基于ARM和北斗通讯的水声浮标技术应用研究

陈鸿志，徐功慧，崔华义，江国进

（1.91388部队95分队，广东 湛江 524022；2.国家海洋技术中心，天津 300112）

基于ARM和北斗通讯的水声浮标技术应用研究

陈鸿志1，徐功慧1，崔华义2，江国进1

（1.91388部队95分队，广东 湛江 524022；2.国家海洋技术中心，天津 300112）

水声浮标是进行海洋声学调查的重要设备，传统的浮标采用基于计算机的数据采集方式和短波通信方式，其可靠性较差。文中介绍了基于ARM的数据采集存储系统和北斗通讯方式的浮标工程技术应用设计方案，结合传统浮标系统对比分析了其系统集成的实用性、先进性、适应性，并提出了进一步的改进措施。

水声浮标系统；工程应用；ARM；北斗通讯

海洋声学要素调查是海洋观测的重要内容，它包括海水声速测量、海洋环境噪声、海洋声传播损失测量、混响和海底声特性调查。水声浮标系统是获取海洋环境噪声及声传播损失的主要测量设备，具有海上测量时间长、录取数据质量高等特点，在实际作业中应用广泛、频繁。因此水声浮标的选取是数据获取与提高功效的关键，经实践探索、验证，基于ARM的数据采集存储技术和北斗通讯的水声浮标工程技术应用是目前的最佳选择之一，其效果显著，海上作业更加便捷，易于推广使用。基于ARM数据采集存储技术在海洋调查仪器和水声测量数据采集领域的应用还是首次，大大提高了获取数据的质量，而北斗通讯在水声浮标系统的应用较传统浮标提升了系统可靠性和稳定性。

1 工程技术方案分析

传统的浮标系统在通信及定位上主要采用短波电台与GPS定位系统，数据获取方面采用基于工控机的数据采集卡为平台，该浮标的主要特点是系统功耗大、辐射干扰大、通信不够稳定、可靠性不高；系统易自激和死机，造成水声浮标丢失和数据缺失。基于ARM的数据采集存储系统和北斗通讯的水声浮标采用以ARM和FPGA为核心的嵌入式系统，设计开发了8通道数据采集存储系统，脱离工控机环境，独立完成数据采集和存储；采用北斗卫星导航定位系统的短报文传输功能进行通讯，提高了水声浮标系统的稳定性和可靠性。

基于ARM数据采集存储系统和北斗通讯的水声浮标系统，由北斗/GPS卫星通讯系统、数据采集存储系统、电源系统、控制单元、电源管理单元、数据转换单元和存储单元等组成。

1.1 通讯系统

传统的浮标通讯系统由电台、调制解调器、天线调谐器和天线等部分组成，其静态功耗约20 W，发射瞬间功耗达到200 W。由于短波电台的散热问题经常导致工控机损坏或死机；而且电台器件老化后会引起电源尖刺，影响采集数据质量；短波电台通讯数据传输速度较慢，传输10个字符需要十几秒时间，而且电台辐射会造成系统控制器复位。采用短波电台通信，电台天线长度2.6 m，增加了浮标布放回收的难度，同时较长的电台天线，极大地影响了浮标在水中姿态的稳定性，且在海上易出现电台天线被风浪折断现象。

北斗通讯水声浮标通讯系统采用北斗/GPS双模通讯定位模块，该模块兼容北斗和GPS两种导航定位系统。具有高灵敏度信号捕捉能力、稳定高效率的信号发射能力，实现对3颗北斗卫星信号和12个通道GPS信号的实时跟踪处理。支持宽范围的直流电源供电。设备具有尺寸小、功耗低、安装方便、性能可靠、结构紧凑等特点，适合用户二次开发，嵌入到其他产品中。模块采用全屏蔽设计，具有优良的电磁兼容特性和抗冲击振动的能力。

北斗通讯水声浮标通讯系统由微控制器、指令收发控制软件、电源系统、北斗/GPS双模通讯定位模型块、天线等组成，如图1所示。通讯系统主要在微控制器的控制下完成与浮标的通讯，实现对浮标的遥控遥测，其设计原理图如图1所示。浮标控制指令经控制器编码通过北斗通讯系统发射出去。水声浮标通过北斗接收终端接收船台控制指令，再通过浮标值守模块完成控制指令检测、数据采集、指令接收发送通讯等功能。

1.2 数据采集系统

传统的水声调查浮标内部采集存储系统采用基于PCI总线的微型工控机，采集系统工作时功耗大于70 W，又因无法在密封壳体内的狭小空间里安装热传导结构，所以，其产生的热量只能通过密封壳体的筒壁与海水进行交换，大量无法散出的热量使得密封壳体内的温度快速上升。当系统启动后，密封壳体内的空气温度在2 h内就超过58℃，主板和芯片的温度则更高，该温度已经接近甚至超过浮标内部采集卡、硬盘和短波通信系统的使用环境温度，且在此温度下部分元器件会加速老化，性能变差，甚至造成工控机死机或损坏。

