而且實現(xiàn)了低功耗，滿足自容式的要求。本項目研制的信號處理板，以TI公司的低功耗雙核處理器OMAP-L138和極低功耗MCU單片機MSP430為核心進行設(shè)計，滿足了自容式ADCP的實時數(shù)據(jù)處理及低功耗要求，并具有良好的擴展性，是自容式ADCP產(chǎn)品實現(xiàn)的關(guān)鍵基礎(chǔ)。

信號處理板主要承擔(dān)著水聲信息的實時處理及對外接口通訊任務(wù)，具體完成高速數(shù)據(jù)采集、海底深度測算、海流剖面速度測量及對海底速度計算、值班電路等，同時完成發(fā)射信號、發(fā)射包絡(luò)信號等信號的產(chǎn)生，并負責(zé)水聲信息的交換。

2 技術(shù)指標

AD：8路，16bits同步采樣，采樣頻率不小于600KHz，單端輸入幅度±10V；2路，16bits異步采樣，采樣頻率10Hz，單端輸入幅度0～5V；

DA：2路，16bits并行輸入，采樣頻率不小于2KHz， 單端輸出幅度±5V；

發(fā)射信號頻率：150KHz、75KHz、37.5KHz三種；

網(wǎng)口：1個10/100Mbps；

串口：4個獨立的RS232/RS422接口；

CAN2.0B接口：1個；

存儲盤：容量不小于32GB；

RTC：精確年誤差小于1分鐘；

功耗：工作狀態(tài)下小于2W。

3 基本結(jié)構(gòu)和組成

3.1 基本結(jié)構(gòu)

信號處理板原理功能框圖如圖1所示。

3.2 組成

根據(jù)自容式ADCP項目的設(shè)計要求，信號處理板的硬件設(shè)計主要由值班電路和數(shù)字信號處理電路組成。值班電路在本系統(tǒng)中主要完成對信號處理電路以及其它電路板的電源控制，完成整個系統(tǒng)的工作節(jié)拍控制及與上位機的數(shù)據(jù)通訊等。其組成框圖如圖2所示。數(shù)字信號處理電路主要完成發(fā)射信號等的產(chǎn)生、接收信號的采集和處理與存儲、對外通訊等功能。其組成框圖如圖3所示。

4 技術(shù)設(shè)計改進

本信號處理板相比以前產(chǎn)品改動還是比較大的，主要技術(shù)改進電路有：DSP電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、信號產(chǎn)生電路、數(shù)據(jù)存儲電路、接口控制電路、RTC電路等。這里主要介紹這幾個改進電路。

4.1 DSP電路

DSP電路是以O(shè)MAP-L138處理器、MSP430單片機和可編程FPGA為核心組成的功能模塊。

其中OMAP-L138處理器集成了300MHz ARM926EJ-S內(nèi)核及300MHz C6748 VLIW DSP核，并提供了豐富的外設(shè)接口，主要負責(zé)數(shù)字信號處理功能；MSP430單片機選用資源比較豐富的型號MSP430F5438，功耗極低功能更強，值班電路的大部分功能就是由單片機內(nèi)部集成的模塊完成的，主要承擔(dān)值班電路的功能。可編程器件FPGA選用ALTERA公司的CycloneIII系列，在本設(shè)計中主要用于系統(tǒng)的各電路邏輯時序控制，以及產(chǎn)生相應(yīng)的信號輸出等。

4.2 A/D轉(zhuǎn)換電路

信號處理板總共帶有8路高速數(shù)據(jù)同步采樣電路；另外2路分別用于溫度傳感器和壓力傳感器的模擬信號的采集。

該電路的設(shè)計難點在于將以往設(shè)備的采樣頻率150KHz、300KHz、600KHz三種要合并到一起。本方案中對采集軟件采用模塊化的設(shè)計，形成一個通用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，從而對輸入的采樣頻率沒有固定值的要求了。

我們選用的A/D轉(zhuǎn)換芯片為SPI串行接口高精度芯片AD7982，其最高采樣率可達到1Msps，可以實現(xiàn)多路級聯(lián)，很好的滿足項目要求。

4.3 信號產(chǎn)生電路

本設(shè)計中主要采用單頻信號和m 序列隨機相位編碼信號，在FPGA中產(chǎn)生，通過驅(qū)動器輸出。在本設(shè)計中對FPGA的編程方法作了調(diào)整，只要編寫出最基本的信號，需要的重復(fù)次數(shù)由CPU來控制，這樣既方便試驗，同時與以往測流設(shè)備可以兼容使用。

