一種基于以太網(wǎng)的分布式同步水聲數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究*

徐國(guó)貴 張永超

(91388部隊(duì) 湛江 524022)

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一種基于以太網(wǎng)的分布式同步水聲數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究*

徐國(guó)貴 張永超

(91388部隊(duì) 湛江 524022)

論文研究一種以嵌入式微機(jī)HT-1150為核心、以ART2153為采集模塊的水聲數(shù)據(jù)采集平臺(tái)。主控計(jì)算機(jī)為顯示控制中心,采用以太網(wǎng)傳輸技術(shù),通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,采集的水聲數(shù)據(jù)還進(jìn)行壓縮處理,并加入時(shí)間信息,實(shí)現(xiàn)了多通道同步采集、遠(yuǎn)程控制,數(shù)據(jù)傳輸容量大、速度快、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、接收數(shù)據(jù)同步的水聲信號(hào)監(jiān)測(cè)特點(diǎn)。

分布式; 同步水聲數(shù)據(jù)采集; 以太網(wǎng); 嵌入式微機(jī)

Class Number TP274.2

1 引言

在艦船輻射噪聲的測(cè)量中,為得到更加詳細(xì)的目標(biāo)輻射噪聲,掌握目標(biāo)特性信息,方法越來(lái)越多,在被測(cè)量艦船附近布放水聽(tīng)器就是一種進(jìn)行信號(hào)監(jiān)測(cè)的方法[1]。但當(dāng)進(jìn)行分布式同步數(shù)據(jù)采集時(shí),由于采集設(shè)備多,且還可能分布在不同的測(cè)量船上,對(duì)采集的數(shù)據(jù)無(wú)法進(jìn)行同步,特別是對(duì)海量的采集數(shù)據(jù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)傳輸和顯示。本論文研究的是一種基于以太網(wǎng)傳輸?shù)姆植际健⑼綌?shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)分析顯示系統(tǒng),該系統(tǒng)采用以太網(wǎng)傳輸技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[2,4],數(shù)據(jù)采集平臺(tái)和顯控計(jì)算機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)進(jìn)行連接,采集平臺(tái)以嵌入式微機(jī)作為核心、顯控中心可遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控各采集平臺(tái)的工作狀況,網(wǎng)絡(luò)通信采用TCPIP技術(shù)[3],水聲數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮和加密處理,實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸容量大、速度快、實(shí)時(shí)性強(qiáng)和同步性好的水聲信號(hào)監(jiān)測(cè)特點(diǎn)。該方法所使用的嵌入式微機(jī)為HT-1150工業(yè)控制板,采集卡選用由阿爾泰公司生產(chǎn)ART2153采集模塊;顯控終端由VC++開(kāi)發(fā)的軟件進(jìn)行采集平臺(tái)的控制、信號(hào)的處理及顯示[6～7];當(dāng)采集平臺(tái)與顯控終端不在一條船上時(shí)可采用基于802.11協(xié)議的微波通信實(shí)現(xiàn)[5,8]。

2 分布式監(jiān)測(cè)控制原理

該方法主要由水聲數(shù)據(jù)采集平臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、顯示控制終端及顯示控制軟件組成,各水聲數(shù)據(jù)采集平臺(tái)采用以太網(wǎng)方式與顯控終端實(shí)現(xiàn)連接,若水聲數(shù)據(jù)采集平臺(tái)與顯控終端不在同一船上時(shí)采用微波通信方式進(jìn)行連接,數(shù)據(jù)傳輸采用TCPIP網(wǎng)絡(luò)技術(shù),確保數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)采用數(shù)據(jù)包形式在源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)之間傳輸,數(shù)據(jù)包包括楨頭、幀類(lèi)型及補(bǔ)碼、數(shù)據(jù)段。數(shù)據(jù)段數(shù)據(jù)進(jìn)行了數(shù)據(jù)壓縮和加密處理,包含該段數(shù)據(jù)獲取時(shí)刻的時(shí)間信息,時(shí)間由軟件提供。目的節(jié)點(diǎn)根據(jù)傳遞的楨頭、幀類(lèi)型及補(bǔ)碼判斷傳輸數(shù)據(jù)類(lèi)型,再根據(jù)數(shù)據(jù)類(lèi)型對(duì)數(shù)據(jù)段進(jìn)行解碼。

