自容式ADCP低功耗信號處理板

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

【關鍵詞】OMAP-L138 MSP430 Linux操作系統 自容式ADCP

1 引言

聲學多普勒海流剖面儀（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，是海洋勘測領域的一項高新技術。其基本原理是向水中發射超聲波脈沖接收反射回波并計算其頻率偏移，根據多普勒頻移效應可以精確地測量水流的流速流向。ADCP對于合理地開發利用水資源，使之造福予人類，實現自然界、社會和人類的可持續發展有著重要的意義。

本文所提的自容式ADCP為國內自行研制的剖面儀，是在改進傳統的測量方法和科學發展的信號處理技術的基礎上研制的新一代產品，相比第一代產品其效率提高幾十倍，準確率也提高了很多，而且實現了低功耗，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為核心進行設計，滿足了自容式ADCP的實時數據處理及低功耗要求，并具有良好的擴展性，是自容式ADCP產品實現的關鍵基礎。

信號處理板主要承擔著水聲信息的實時處理及對外接口通訊任務，具體完成高速數據采集、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，同時完成發射信號、發射包絡信號等信號的產生，并負責水聲信息的交換。

2 技術指標

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；

發射信號頻率：150KHz、75KHz、37.5KHz三種；

網口：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：工作狀態下小于2W。

3 基本結構和組成

3.1 基本結構

信號處理板原理功能框圖如圖1所示。

3.2 組成

根據自容式ADCP項目的設計要求，信號處理板的硬件設計主要由值班電路和數字信號處理電路組成。值班電路在本系統中主要完成對信號處理電路以及其它電路板的電源控制，完成整個系統的工作節拍控制及與上位機的數據通訊等。其組成框圖如圖2所示。數字信號處理電路主要完成發射信號等的產生、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 技術設計改進

本信號處理板相比以前產品改動還是比較大的，主要技術改進電路有：DSP電路、A/D轉換電路、信號產生電路、數據存儲電路、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OMAP-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內核及300MHz C6748 VLIW DSP核，并提供了豐富的外設接口，主要負責數字信號處理功能；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部集成的模塊完成的，主要承擔值班電路的功能。可編程器件FPGA選用ALTERA公司的CycloneIII系列，在本設計中主要用于系統的各電路邏輯時序控制，以及產生相應的信號輸出等。

4.2 A/D轉換電路

信號處理板總共帶有8路高速數據同步采樣電路；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。

該電路的設計難點在于將以往設備的采樣頻率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計，形成一個通用的數據采集系統，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，可以實現多路級聯，很好的滿足項目要求。

4.3 信號產生電路

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

4.4 數據存儲電路

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

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據吞吐率低下的缺點，但需要對其驅動程序進行移植。另外增加了隔離電路，具有抗干擾性和防雷特性。

5 軟件設計

5.1 MSP430程序設計

根據值班電路的要求，需要對MSP430芯片進行編程。本設計中充分利用MSP430單片機的“片上系統”資源優勢，完成RTC程序、SPI總線驅動程序、RS232/RS422串口程序、GPIO控制程序等，從而對系統進行供電電源控制、工作節拍控制以及數據通訊。

5.2 OMAP-L138軟件設計

我們已經知道OMAP-L138處理器是雙內核結構。本設計中基于Linux操作系統的BSP板級支持軟件包，運行在ARM端內核，主要實現bootloader、Linux操作系統的內核移植、根文件系統的創建及各種驅動程序如SD卡設備、CAN接口驅動等。

ARM端主要運行基于Linux系統的非實時軟件，而DSP端則運行高強度的實時算法運算。值得一提的是，這兩端之間的數據交換是怎樣的呢？OMAP-L138芯片在芯片設計時采用的是共享內存的機制，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，以及CMem的共享內存分配功能和CodecEngie工程管理，通過DSP端的實時操作系統DSP/BIOS和ARM端的Linux操作系統在通信上實現無縫的鏈接。

OMAP-L138應用軟件由接口軟件、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；控制軟件根據接收到的指令和參數以及實際測量的航速、海深等參數，控制發射信號脈寬、周期和算法等；算法軟件完成相關海底回波信號的判別、提取和多普勒信息的分析，最后給出結果等。總之，整個應用軟件比較復雜，是一個有機整體。

6 試驗驗證與結束語

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，保證了自容式ADCP的產品快速更新、成本降低、質量的提高。

該板經過水池試驗和湖上試驗，工作穩定可靠，功耗極低，證明該板的設計是成功的，為自容式ADCP的產品化通用化提供技術支持和借鑒，同時具有較大的社會效益和經濟效益，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.國產寬帶相控陣聲學多普勒海流剖面儀.[j].聲學與電子工程，2005.