4.4 數(shù)據(jù)存儲電路

在OMAP-L138上設(shè)計了一個32GB容量的miniSD卡，用于對原始數(shù)據(jù)等和處理結(jié)果的存儲，以便進行數(shù)據(jù)回放和分析。為此需要在CCS環(huán)境下及Linux操作系統(tǒng)下對大容量FAT32文件系統(tǒng)設(shè)計，這樣非常方便SD卡上數(shù)據(jù)管理以及其與PC機的兼容數(shù)據(jù)讀寫，使得該板具有通用性。由于這方面的資料相對較少，設(shè)計有一定的難點。

4.5 RTC電路

RTC電路選用MAXIM公司的一款低成本超高精度實時時鐘芯片DS3232，它將晶體和溫度補償均集成在芯片內(nèi)部，提高了計時精度，甚至部分誤差可以小于20秒/一年。該芯片采用I2C接口，掛靠在MSP430單片機的UCB0接口上。endprint

4.6 接口控制電路

接口控制電路主要改進是對CAN2.0接口的修改，采用一種新型低功耗的CAN控制芯片MCP2515，掛靠在SPI串行總線上，解決原來的SAJ1000控制器的接口效率和數(shù)據(jù)吞吐率低下的缺點，但需要對其驅(qū)動程序進行移植。另外增加了隔離電路，具有抗干擾性和防雷特性。

5 軟件設(shè)計

5.1 MSP430程序設(shè)計

根據(jù)值班電路的要求，需要對MSP430芯片進行編程。本設(shè)計中充分利用MSP430單片機的“片上系統(tǒng)”資源優(yōu)勢，完成RTC程序、SPI總線驅(qū)動程序、RS232/RS422串口程序、GPIO控制程序等，從而對系統(tǒng)進行供電電源控制、工作節(jié)拍控制以及數(shù)據(jù)通訊。

5.2 OMAP-L138軟件設(shè)計

我們已經(jīng)知道OMAP-L138處理器是雙內(nèi)核結(jié)構(gòu)。本設(shè)計中基于Linux操作系統(tǒng)的BSP板級支持軟件包，運行在ARM端內(nèi)核，主要實現(xiàn)bootloader、Linux操作系統(tǒng)的內(nèi)核移植、根文件系統(tǒng)的創(chuàng)建及各種驅(qū)動程序如SD卡設(shè)備、CAN接口驅(qū)動等。

ARM端主要運行基于Linux系統(tǒng)的非實時軟件，而DSP端則運行高強度的實時算法運算。值得一提的是，這兩端之間的數(shù)據(jù)交換是怎樣的呢？OMAP-L138芯片在芯片設(shè)計時采用的是共享內(nèi)存的機制，ARM端和DSP端都可以直接訪問。它們之間的通訊，我們是利用TI公司提供的雙核通信模塊DSPLink的軟件架構(gòu)，以及CMem的共享內(nèi)存分配功能和CodecEngie工程管理，通過DSP端的實時操作系統(tǒng)DSP/BIOS和ARM端的Linux操作系統(tǒng)在通信上實現(xiàn)無縫的鏈接。

OMAP-L138應(yīng)用軟件由接口軟件、控制軟件和算法軟件三部分組成。其中接口軟件完成與值班電路間的接口控制；控制軟件根據(jù)接收到的指令和參數(shù)以及實際測量的航速、海深等參數(shù)，控制發(fā)射信號脈寬、周期和算法等；算法軟件完成相關(guān)海底回波信號的判別、提取和多普勒信息的分析，最后給出結(jié)果等。總之，整個應(yīng)用軟件比較復(fù)雜，是一個有機整體。

6 試驗驗證與結(jié)束語

本文介紹了一種高性能、使用靈活的通用信號處理板，選用基于低功耗處理器和開放式Linux操作系統(tǒng)，保證了自容式ADCP的產(chǎn)品快速更新、成本降低、質(zhì)量的提高。

該板經(jīng)過水池試驗和湖上試驗，工作穩(wěn)定可靠，功耗極低，證明該板的設(shè)計是成功的，為自容式ADCP的產(chǎn)品化通用化提供技術(shù)支持和借鑒，同時具有較大的社會效益和經(jīng)濟效益，有很好的推廣利用價值。

參考文獻

[1]TI，OMAP-L138 Low-Power Applications Processor，www.ti.com，2009.

[2]TI，MSP430F543XA，www.ti.com，2012.

