基于單片機和DSP的輕便式聲電檢測儀的設計*

趙 珩 馬 一

(91388部隊94分隊 湛江 524022)

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基于單片機和DSP的輕便式聲電檢測儀的設計*

趙 珩 馬 一

(91388部隊94分隊 湛江 524022)

為了使長基線系統應答器在日常維護和下水工作前,能夠快速完成技術狀態檢測,設計開發一款基于MSP430系列單片機和DSP VC5509A的嵌入式系統。該系統利用單片機完成對整個系統的控制和電檢測功能,DSP完成聲檢測功能,實現對長基線應答器快速準確地聲學和電學信號檢測。經過測試使用,證明該檢測儀可以完成原來由許多套儀器配合完成的檢測步驟,提高了應答器維護檢測的效率,有效的縮短了應答器故障排查和維修時間。

單片機; DSP; 嵌入式系統; 聲電檢測儀

Class Number TP368.1

1 引言

長基線系統的應答器是長基線系統重要的組成部分,應答器功能的完好與否對長基線系統工作性能起著至關重要的作用,因此,在日常維護保養中掌握應答器的技術性能,在入水工作前對應答器的技術狀態進行快速的檢測,成為保證長基線系統能正常、穩定工作的必不可少的環節。

針對實際應用需求,設計并開發了一款基于MSP430系列單片機和DSP TMS320VC5509A的嵌入式系統,能夠方便、快捷地對長基線應答器進行技術狀態和聲電功能的檢測,快速的判定故障位置,有效的縮短了工作現場排除故障的時間。

2 硬件設計

輕便式聲電檢測儀系統的硬件組成及功能實現如圖1所示,圖中清晰描繪了該系統主要實現的兩部分的功能:聲信號檢測和電信號檢測。

電檢測功能實現較為簡單,用串口線連接應答器和串口0,MCU通過串口1完成對液晶觸摸屏的操作控制,根據液晶觸摸屏下達的指令,MCU通過軟件處理后,將相應指令信息通過串口0發送給應答器,來觀測應答器做出的響應或接收來自應答器的回復信息,并將信息顯示在液晶屏上。

聲檢測功能實現較電檢測繁雜一些,MCU通過串口1獲取液晶觸摸屏的操作指令,經過軟件程序處理將指令信息通過I2C總線發送給DSP,DSP根據接收到的指令信息生成軟件編碼信號,通過McBSP1模塊發給DA,DA轉換后經過濾波放大電路的調理,用水聽器發射出去;通過水聽器接收被測應答器的聲信號,經過濾波放大電路的調理,由DSP的McBSP0模塊控制AD,逐點對濾波信號進行采樣,采樣數據在DSP內經過檢測算法解算出結果,通過I2C總線發送給MCU,MCU將收到的檢測數據顯示在液晶屏上;接收控制McBSP0和發射控制McBSP1為分時工作。

為了使系統輕便、小巧,并降低對使用環境的要求,系統采用鋰電池供電,使其可以在多種工作場所使用,這就對系統的控制核心MCU和信號處理核心DSP的選取提出了嚴格的要求,具有超低的功耗、強大的處理能力、穩定的工作性能成為綜合考察核心芯片性能的首要條件。這里選用16位超低功耗的MSP430F5438芯片作為控制核心,其擁有最高主頻25MHz,256K的內部Flash,4個USCI接口;DSP選取TMS320VC5509A,其擁有最高200MHz的主頻,1個I2C接口和3個McBSP接口,這兩款核心芯片能夠理想的實現本系統所需的功能和性能指標。

1) 信號發射電路設計

信號發射電路的一個核心是DA轉換芯片,這里選用雙12位電壓輸出數模轉換器TLV5638來完成信號的數模轉換,該芯片具有穩定性高、體積小、供電電壓低、功耗較小的特點,適用于電池供電的便攜式系統。其與DSP的電路連接如圖2所示,DSP McBSP1的FSX1、CLKX1引腳分別向DA的CS、SCLK輸出200KHz的采樣幀同步信號和10MHz的時鐘信號。