作者簡介

曹永紅（1977-），男，江蘇省泰州市人。大學本科學歷。高工，研究方向為嵌入式系統的軟硬件系統設計、海洋儀器的研究設計開發等。

作者單位

1.中國人民解放軍海軍工程大學電子工程學院 湖北省武漢市 430033

2.杭州應用聲學研究所 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據吞吐率低下的缺點，但需要對其驅動程序進行移植。另外增加了隔離電路，具有抗干擾性和防雷特性。

5 軟件設計

5.1 MSP430程序設計

根據值班電路的要求，需要對MSP430芯片進行編程。本設計中充分利用MSP430單片機的“片上系統”資源優勢，完成RTC程序、SPI總線驅動程序、RS232/RS422串口程序、GPIO控制程序等，從而對系統進行供電電源控制、工作節拍控制以及數據通訊。

5.2 OMAP-L138軟件設計

我們已經知道OMAP-L138處理器是雙內核結構。本設計中基于Linux操作系統的BSP板級支持軟件包，運行在ARM端內核，主要實現bootloader、Linux操作系統的內核移植、根文件系統的創建及各種驅動程序如SD卡設備、CAN接口驅動等。

ARM端主要運行基于Linux系統的非實時軟件，而DSP端則運行高強度的實時算法運算。值得一提的是，這兩端之間的數據交換是怎樣的呢？OMAP-L138芯片在芯片設計時采用的是共享內存的機制，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，以及CMem的共享內存分配功能和CodecEngie工程管理，通過DSP端的實時操作系統DSP/BIOS和ARM端的Linux操作系統在通信上實現無縫的鏈接。

OMAP-L138應用軟件由接口軟件、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；控制軟件根據接收到的指令和參數以及實際測量的航速、海深等參數，控制發射信號脈寬、周期和算法等；算法軟件完成相關海底回波信號的判別、提取和多普勒信息的分析，最后給出結果等。總之，整個應用軟件比較復雜，是一個有機整體。

6 試驗驗證與結束語

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，保證了自容式ADCP的產品快速更新、成本降低、質量的提高。

該板經過水池試驗和湖上試驗，工作穩定可靠，功耗極低，證明該板的設計是成功的，為自容式ADCP的產品化通用化提供技術支持和借鑒，同時具有較大的社會效益和經濟效益，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.國產寬帶相控陣聲學多普勒海流剖面儀.[j].聲學與電子工程，2005.

作者簡介

曹永紅（1977-），男，江蘇省泰州市人。大學本科學歷。高工，研究方向為嵌入式系統的軟硬件系統設計、海洋儀器的研究設計開發等。

作者單位

1.中國人民解放軍海軍工程大學電子工程學院 湖北省武漢市 430033

2.杭州應用聲學研究所 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據吞吐率低下的缺點，但需要對其驅動程序進行移植。另外增加了隔離電路，具有抗干擾性和防雷特性。

5 軟件設計

5.1 MSP430程序設計

根據值班電路的要求，需要對MSP430芯片進行編程。本設計中充分利用MSP430單片機的“片上系統”資源優勢，完成RTC程序、SPI總線驅動程序、RS232/RS422串口程序、GPIO控制程序等，從而對系統進行供電電源控制、工作節拍控制以及數據通訊。

5.2 OMAP-L138軟件設計

我們已經知道OMAP-L138處理器是雙內核結構。本設計中基于Linux操作系統的BSP板級支持軟件包，運行在ARM端內核，主要實現bootloader、Linux操作系統的內核移植、根文件系統的創建及各種驅動程序如SD卡設備、CAN接口驅動等。

ARM端主要運行基于Linux系統的非實時軟件，而DSP端則運行高強度的實時算法運算。值得一提的是，這兩端之間的數據交換是怎樣的呢？OMAP-L138芯片在芯片設計時采用的是共享內存的機制，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，以及CMem的共享內存分配功能和CodecEngie工程管理，通過DSP端的實時操作系統DSP/BIOS和ARM端的Linux操作系統在通信上實現無縫的鏈接。

OMAP-L138應用軟件由接口軟件、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；控制軟件根據接收到的指令和參數以及實際測量的航速、海深等參數，控制發射信號脈寬、周期和算法等；算法軟件完成相關海底回波信號的判別、提取和多普勒信息的分析，最后給出結果等。總之，整個應用軟件比較復雜，是一個有機整體。

6 試驗驗證與結束語

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，保證了自容式ADCP的產品快速更新、成本降低、質量的提高。

該板經過水池試驗和湖上試驗，工作穩定可靠，功耗極低，證明該板的設計是成功的，為自容式ADCP的產品化通用化提供技術支持和借鑒，同時具有較大的社會效益和經濟效益，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.國產寬帶相控陣聲學多普勒海流剖面儀.[j].聲學與電子工程，2005.

作者簡介

曹永紅（1977-），男，江蘇省泰州市人。大學本科學歷。高工，研究方向為嵌入式系統的軟硬件系統設計、海洋儀器的研究設計開發等。

作者單位

1.中國人民解放軍海軍工程大學電子工程學院 湖北省武漢市 430033

2.杭州應用聲學研究所 浙江省杭州市 310023endprint