圖1為工作原理圖,當(dāng)水聲數(shù)據(jù)采集平臺(tái)與船載顯控終端位于同一船上時(shí),直接通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)進(jìn)行連接,當(dāng)不在一條船上時(shí),通過(guò)無(wú)線(xiàn)電微波通信方式進(jìn)行連接。水聲數(shù)據(jù)采集平臺(tái)可根據(jù)實(shí)際測(cè)量要求進(jìn)行增加,各采集平臺(tái)通過(guò)設(shè)定不同IP地址進(jìn)行識(shí)別。船載顯控終端通過(guò)RS232接口與一GPSBD2定位模塊相連,為其提供位置信息和時(shí)間信息。水聲數(shù)據(jù)采集平臺(tái)在收到顯控終端的命令后進(jìn)行相應(yīng)的操作,并及時(shí)將處理結(jié)果回復(fù)至顯控終端,當(dāng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理后上傳至顯控終端;顯控終端是人機(jī)交互設(shè)備,開(kāi)機(jī)后主動(dòng)與GPSBD2進(jìn)行時(shí)間校準(zhǔn),根據(jù)要求向各采集平臺(tái)下達(dá)命令,對(duì)上傳的信息進(jìn)行相應(yīng)處理和顯示。顯控軟件可同時(shí)顯示所有采集平臺(tái)上傳的水聲數(shù)據(jù)時(shí)域圖,還可對(duì)某個(gè)采集平臺(tái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)FFT分析并顯示。

圖1 分布式水聲采集原理圖

3 采集平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)

3.1 工控機(jī)HT-1150及采集卡ART2153介紹

工控機(jī)HT-1150模塊,它是一種嵌入到機(jī)器設(shè)備、控制系統(tǒng)、儀器儀表、智能產(chǎn)品、軍事裝備中的計(jì)算機(jī),具有PC104總線(xiàn)接口,CPU為AMD LX800處理器,主頻500MHz,板上提供一個(gè)筆記本內(nèi)存插槽,最大支持1G內(nèi)存,擁有一個(gè)高速CF卡插槽和IDE接口,可以方便安裝擴(kuò)展外接存儲(chǔ)設(shè)備。此外,該主板集成了標(biāo)準(zhǔn)的10/100Mbase-T以太網(wǎng)RJ45接口,還提供了兩個(gè)RS232串口,四個(gè)USB接口。它功耗低、可靠性高、功能強(qiáng)大,具有很高的性能價(jià)格比且與標(biāo)準(zhǔn)PC全兼容,采用與標(biāo)準(zhǔn)PC相同的硬件結(jié)構(gòu)、軟件操作系統(tǒng)和軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。

采集系統(tǒng)采用的是阿爾泰公司推出的ART2153模塊,它是一款基于PC104總線(xiàn)的數(shù)據(jù)采集卡,與嵌入式微機(jī)HT-1150通過(guò)PC104接口連接。該采集卡轉(zhuǎn)換精度16位,單通道采樣頻率最高可達(dá)250kHz,模擬量輸入方式有單端模擬輸入或雙端模擬輸入可選,模擬輸入阻抗10MΩ,AD轉(zhuǎn)換時(shí)間1.25μs,程控增益1、2、4、8倍可設(shè),數(shù)據(jù)緩存8k。該采集卡運(yùn)行參數(shù)通過(guò)與之相連的嵌入式微機(jī)運(yùn)用軟件進(jìn)行初始化設(shè)置。

3.2 采集平臺(tái)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)所用采集平臺(tái)主要由水聽(tīng)器、水聲采集設(shè)備、嵌入式微機(jī)、存儲(chǔ)設(shè)備組成,如圖2所示。

