一種應用于水下信標的信號處理控制電路設計

周展望

（中國船重工集團公司第七一五研究所杭州310023）

一種應用于水下信標的信號處理控制電路設計

周展望

（中國船重工集團公司第七一五研究所杭州310023）

介紹水下聲學定位測量系統研制背景；講述信號處理控制電路的總體設計方案，并從硬件設計以及軟件設計方面對電路的設計思路進行了分析和闡述，給出了主要的電路設計模塊框圖和軟件流程圖。

水下聲學定位測量系統；水下信標；DSP；MSP430單片機

Class NumberTN929

1 引言

在水聲技術的發展過程中，自主航行的聲陣系統或探測設備不斷在發展中，而相關聲陣或設備在水下航行的姿態和軌跡控制是水聲裝備能否正常工作和保障探測、定位能力的重要因素，是目前水聲技術研究中需要解決的重要技術問題之一。水下聲學定位測量系統［1］主要用于測量運動目標的位置及其運動軌跡，其建設目的是形成適應范圍較寬的水下定位能力，適用于該系統的水聲目標或載體形式可具有多樣性。本文主要講述水下信標信號處理控制電路的研制。

2 方案設計

信號處理電路位于水下聲學定位測量系統的水下信標電子艙內，它是水下信標電路的重要組成部分。該電路的設計目標是：對水聲信號進行檢測及識別，從而控制系統工作在以下模式：空閑模式、被動模式、主動模式，當系統工作在空閑模式時，不開啟水聲信號上傳通道，發射電路不工作；當系統工作在被動模式時，開啟水聲信號上傳通道，通過電纜將經過低頻預處理的水聲信號傳輸到水面浮球，經高頻發射模塊傳送至船載處理設備進行定位解算，此時發射電路不工作；當系統工作在主動模式時，不開啟水聲信號上傳通道，利用信號處理電路產生指定信號形式的應答信號，并將該信號送入發射模塊，由發射模塊對信號進行相應的變換后，通過換能器［2］向外發射。信號處理控制電路功能框圖（虛線框內）如圖1所示。

信號處理控制電路以DSP［3］和MCU為核心，主要由用于完成水聲信號采集與信號分析、SPI通訊、信號生成等功能的信號處理單元和用于完成SPI通訊、485通訊［4］、電源管理等功能的控制單元組成。

此外，為方便系統日后升級，信號處理電路還設計包含參數設置與顯示電路和時鐘電路［5］等備用單元。其中參數設置與顯示電路可以用于設置生成信號的各項參數（如發射周期、發射脈寬、信號形式等）；時鐘電路可以用于設定系統工作周期。

3 電路設計

3.1 信號處理單元電路

信號處理單元電路由DSP主控電路、存儲電路、AD采集電路組成［6］。

3.1.1 DSP主控電路

DSP主控電路是信號處理單元電路的核心，用于完成水聲信號的采集和相關處理。根據功耗和處理能力考慮，采用的DSP為TI公司的TMS320VC5509A芯片。該芯片主頻可以達到200MHz，具有硬件乘法器，乘加法能力為400MIPS。電路組成框圖如圖2所示。

3.1.2 存儲電路

由于TMS320VC5509內部無FLASH，故需要外擴FLASH用于程序存儲器。本設計選用AM29LV400B芯片，該芯片大小為512KB，可以滿足信號處理程序的存儲。選用的SRAM為ISSI61WV1024ALL芯片，該芯片大小為2MB，預估可以滿足程序運行中的緩存需要。

3.1.3 AD采集電路

設計選用AD芯片TI公司的ADS1178，該芯片為8通道16位同步采樣AD轉換器，在高速模式下，采用率可達到52K，而每通道的功耗僅為31mW［8］。該轉換器每個通道均有一個控制端，對于不使用的通道可以將其關閉從而降低功耗。AD轉換器通過幀同步串行接口與DSP的多通道串口進行連接，其接口示意圖如圖3所示。

3.2 控制單元電路

控制單元電路由MCU主控電路、電源管理、開關電路、485通訊電路、備用單元電路組成。各電路模塊設計如下。

3.2.1 MCU主控電路

主控電路MCU的選型考慮了低功耗、集成化、開發周期等因素，選用了TI公司型號為MSP430F235的單片機，其特點如下：寬工作電壓：1.8V～3.6V；16KB Flash程序存儲器；2KB SRAM數據存儲器；48個IO口；2路UART口；低功耗休眠方式。電路功能框圖如圖4所示。

3.2.2 電源管理

電源管理電路［4］主要實現如下功能：上電值班、電源生成與上電時序控制、各電路模塊通斷電控制。在設計中，還要進行抗干擾設計［10］，防止信號處理板受到通訊模塊天線的干擾；也要防止信號處理電路可能對低頻電路造成干擾。

1）上電值班電路［8］

信號處理電路密封在系統應答器艙內，整個電路在投放入水前處于待機狀態，只有在入水后才上電工作。設計中，采用一節3.6V的鋰電池為值班電路供電，利用海水電極作為導電開關，具體設計如圖5所示。

