基于ARM的船舶水聲浮標系統(tǒng)嵌入式應用

文/張磊磊

利用優(yōu)化水聲信號的采集手段提高魚群定位精度能夠幫助大型漁船提高出海捕撈的效率，對于潛艇水下作業(yè)來說，提高水聲信號的采集分析精度能夠幫助潛艇操作者準確完成作業(yè)任務，同樣，對于遠洋運輸來說水生信號的采集精度同樣具有重要的意義。因此，人們開始尋求能夠提高信號采集精度的技術方法，通過實踐應用我們發(fā)現(xiàn)機遇ARM的船舶水聲浮標系統(tǒng)嵌入式應用這一技術手段在保證精度的同時，體現(xiàn)了該技術實用性強、可靠性高、抗干擾能力強等特點，因此這一技術也被廣泛應用于船舶系統(tǒng)中，以保證船舶出航的實際需求。

1 國內(nèi)外船舶水聲浮標技術發(fā)展現(xiàn)狀

目前我國國內(nèi)外常用的浮標種類有兩種：

（1）錨泊浮標；

（2）漂流浮標。

無論何種浮標都在軍用、民用等領域有著廣泛的應用，同時也為科學研究與海洋勘探提供足夠詳實的數(shù)據(jù)資料，因此世界上各個國家都積極地對船舶水聲浮標技術進行了深入的研究。目前國際有關組織計劃在全球海洋上逐步布放大量的Argo浮標，這種浮標具有自沉浮剖面探測功能，能夠?qū)Ｑ髮崟r情況進行觀測，其運轉(zhuǎn)流程為先在海洋表面漂浮一定時間后，主動下沉到一定深度并保持一定時間，然后在上浮到海面上，這個過程是不斷重復的，并以電池能量耗盡為終止。數(shù)據(jù)的上傳時間集中在該浮標停留在海面的實踐，用戶可以通過互聯(lián)網(wǎng)下載浮標采集的資料，一般來說這種浮標的工作壽命能夠保持在兩年以上。目前我國已經(jīng)在南海海域布放了四個Argo浮標。隨著對水聲浮標技術研究的不斷加深，國外企業(yè)逐漸研究出了L55輕型浮標、博爾姆錨泊浮標、Seswatch海洋實時觀測系統(tǒng)。

近幾年，我國浮標技術開發(fā)人員在水聲浮標技術中融入了計算機技術與無限代技術，從而促使我國海洋環(huán)境預報技術的飛速發(fā)展。我國國家海洋技術中心研制實時傳輸海洋漂浮系統(tǒng)等技術更是能夠?qū)崿F(xiàn)深海數(shù)據(jù)的傳輸，填補了我國技術上的空白。并且我國很多高校也針對浮標系統(tǒng)進行了一系列的研究，比如哈爾濱工程大學研制的水下目標跟蹤定位系統(tǒng)，有效提高了數(shù)據(jù)的采集精度。目前，為了進一步提高浮標的各項性能，研究人員開始對基于ARM的水聲浮標的嵌入式設計開展了一系列的研究。

2 基于ARM的船舶水聲浮標系統(tǒng)嵌入式設計

2.1 結(jié)構(gòu)設計

由于浮標標體長期浸泡在海水中，而海水本身含有較高的鹽分，所以提高浮標標體的耐腐蝕性對于提高浮標的壽命有著重要的意義。所以在浮標結(jié)構(gòu)設計的過程中，應該采取能夠抗腐蝕性能良好的材料將水聲浮標GPS天線、無線信號天線、電子倉等構(gòu)件包裹起來，避免受到海水的侵蝕。并且也要選擇能被信號穿透的抗腐蝕材料。

由于設備在海洋中往往處于不斷震動的狀態(tài)，如果浮標震動幅度過大，往往會影響信號的采集精度，并降低設備的穩(wěn)定性。所以我們需要通過確定標體固有轉(zhuǎn)動慣量、標體質(zhì)量、標體質(zhì)心高度等參數(shù)計算浮標橫向運動周期、橫向搖擺頻率、橫向搖擺運動特征，隨后技術人員可以通過跳著這幾個參數(shù)的數(shù)值來控制浮標結(jié)構(gòu)的運動特征。

2.2 信號調(diào)理電路設計

由于電路系統(tǒng)與電子元件是水聲浮標功能實現(xiàn)的重要組成部分，所以技術人員在設計開發(fā)過程中應該對信號調(diào)理電路進行優(yōu)化與完善，主要需要考慮系統(tǒng)中電阻電容值匹配情況以及功率損耗情況，并且需要通過設計讓電流具有信號放大、過濾噪聲等功能。

