自容式ADCP低功耗信号处理板

摘 要 声学多普勒海流剖面仪（ADCP）是利用声学多普勒原理设计，是目前世界上最先进的一种流速流量实时测量设备。自容式ADCP中的信号处理板不但具有极强的数字实时处理能力，配有多种标准接口，而且还要实现低功耗，满足自容式的要求。本文简要介绍了自行研制的自容式ADCP设备中信号处理板的特点、组成和相关软硬件实现方法，重点介绍信号处理板的低功耗化的设计改进。

【关键词】OMAP-L138 MSP430 Linux操作系统 自容式ADCP

1 引言

声学多普勒海流剖面仪（Acoustic Doppler Current Profiler，下称ADCP）是目前国际上测量多层海流剖面的最有效方法，是海洋勘测领域的一项高新技术。其基本原理是向水中发射超声波脉冲接收反射回波并计算其频率偏移，根据多普勒频移效应可以精确地测量水流的流速流向。ADCP对于合理地开发利用水资源，使之造福予人类，实现自然界、社会和人类的可持续发展有着重要的意义。

本文所提的自容式ADCP为国内自行研制的剖面仪，是在改进传统的测量方法和科学发展的信号处理技术的基础上研制的新一代产品，相比第一代产品其效率提高几十倍，准确率也提高了很多，而且实现了低功耗，满足自容式的要求。本项目研制的信号处理板，以TI公司的低功耗双核处理器OMAP-L138和极低功耗MCU单片机MSP430为核心进行设计，满足了自容式ADCP的实时数据处理及低功耗要求，并具有良好的扩展性，是自容式ADCP产品实现的关键基础。

信号处理板主要承担着水声信息的实时处理及对外接口通讯任务，具体完成高速数据采集、海底深度测算、海流剖面速度测量及对海底速度计算、值班电路等，同时完成发射信号、发射包络信号等信号的产生，并负责水声信息的交换。

2 技术指标

AD：8路，16bits同步采样，采样频率不小于600KHz，单端输入幅度±10V；2路，16bits异步采样，采样频率10Hz，单端输入幅度0～5V；

DA：2路，16bits并行输入，采样频率不小于2KHz， 单端输出幅度±5V；

发射信号频率：150KHz、75KHz、37.5KHz三种；

网口：1个10/100Mbps；

串口：4个独立的RS232/RS422接口；

CAN2.0B接口：1个；

存储盘：容量不小于32GB；

RTC：精确年误差小于1分钟；

功耗：工作状态下小于2W。

3 基本结构和组成

3.1 基本结构

信号处理板原理功能框图如图1所示。

3.2 组成

根据自容式ADCP项目的设计要求，信号处理板的硬件设计主要由值班电路和数字信号处理电路组成。值班电路在本系统中主要完成对信号处理电路以及其它电路板的电源控制，完成整个系统的工作节拍控制及与上位机的数据通讯等。其组成框图如图2所示。数字信号处理电路主要完成发射信号等的产生、接收信号的采集和处理与存储、对外通讯等功能。其组成框图如图3所示。

4 技术设计改进

本信号处理板相比以前产品改动还是比较大的，主要技术改进电路有：DSP电路、A/D转换电路、信号产生电路、数据存储电路、接口控制电路、RTC电路等。这里主要介绍这几个改进电路。

4.1 DSP电路

DSP电路是以OMAP-L138处理器、MSP430单片机和可编程FPGA为核心组成的功能模块。

其中OMAP-L138处理器集成了300MHz ARM926EJ-S内核及300MHz C6748 VLIW DSP核，并提供了丰富的外设接口，主要负责数字信号处理功能；MSP430单片机选用资源比较丰富的型号MSP430F5438，功耗极低功能更强，值班电路的大部分功能就是由单片机内部集成的模块完成的，主要承担值班电路的功能。可编程器件FPGA选用ALTERA公司的CycloneIII系列，在本设计中主要用于系统的各电路逻辑时序控制，以及产生相应的信号输出等。

4.2 A/D转换电路

信号处理板总共带有8路高速数据同步采样电路；另外2路分别用于温度传感器和压力传感器的模拟信号的采集。

该电路的设计难点在于将以往设备的采样频率150KHz、300KHz、600KHz三种要合并到一起。本方案中对采集软件采用模块化的设计，形成一个通用的数据采集系统，从而对输入的采样频率没有固定值的要求了。