系統投放前，海水電極處于斷開狀態，整個電路不導通，僅有微小的漏電流通過，從而降低了系統功耗；系統投放入水后，海水電極導通，MCU主控電路上電開始工作，并控制電源管理電路生成3.3V等電源，持續為整個電路供電。

2）電源生成與上電時序控制

本部分電路的功能為為低頻電路提供7.2V電源，為發射電路提供21V、15V、3.3V電源，并控制其上電順序和為信號處理單元電路提供A5V、D3.3V、D1.8V、D1.6V電源，并控制其上電順序，具體設計如圖6所示。

信號處理單元電路的上電時序說明如下：系統入水后，控制電路首先控制7.2V數字電源上電，隨后生成D5V數字電源，再依次生成D1.6V、D1.8V、D3.3V、A5V電源，最后控制7.2V低頻電路上電。在系統工作期間，信號處理電路一直處于工作狀態，不斷電。

發射電路的上電時序說明如下：當系統處于主動工作模式時，控制電路首先控制生成15V發射電源，再控制3.3V發射電路電源上電，最后控制21V發射電路電源上電。當系統切換到被動工作模式時，則首先控制21V發射電路電源斷電，再控制3.3V發射電路電源斷電，最后控制15V發射電路電源斷電。

3.2.3 通道開關電路

水聲信號上傳通道的開啟和關閉采用模擬開關實現。設計示意圖如圖7所示。

當系統處于被動工作模式時，控制電路控制開啟模擬開關，水聲得以通過電纜傳輸到系統上電子艙；當系統處于主動工作模式時，控制電路控制關閉模擬開關，水聲信號上傳通道被斷開。

3.2.4485 通訊電路

485通訊電路用于上下電子艙命令交互，上電子艙可以將信號參數通過電纜下發給下電子艙，從而改變生成信號的形式。上電子艙的信號參數可以進行預先設置，亦可通過遙控電路進行接收。

3.2.5 備用單元電路

備用單元電路包含了參數設置顯示電路和時鐘電路，用于日后的系統升級。在本設計階段，可以將參數設置顯示電路作為測試電路使用，即利用設置按鈕設置生成信號的形式，利用顯示數碼管顯示電路工作模式。

3.2.6 抗干擾設計

在系統的下電子艙中，除了信號處理電路，還有低頻電路和發射電路，從電路抗干擾設計出發，設計時對各種地線進行了隔離，劃分為電源地、數字地、模擬地、發射地，并在電源入口處進行工地。此外，還在芯片的電源引腳附近布置了濾波和去耦電容。

4 軟件設計

信號處理電路軟件設計包含DSP軟件設計和單片機軟件設計［9］。

4.1 DSP軟件設計

DSP軟件程序流程如圖8所示。

4.2 單片機軟件設計

單片機軟件程序流程如圖9所示。

5 結語

本文講述了一種基于DSP和MCU為核心處理器的水下信標信號處理控制電路設計，詳細講述了電路的軟硬件設計思路和過程，經過聯調，電路達到了系統提出的設計要求。

［1］王偉，徐志勇，李錦華.水下聲學定位系統中水聲通訊的實現［J］.科研，2017，2（4）：139.

［2］程清良.一種換能器基陣的測量分析［J］.聲學與電子工程，2002，2：34-36.

［3］曹延生.淺析DSP數字信號處理器的應用［J］.工程技術（文摘版），2015，9（47）：211.

［4］王丁磊，馮冬青.RS-232至RS-422／485接口多路轉換電路［J］.河南廣播電視大學報，2003（3）：75-77.

［5］馬君璞，魏智.實時時鐘電路設計［J］.國外電子元器件，2003，9：38-4.

［6］朱忠衛.模數轉換（AD）集成電路原理及其應用分析.《科研》.2016，10（08）：27-28.

［7］汪勝聰，滕勤，左承基.綜述單片機控制系統的抗干擾設計［J］.現代電子技術，2003（1）：7-9.

［8］一種聲納數字值班電路的設計［J］.艦船電子工程. 2011（9）：150-152.

［9］丁保華，張有忠，陳軍，孟凡喜.單片機原理與接口技術實驗教學改革與實踐［J］.實驗技術與管理，2010（1）：117-119.

Design of Underwater Beacon Signal Processing Control Circuit

ZHOU Zhanwang
（The 715th Research Institute of CSIC，Hangzhou310023）

This paper introduces the development background of the underwater acoustic positioning measurement system，tells about the general design scheme of the signal processing and control circuit.The paper analyzes and discusses the design idea of the circuit from the aspects of hardware design and software design.And the main circuit design block diagram and software flow chart are given.

system of underwater acoustic positioning measurement，underwater beacon，DSP，MSP430 MCU

TN929

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.07.035

2017年1月8日，

2017年2月23日

周展望，男，助理工程師，研究方向：信號處理與電路設計。