[3]cyclone3_handbook，www.altera.com，2009.

[4]沈斌堅等.國產(chǎn)寬帶相控陣聲學(xué)多普勒海流剖面儀.[j].聲學(xué)與電子工程，2005.

作者簡介

曹永紅（1977-），男，江蘇省泰州市人。大學(xué)本科學(xué)歷。高工，研究方向為嵌入式系統(tǒng)的軟硬件系統(tǒng)設(shè)計、海洋儀器的研究設(shè)計開發(fā)等。

作者單位

1.中國人民解放軍海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院 湖北省武漢市 430033

2.杭州應(yīng)用聲學(xué)研究所 浙江省杭州市 310023endprint

4.6 接口控制電路

接口控制電路主要改進是對CAN2.0接口的修改，采用一種新型低功耗的CAN控制芯片MCP2515，掛靠在SPI串行總線上，解決原來的SAJ1000控制器的接口效率和數(shù)據(jù)吞吐率低下的缺點，但需要對其驅(qū)動程序進行移植。另外增加了隔離電路，具有抗干擾性和防雷特性。

5 軟件設(shè)計

5.1 MSP430程序設(shè)計

根據(jù)值班電路的要求，需要對MSP430芯片進行編程。本設(shè)計中充分利用MSP430單片機的“片上系統(tǒng)”資源優(yōu)勢，完成RTC程序、SPI總線驅(qū)動程序、RS232/RS422串口程序、GPIO控制程序等，從而對系統(tǒng)進行供電電源控制、工作節(jié)拍控制以及數(shù)據(jù)通訊。

5.2 OMAP-L138軟件設(shè)計

我們已經(jīng)知道OMAP-L138處理器是雙內(nèi)核結(jié)構(gòu)。本設(shè)計中基于Linux操作系統(tǒng)的BSP板級支持軟件包，運行在ARM端內(nèi)核，主要實現(xiàn)bootloader、Linux操作系統(tǒng)的內(nèi)核移植、根文件系統(tǒng)的創(chuàng)建及各種驅(qū)動程序如SD卡設(shè)備、CAN接口驅(qū)動等。

ARM端主要運行基于Linux系統(tǒng)的非實時軟件，而DSP端則運行高強度的實時算法運算。值得一提的是，這兩端之間的數(shù)據(jù)交換是怎樣的呢？OMAP-L138芯片在芯片設(shè)計時采用的是共享內(nèi)存的機制，ARM端和DSP端都可以直接訪問。它們之間的通訊，我們是利用TI公司提供的雙核通信模塊DSPLink的軟件架構(gòu)，以及CMem的共享內(nèi)存分配功能和CodecEngie工程管理，通過DSP端的實時操作系統(tǒng)DSP/BIOS和ARM端的Linux操作系統(tǒng)在通信上實現(xiàn)無縫的鏈接。

OMAP-L138應(yīng)用軟件由接口軟件、控制軟件和算法軟件三部分組成。其中接口軟件完成與值班電路間的接口控制；控制軟件根據(jù)接收到的指令和參數(shù)以及實際測量的航速、海深等參數(shù)，控制發(fā)射信號脈寬、周期和算法等；算法軟件完成相關(guān)海底回波信號的判別、提取和多普勒信息的分析，最后給出結(jié)果等。總之，整個應(yīng)用軟件比較復(fù)雜，是一個有機整體。

6 試驗驗證與結(jié)束語

本文介紹了一種高性能、使用靈活的通用信號處理板，選用基于低功耗處理器和開放式Linux操作系統(tǒng)，保證了自容式ADCP的產(chǎn)品快速更新、成本降低、質(zhì)量的提高。

該板經(jīng)過水池試驗和湖上試驗，工作穩(wěn)定可靠，功耗極低，證明該板的設(shè)計是成功的，為自容式ADCP的產(chǎn)品化通用化提供技術(shù)支持和借鑒，同時具有較大的社會效益和經(jīng)濟效益，有很好的推廣利用價值。

參考文獻

[1]TI，OMAP-L138 Low-Power Applications Processor，www.ti.com，2009.

[2]TI，MSP430F543XA，www.ti.com，2012.

[3]cyclone3_handbook，www.altera.com，2009.

[4]沈斌堅等.國產(chǎn)寬帶相控陣聲學(xué)多普勒海流剖面儀.[j].聲學(xué)與電子工程，2005.