由于系統僅需一路信號輸出,所以在實際使用中,TLV5638的輸出設置為0X4000,即OUTB為信號輸出端,轉換信號通過濾波放大電路調理成標準的正弦波脈沖信號。

圖2 DSP與DA電路連接圖

2) 信號接收電路設計

聲信號的采集是信號的接收檢測過程的前提,本系統接收信號的模數轉換采用16位分辨率的ADS8320E芯片來完成,該芯片不僅具有速度快、精度高,而且供電電壓低、體積小、功耗小,非常適用于電池供電的便攜式系統。其與DSP的電路連接如圖3所示,AD信號輸入采用單端輸入方式,DSP McBSP0的FSX0、CLKX0引腳分別向AD的CS、SCLK輸出100KHz的采樣幀同步信號和2.4MHz的時鐘信號。

圖3 DSP與AD電路連接圖

3) DSP和MCU、液晶觸摸屏的通信電路設計

作為實現了整個系統人機交互功能的主體,MCU在DSP和液晶觸摸屏之間同時起著橋梁和控制作用,三者的電路連接如圖4所示。DSP和MCU之間采用典型的I2C總線模式,完成二者之間數據的傳輸,MCU和液晶觸摸屏之間采用典型的RS-232接口通信模式,實現MCU對觸摸屏操作的控制、界面信息的獲取和檢測結果的顯示。

圖4 DSP與MCU I2C連接圖(1為RS-232串口)

4) 寬帶濾波器設計

系統在信號接收和發射中對信號進行的濾波處理,涉及的頻帶較寬,且兩個逆過程中對信號的增益處理不盡相同。發射信號的濾波電路需要處理后的信號較之前有一定的放大,才能保證發射的信號能夠被被檢應答器檢測到,在濾波電路最后加一級射隨來實現;由于應答器的發射聲源級較大,且接收水聽器的接收距離較近,故該接收端濾波電路采用通帶內無增益設計。

巴特沃斯型濾波器有著在通頻帶內頻率響應曲線最平滑和振幅對角頻率單調下降的特性,根據式(1)巴特沃斯型低通濾波器傳遞函數,通過低通-帶通的頻率變換關系求出所需的巴特沃斯型帶通濾波器傳遞函數。

(1)

其中,N為濾波器的階數,fc為低通濾波器3dB截止頻率,f/fc為歸一化頻率,pk為歸一化極點,則H(p)稱為歸一化傳遞函數。

再利用Filter Solutions 2011濾波器設計軟件仿真設計Sallen Key結構的有源4階帶通濾波器,設計電路和頻率響應如圖5、圖6所示。圖6中的濾波器頻率響應,說明該濾波電路的通帶可以滿足f1～f2KHz的寬帶信號范圍,并且在上下端截止頻率處有明顯的3dB衰減,通帶內基本無增益。

圖5 濾波器設計電路

圖6 濾波器頻率響應

系統中采用ADS8542ARM來實現4階有源濾波功能,該芯片的低電壓供電、1MHz的帶寬、高增益等性能,既滿足本系統濾波電路的性能,也適合系統電池供電的要求。

3 軟件設計

本系統兩部分軟件均用用C語言編寫,電檢測流程圖如圖7所示,聲檢測流程如圖8所示。

由于應答器的信號體制多為單頻CW脈沖,因此信號處理中采用自適應NOTCH濾波和VIFD檢測來實現對聲信號逐點處理。本系統中采用雙通道的NOTCH濾波器和VIFD檢測器來完成接收信號的檢測和處理,其中通道一負責單頻回復信號和指令信號頻率1的檢測,通道二僅負責指令信號頻率2的檢測。單頻回復信號的檢測流程如圖9,指令信號的檢測在圖9基礎上只判斷脈沖信號的前沿,從而提高檢測的時效性。