（1）在電路設計中應該為信號放大器預留位置，并將信號放大器放在電路前端，以起到提高聲波信號信噪比的作用。

（2）需要讓直流偏置通過利用浮標信號接收器的電容特性的方式得到抵消。

（3）需要通過設置帶通濾波器的方法讓信號經(jīng)過處理后輸出穩(wěn)定的差分信號，并將差分信號轉(zhuǎn)入數(shù)模轉(zhuǎn)換器。

這樣，信號調(diào)理電路就能夠?qū)λ曅盘栠M行降噪、放大、濾波以及差分輸出等功能。

2.3 水聽器設計

水聽器位于浮標標體電子艙內(nèi)，起著聲電轉(zhuǎn)換的作用，能夠?qū)⑹占降穆暡ㄐ盘栟D(zhuǎn)換為可供傳輸?shù)碾娦盘枺D(zhuǎn)換后的信號能夠被信號調(diào)理器識別。一般來說，會采用壓電陶瓷作為水聽器的主要材料。其原理為陶瓷內(nèi)部會由于陶瓷受力導致正負電荷出現(xiàn)極化現(xiàn)象和相對位移，從而進一步導致材料兩端出現(xiàn)相反電荷。提高陶瓷應力敏感性則是提高水聽器精確性的主要措施。

2.4 基于ARM的船舶水聲浮標系統(tǒng)嵌入式程序設計

在實際應用中我們發(fā)現(xiàn)ARM技術的應用能夠有效提高船舶水聲浮標系統(tǒng)的自動化水平，因此本節(jié)基于水生浮標所采用的硬件電路以及ARM處理器，對其自動化程序進行了分析和討論。

ARM處理器具有性能強、功耗小的特點，并且同時支持16位指令集合和32為指令集合，由于處理器內(nèi)部將大量的數(shù)據(jù)寄存器集成起來，因此該處理器具有尋址靈活、運行速度快、執(zhí)行效率高的特點。一般來說，采用ARM處理器的船舶水聲浮標系統(tǒng)具有以下幾個模塊：

（1）系統(tǒng)時鐘模塊。在收集信息的過程中，除了要保證信號的采集準確性，還需要通過確定采集信號時間的方式提高數(shù)據(jù)存儲單元的規(guī)律性。目前技術人員常使用采集時間作為保存水聲信號文件夾的名稱，為后續(xù)數(shù)據(jù)調(diào)取分析工作提供便利條件。在設計過程中建議使用基于CMOS工藝的時鐘系統(tǒng)。

（2）數(shù)據(jù)采集程序，程序設計對于軟件功能來說有著重要的以，并且也在很大程度上決定著系統(tǒng)的整體性能。因此在編寫數(shù)據(jù)采集程序的過程中需要實現(xiàn)數(shù)據(jù)寫入存儲器、A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀取等功能。在設計匯總建議施工用DMA數(shù)據(jù)傳輸方式，并采用4位總線連接的存儲器。

（3）數(shù)據(jù)存儲程序，通過在架構(gòu)中內(nèi)置FatFs文件系統(tǒng)，使得ARM處理器加工具備了跨平臺移植性，讓軟件可以在ARM、AVR、PLC嵌入式系統(tǒng)中運行。另外，這種文件系統(tǒng)還能實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲器的直接訪問，因此該技術執(zhí)行過程中不需要實現(xiàn)訪問FDT表和FAT文件分配表的過程，從而有效提高了運行效率。

通過在實踐應用中對基于ARM的船舶水聲浮標系統(tǒng)進行測試，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)的水聽器靈敏度、等效噪聲、相位一致性、系統(tǒng)功耗等方面均能達到實踐要求，并能夠證明該系統(tǒng)具有一定的可靠性和穩(wěn)定性，能夠為生產(chǎn)提供詳細準確的數(shù)據(jù)，也能為科研工作的開展提供一定的助力，并且浮標系統(tǒng)布放與回收工作簡單便捷，各項成本較低，是一種值得推廣的技術。

3 總結(jié)

水聲浮標系統(tǒng)作為促進我國海洋科學研究的重要設備，其研發(fā)水平和精度水平對于我國海洋事業(yè)發(fā)展有著重要的意義。所以我們應該積極研究能夠提高水聲浮標信息采集精確度的方法。因此本文通過研究發(fā)現(xiàn)基于ARM的船舶水聲浮標系統(tǒng)嵌入式設計與應用技術能夠有效提高水生浮標的信息采集精確度，并降低技術成本。因此，在未來的水生浮標技術研究過程中，我們?nèi)匀恍枰獙贏RM的船舶水聲浮標系統(tǒng)進行深度的剖析，從而進一步優(yōu)化該技術的設計方案，提出精度更高、穩(wěn)定性更好的水生浮標系統(tǒng)。