作者簡介

曹永紅（1977-），男，江蘇省泰州市人。大學(xué)本科學(xué)歷。高工，研究方向為嵌入式系統(tǒng)的軟硬件系統(tǒng)設(shè)計、海洋儀器的研究設(shè)計開發(fā)等。

作者單位

1.中國人民解放軍海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院 湖北省武漢市 430033

2.杭州應(yīng)用聲學(xué)研究所 浙江省杭州市 310023endprint

4.6 接口控制電路

接口控制電路主要改進是對CAN2.0接口的修改，采用一種新型低功耗的CAN控制芯片MCP2515，掛靠在SPI串行總線上，解決原來的SAJ1000控制器的接口效率和數(shù)據(jù)吞吐率低下的缺點，但需要對其驅(qū)動程序進行移植。另外增加了隔離電路，具有抗干擾性和防雷特性。

5 軟件設(shè)計

5.1 MSP430程序設(shè)計

根據(jù)值班電路的要求，需要對MSP430芯片進行編程。本設(shè)計中充分利用MSP430單片機的“片上系統(tǒng)”資源優(yōu)勢，完成RTC程序、SPI總線驅(qū)動程序、RS232/RS422串口程序、GPIO控制程序等，從而對系統(tǒng)進行供電電源控制、工作節(jié)拍控制以及數(shù)據(jù)通訊。

5.2 OMAP-L138軟件設(shè)計

我們已經(jīng)知道OMAP-L138處理器是雙內(nèi)核結(jié)構(gòu)。本設(shè)計中基于Linux操作系統(tǒng)的BSP板級支持軟件包，運行在ARM端內(nèi)核，主要實現(xiàn)bootloader、Linux操作系統(tǒng)的內(nèi)核移植、根文件系統(tǒng)的創(chuàng)建及各種驅(qū)動程序如SD卡設(shè)備、CAN接口驅(qū)動等。

ARM端主要運行基于Linux系統(tǒng)的非實時軟件，而DSP端則運行高強度的實時算法運算。值得一提的是，這兩端之間的數(shù)據(jù)交換是怎樣的呢？OMAP-L138芯片在芯片設(shè)計時采用的是共享內(nèi)存的機制，ARM端和DSP端都可以直接訪問。它們之間的通訊，我們是利用TI公司提供的雙核通信模塊DSPLink的軟件架構(gòu)，以及CMem的共享內(nèi)存分配功能和CodecEngie工程管理，通過DSP端的實時操作系統(tǒng)DSP/BIOS和ARM端的Linux操作系統(tǒng)在通信上實現(xiàn)無縫的鏈接。

OMAP-L138應(yīng)用軟件由接口軟件、控制軟件和算法軟件三部分組成。其中接口軟件完成與值班電路間的接口控制；控制軟件根據(jù)接收到的指令和參數(shù)以及實際測量的航速、海深等參數(shù)，控制發(fā)射信號脈寬、周期和算法等；算法軟件完成相關(guān)海底回波信號的判別、提取和多普勒信息的分析，最后給出結(jié)果等。總之，整個應(yīng)用軟件比較復(fù)雜，是一個有機整體。

6 試驗驗證與結(jié)束語

本文介紹了一種高性能、使用靈活的通用信號處理板，選用基于低功耗處理器和開放式Linux操作系統(tǒng)，保證了自容式ADCP的產(chǎn)品快速更新、成本降低、質(zhì)量的提高。

該板經(jīng)過水池試驗和湖上試驗，工作穩(wěn)定可靠，功耗極低，證明該板的設(shè)計是成功的，為自容式ADCP的產(chǎn)品化通用化提供技術(shù)支持和借鑒，同時具有較大的社會效益和經(jīng)濟效益，有很好的推廣利用價值。

參考文獻

[1]TI，OMAP-L138 Low-Power Applications Processor，www.ti.com，2009.

[2]TI，MSP430F543XA，www.ti.com，2012.

[3]cyclone3_handbook，www.altera.com，2009.

[4]沈斌堅等.國產(chǎn)寬帶相控陣聲學(xué)多普勒海流剖面儀.[j].聲學(xué)與電子工程，2005.

作者簡介

曹永紅（1977-），男，江蘇省泰州市人。大學(xué)本科學(xué)歷。高工，研究方向為嵌入式系統(tǒng)的軟硬件系統(tǒng)設(shè)計、海洋儀器的研究設(shè)計開發(fā)等。

作者單位

1.中國人民解放軍海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院 湖北省武漢市 430033

2.杭州應(yīng)用聲學(xué)研究所 浙江省杭州市 310023endprint