圖2 信號(hào)采集平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

該系統(tǒng)中,為使采集卡擁有高采樣率和抗干擾能力,采用單通道、雙端差分輸入方式,軟件觸發(fā)模式、半滿(mǎn)條件下進(jìn)行讀取數(shù)據(jù)。在嵌入式微機(jī)上使用大容量CF卡進(jìn)行系統(tǒng)的加載、運(yùn)用程序的運(yùn)行及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。嵌入式微機(jī)上將運(yùn)行應(yīng)用軟件,完成系統(tǒng)狀態(tài)查詢(xún)、采集卡設(shè)置、通信協(xié)議、數(shù)據(jù)壓縮和數(shù)據(jù)加密等功能。操作系統(tǒng)采用廣泛使用且資源豐富的Windows XP操作系統(tǒng),節(jié)省采集系統(tǒng)軟件的開(kāi)發(fā)周期;應(yīng)用程序采用VC++進(jìn)行編寫(xiě)。采集平臺(tái)開(kāi)機(jī)后嵌入式微機(jī)將調(diào)用以上單元的驅(qū)動(dòng)程序,自動(dòng)與顯控終端進(jìn)行連接。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 采集平臺(tái)軟件

嵌入式微機(jī)主要完成對(duì)顯控終端下達(dá)指令的處理及向顯控終端回傳工作信息。應(yīng)用程序采用VC++6.0進(jìn)行編寫(xiě),顯控終端下達(dá)的指令有采集平狀態(tài)查詢(xún)指令,包括存儲(chǔ)卡容量查詢(xún)、采集卡參數(shù)查詢(xún);存儲(chǔ)卡數(shù)據(jù)清除指令,主要用于清除存儲(chǔ)卡內(nèi)的采集數(shù)據(jù);參數(shù)設(shè)置指令,主要用于設(shè)置采集卡的數(shù)據(jù)采樣率、放大倍數(shù)等;時(shí)間校準(zhǔn)設(shè)置指令,主要用于將采集平臺(tái)當(dāng)前時(shí)間校準(zhǔn)為顯控終端統(tǒng)一下發(fā)的時(shí)間;開(kāi)始采集或停止采集指令,主要是使能采集卡開(kāi)始工作或停止工作。采集平臺(tái)軟件流程圖如圖3所示。

圖3 采集平臺(tái)軟件流程

各采集平臺(tái)上電后采集卡自動(dòng)進(jìn)行初始化設(shè)置,通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)自動(dòng)與船載終端建立連接,等待船載終端下發(fā)指令并進(jìn)行相應(yīng)處理。各采集平臺(tái)在收到顯控終端的時(shí)間校準(zhǔn)命令時(shí)統(tǒng)一進(jìn)行時(shí)間校準(zhǔn),同時(shí)將結(jié)果回復(fù)至顯控終端;當(dāng)收到開(kāi)始采集命令時(shí),系統(tǒng)開(kāi)始計(jì)時(shí),每次上傳4096個(gè)數(shù)據(jù),當(dāng)系統(tǒng)接收4096個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)讀取當(dāng)前時(shí)間,同時(shí)將減去4096個(gè)數(shù)據(jù)所需的時(shí)間(即40.96ms)后作為該幀數(shù)據(jù)的起始時(shí)刻,將該時(shí)刻連同水聲數(shù)據(jù)一同打包后進(jìn)行相應(yīng)壓縮處理,之后調(diào)用通信協(xié)議上傳至顯控終端。

4.2 顯控軟件分析

顯控終端主要由網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備、GPSBD2定位模塊、顯控計(jì)算機(jī)及顯控軟件組成,顯控軟件主要完成對(duì)各通道采集平臺(tái)的控制及對(duì)接收數(shù)據(jù)的處理及顯示,采用VC++6.0軟件進(jìn)行編寫(xiě),與各通道采集平臺(tái)通信基于以太網(wǎng)的TCPIP技術(shù),與各采集平臺(tái)通信通過(guò)線(xiàn)程進(jìn)行實(shí)現(xiàn),采用雙緩沖進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取與處理,對(duì)各通道接收數(shù)據(jù)在解壓后,進(jìn)行時(shí)域波形顯示及FFT頻域處理顯示,軟件可以同時(shí)顯示多個(gè)通道的時(shí)域波形,并可對(duì)某個(gè)通道波形進(jìn)行FFT分析并顯示;軟件可對(duì)所有采集平臺(tái)下達(dá)操作命令,也可對(duì)指定采集平臺(tái)下達(dá)操作命令。GPSBD2定位模塊主要用于對(duì)顯控計(jì)算機(jī)進(jìn)行時(shí)間校準(zhǔn)。