4 系統功能測試

系統樣機經多次測試和使用,能夠很好的完成聲電指令對應答器“自檢”、“釋放”、“開機”和“待機”功能的檢測,同時能夠成功檢測出應答器響應除“自檢”外的功能后回復的指令信息,但由于設計中雙通道信號檢測的限制,還無法實現通過聲檢測解算出應答器“自檢”信息的功能。

圖7 電檢測流程

圖8 聲檢測流程

在CCS軟件平臺下運行聲信號接收檢測程序,采用100Hz帶寬的NOTCH濾波器對應答器應答回復信號進行檢測,檢測出的采樣數字信號和其信號包絡如圖10所示,應答信號檢測數據表如表1所示。

圖9 單頻回復信號檢測流程(1為統計連續過門限次數和包絡幅度)

信號頻率(Hz)信號脈寬(ms)檢測頻率(Hz)檢測幅度(mv)檢測脈寬(ms)9250109190215111916021511191912151129286215111922621511191792151129245215111931721511192812151119274215111

圖10中展示出完美的信號包絡證明水聲信號的接收檢測軟件可以有效地檢測出應答器應答回復信號。通過對完整包絡的進一步解析,我們可以得到被檢信號頻率、幅度和脈寬,表1中10次聲檢測得出的的信號頻率與被檢頻率的偏差基本控制在100Hz以內,檢測幅度完全一致,檢測脈寬基本一致,但比信號脈寬稍寬。經分析是由于應答器信號源級較大,和接收水聽器在水桶等較小的空間范圍內時,使得接收信號出現拖尾,造成脈寬被拉長。

經過多次時效性測試,從點擊觸摸屏界面按鍵開始到聽見聲信號發射,和聽到應答器回復信號到液晶屏顯示出檢測結果基本都是同步響應,一次完整且有效的檢測程序從按鍵到結果顯示基本都在10秒左右完成,這很好地實現了快速檢測應答器,驗證應答器工作性能的要求。

圖10 應答器應答回復信號的包絡和采樣數字信號

5 結語

本系統是針對長基線系統應答器的日常維護保養和為保證長基線系統正常工作,在應答器下水工作前快速檢測技術狀態的需要而研制開發的,在實際工作中,不僅方便了維護人員,簡化了他們的工作程序,也使得維護人員能夠通過實時檢測結果,及時發現故障所在、判斷故障原因,縮短了應答器故障排查時間。

鑒于本系統在使用中暴露的“聲自檢”信息無法解算的不完善之處,在后續研究改進中,可以通過擴充聲信號檢測通道的方法,實現對應答器聲“自檢”信息的解算,從真正意義上完善輕便式聲電檢測儀的聲電一體化檢測能力。

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Portable Instrument for Detecting Acoustics and Electrics Signal Design Base on MCU and DSP

ZHAO Heng MA Yi

(Unit 94, No. 91388 Troops of PLA, Zhanjiang 524022)

In order to quickly detect technology state of the responder of long baseline system in daily maintenance and before subaqueous work, an embedded system is designed and exploited base on MCU of MSP430 series and DSP VC5509A. The system uses MCU to control whole system and dectect electrics signal, the function of DSP is to dectect acoustics signal. The whole system can quickly and ture detect acoustics signal and electrics signal of the responder of long baseline system. This detecting instrument is tested and used. It’s proven that it can accomplish detection steps which are accomplished by originally many instrument together, advance efficiency of maintenance and dectecting responder, shorten effectively time which is used to troubleshoot and maintain responder trouble.

MCU, DSP, built-in system, instrument for detecting acoustics and electrics signal

2014年10月21日,

2014年11月30日

趙珩,男,工程師,研究方向:水聲信號處理。馬一,男,助理工程師,研究方向:水聲信號處理。

TP368.1

10.3969/j.issn1672-9730.2015.04.045