图1 水声浮标通讯系统组成框图

为解决采集系统过热问题，在分析权衡采取散热措施和降低系统功耗两种技术途径后，决定采用降低系统功耗的方式从根本上解决系统过热的问题。数据采集系统采用以ARM和FPGA为核心的数据采集存储系统，脱离工控机环境，独立完成数据的采集和存储，降低了数据采集系统功耗。购买基于ARM的8通道采集存储系统，进行二次开发，每个通道采用24位A/D转换芯片，8个通道的数据转换由一片FPGA控制完成，包括转换启动，转换同步，转换停止，转换数据输出等。8通道数据转换单元可以直接输出转换完成的8通道24位数据，整个过程无需CPU的参与。

1.3 数据记录和转存方式

原水声浮标采用普通笔记本硬盘，由于温度条件和自身的机械结构在使用中会影响系统的性能，随着现代电子技术的发展，市场上可以采购到低功耗、高可靠性、大容量的电子硬盘，可以有效地解决浮标晃动造成的磁针定位错误。为了提高浮标的数据存储能力，对浮标记录的数据进行了压缩处理。

1.4 控制单元

控制单元是整个系统的值班电路，考虑其长期处于加电状态，因此对可靠性和功耗要求较高，采用低功耗单片机，其主要功能如下：（1）对数据采集存储模块和水听器阵进行电源控制；（2）系统布放前与水上机通讯，完成参数设置；（3）系统测量过程中与数据采集存储模块的信息交换。控制单元设计示意图如图2所示。

图2 控制单元设计示意图

1.5 电源管理单元

水声调查浮标采用锂电池长期给微控制器供电，在测量时通过电源控制开关给水听器阵和数据采集存储模块供电，电压适应范围2.8～4.2 V，电源系统设计原理如图3所示。

图3 电源系统设计原理框图

2 应用效果分析

2.1 北斗通讯系统性能稳定、使用便捷

采用北斗通讯系统后，降低了供电功耗和干扰；整机功耗不大于3.6 W，散热少，改善了采集系统的使用环境；通信天线不受方位摇摆的影响，提高了通信的稳定性与可靠性；天线短小，安装简捷，整体高度较传统浮标减少了1/2，提高了布放回收的便利性。

2.2 采集系统可靠性

以ARM和FPGA为核心的数据采集存储系统有效降低了数据采集系统功耗和自噪声，提高了接收信号的信噪比，增加了声传播试验中水声浮标的测量距离。

2.3 系统功耗

北斗通讯水声探测浮标系统功耗不到短波电台通讯水声浮标的1/10，延长了浮标海上有效工作时间。

2.4 系统工作环境

系统工作环境得以改善，技术工况良好、稳定，数据录取完整、有效，无干扰，数据信号质量较之传统浮标显著提升。

2.5 控制单元

控制单元片内资源和外围接口丰富，减少了外围电路的搭建，硬件实现方便；同时，其构建的硬件系统功耗较低，应用软件也容易实现，这为日后软硬件的扩展提供了良好的基础。

3 设计改进建议

经海上实验，应在如下方面进行进一步改进：

电子系统的水下仪器舱容积率不宜太小，设计时内部应留有充裕的散热空间，确保与海水的散热接触面，利于进一步降低内部工作环境温度；

北斗系统天线宜采用刚性保护罩，以避免碰撞造成的损坏。

4 结束语

基于ARM的数据采集存储系统和北斗通讯在水声浮标系统的工程技术应用，经海上多次验证取得了良好的科研实验成效，属于经济实用的新型系统集成，全系统性能优良、适应性好、电磁兼容匹配，工作稳定、可靠，数据录取有效率及信号质量大大提高，具有推广应用价值。

[1]李佳.ARM系列处理器应用技术手册[M].北京：人民邮电出版社，2006.

[2]沈建华.ARM嵌入式系统开发：软件设计与优化[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005.

[3]中华人民共和国交通运输部.JT/T767-2009.北斗卫星导航系统船舶监测终端数据交换协议[S].北京：交通出版社，2010.

Application Research of the Acoustic Buoy Technology Based on ARM and COMPASS Satellite Communication

CHEN Hong-zhi1,XU Gong-hui1,CUI Hua-yi2,JIANG Guo-jin1
(1.Unit 95,Navy Force 91388,PLA.Zhanjiang Guangdong 524022,China;2.National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China)

Acoustic buoy is a vital equipment for ocean acoustic survey.Traditional buoy uses the computer-based data collection and short-wave communication with poor reliability.An application design of acoustic buoy engineering based on ARM data collecting storage system and COMPASS satellite communication technology was introduced.The practicability,advancement and applicability of this system integration were analyzed comparing to the traditional buoy system.The further improvements were provided finally.

acoustic buoy system;engineering application;ARM;COMPASS satellite communication

P715.2，TN927

B

1003-2029（2012）01-0024-03

2011-09-09

军内科研资助项目（HJ2009-04-05-01）

陈鸿志（1966－），男，高级工程师，主要从事海洋环境测量与研究。