軟件流程如圖4所示。船載顯控終端開(kāi)機(jī)后,軟件運(yùn)行并進(jìn)行初始化設(shè)置,在GPSBD2定位模塊進(jìn)入導(dǎo)航模式后自動(dòng)進(jìn)行時(shí)間校準(zhǔn);連接各采集平臺(tái)后查詢(xún)各采集平臺(tái)工作狀態(tài),下達(dá)操作命令。對(duì)各采集平臺(tái)上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,根據(jù)各采集平臺(tái)上傳采集數(shù)據(jù)進(jìn)行解壓后根據(jù)時(shí)間信息進(jìn)行同步顯示,以下達(dá)“開(kāi)始采集”命令時(shí)刻為0時(shí)刻進(jìn)行逐步顯示。圖5為在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試過(guò)程中操作軟件界面及四個(gè)采樣平臺(tái)采集信號(hào)顯示。

圖4 顯控軟件流程

圖5 顯控軟件界面

4.3 數(shù)據(jù)傳輸

該系統(tǒng)所用的數(shù)據(jù)傳輸方式采用以太網(wǎng)連接的TCPIP協(xié)議,該協(xié)議成熟可靠,適用性和通用性強(qiáng)。包括控制指令、回復(fù)信息、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)量大,重復(fù)周期短,需要進(jìn)行無(wú)差錯(cuò)的傳輸。浮標(biāo)通過(guò)IP地址來(lái)區(qū)分網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)包是否屬于自己,從而進(jìn)行相應(yīng)的接收。網(wǎng)絡(luò)通信采用Socket編程。其一般的工作流程如圖6所示,其中顯控終端為服務(wù)器端,各采集平臺(tái)作為客戶(hù)機(jī)端。

圖6 TCP工作的流程圖

數(shù)據(jù)傳輸分上行數(shù)據(jù)和下行數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)傳輸格式為幀類(lèi)型及補(bǔ)碼、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)段,幀類(lèi)型及補(bǔ)碼用于表示不同的命令。

水聲數(shù)據(jù)采用ADPCM數(shù)據(jù)壓縮算法進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮[9～10]。ADPCM是一種針對(duì)16bit聲音波形數(shù)據(jù)的有損壓縮算法,它將聲音流中每次采樣的16bit數(shù)據(jù)以4bit存儲(chǔ),壓縮比為4∶1。ADPCM通過(guò)保存波形的變化情況來(lái)達(dá)到描述整個(gè)波形的目的,即ADPCM記錄的量化值不是每個(gè)采樣點(diǎn)的幅值,而是該點(diǎn)的幅值與前一個(gè)采樣點(diǎn)幅值之差。本采集程序ADPCM壓縮算法在基本不影響數(shù)據(jù)質(zhì)量的情況下可以有效降低數(shù)據(jù)量,對(duì)于16k個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的壓縮時(shí)間可以控制在幾十個(gè)毫秒量級(jí),不會(huì)影響實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸。

5 結(jié)語(yǔ)

該分布式同步采集及系統(tǒng)分別用了嵌入式微機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù),所用的采集模塊采集精度高,采樣頻率寬,采樣率高,利用嵌入式微機(jī)的軟件計(jì)時(shí)方法實(shí)現(xiàn)采集信息的同步;各采集平臺(tái)與顯控終端采集網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸,傳輸容量大、速度快;并且系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期短,成本相對(duì)較低,在海上試驗(yàn)中具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

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Distributed Synchronous Underwater Acoustic Data Acquisition System Based on Ethernet

XU Guogui ZHANG Yongchao

(No. 91388 Troops of PLA, Zhanjiang 524022)

The paper studies a kind of underwater acoustic data acquisition platform based on buoy, that embedded microcomputer HT-1150 as the core and ART2153 as acquisition module. The master computer for signal display and control center, using microwave communication transmission and Ethernet technology, through a network switch for data exchange, the acquired data has been compressed and put in the precise time information before transmission. Ths system can realize the multi-channel synchronous acquisition, remote control, large capacity、high speed data transmission, strong real-time performance, receiving data synchronization characteristics of underwater acoustic signal monitoring.

distributed, underwater acoustic data synchronal sampling, Ethernet, embedded microprocessor

2015年3月7日,

2015年4月27日

徐國(guó)貴,男,工程師,研究方向:水聲信號(hào)處理。張永超,男,碩士,助理工程師,研究方向:水聲信號(hào)處理。

TP274.2

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.09.039