我们选用的A/D转换芯片为SPI串行接口高精度芯片AD7982，其最高采样率可达到1Msps，可以实现多路级联，很好的满足项目要求。

4.3 信号产生电路

本设计中主要采用单频信号和m 序列随机相位编码信号，在FPGA中产生，通过驱动器输出。在本设计中对FPGA的编程方法作了调整，只要编写出最基本的信号，需要的重复次数由CPU来控制，这样既方便试验，同时与以往测流设备可以兼容使用。

4.4 数据存储电路

在OMAP-L138上设计了一个32GB容量的miniSD卡，用于对原始数据等和处理结果的存储，以便进行数据回放和分析。为此需要在CCS环境下及Linux操作系统下对大容量FAT32文件系统设计，这样非常方便SD卡上数据管理以及其与PC机的兼容数据读写，使得该板具有通用性。由于这方面的资料相对较少，设计有一定的难点。

4.5 RTC电路

RTC电路选用MAXIM公司的一款低成本超高精度实时时钟芯片DS3232，它将晶体和温度补偿均集成在芯片内部，提高了计时精度，甚至部分误差可以小于20秒/一年。该芯片采用I2C接口，挂靠在MSP430单片机的UCB0接口上。endprint

4.6 接口控制电路

接口控制电路主要改进是对CAN2.0接口的修改，采用一种新型低功耗的CAN控制芯片MCP2515，挂靠在SPI串行总线上，解决原来的SAJ1000控制器的接口效率和数据吞吐率低下的缺点，但需要对其驱动程序进行移植。另外增加了隔离电路，具有抗干扰性和防雷特性。

5 软件设计

5.1 MSP430程序设计

根据值班电路的要求，需要对MSP430芯片进行编程。本设计中充分利用MSP430单片机的“片上系统”资源优势，完成RTC程序、SPI总线驱动程序、RS232/RS422串口程序、GPIO控制程序等，从而对系统进行供电电源控制、工作节拍控制以及数据通讯。

5.2 OMAP-L138软件设计

我们已经知道OMAP-L138处理器是双内核结构。本设计中基于Linux操作系统的BSP板级支持软件包，运行在ARM端内核，主要实现bootloader、Linux操作系统的内核移植、根文件系统的创建及各种驱动程序如SD卡设备、CAN接口驱动等。

ARM端主要运行基于Linux系统的非实时软件，而DSP端则运行高强度的实时算法运算。值得一提的是，这两端之间的数据交换是怎样的呢？OMAP-L138芯片在芯片设计时采用的是共享内存的机制，ARM端和DSP端都可以直接访问。它们之间的通讯，我们是利用TI公司提供的双核通信模块DSPLink的软件架构，以及CMem的共享内存分配功能和CodecEngie工程管理，通过DSP端的实时操作系统DSP/BIOS和ARM端的Linux操作系统在通信上实现无缝的链接。

OMAP-L138应用软件由接口软件、控制软件和算法软件三部分组成。其中接口软件完成与值班电路间的接口控制；控制软件根据接收到的指令和参数以及实际测量的航速、海深等参数，控制发射信号脉宽、周期和算法等；算法软件完成相关海底回波信号的判别、提取和多普勒信息的分析，最后给出结果等。总之，整个应用软件比较复杂，是一个有机整体。

6 试验验证与结束语

本文介绍了一种高性能、使用灵活的通用信号处理板，选用基于低功耗处理器和开放式Linux操作系统，保证了自容式ADCP的产品快速更新、成本降低、质量的提高。

该板经过水池试验和湖上试验，工作稳定可靠，功耗极低，证明该板的设计是成功的，为自容式ADCP的产品化通用化提供技术支持和借鉴，同时具有较大的社会效益和经济效益，有很好的推广利用价值。

参考文献

[1]TI，OMAP-L138 Low-Power Applications Processor，www.ti.com，2009.

[2]TI，MSP430F543XA，www.ti.com，2012.

[3]cyclone3_handbook，www.altera.com，2009.

[4]沈斌坚等.国产宽带相控阵声学多普勒海流剖面仪.[j].声学与电子工程，2005.

作者简介

曹永红（1977-），男，江苏省泰州市人。大学本科学历。高工，研究方向为嵌入式系统的软硬件系统设计、海洋仪器的研究设计开发等。

作者单位

1.中国人民解放军海军工程大学电子工程学院 湖北省武汉市 430033

2.杭州应用声学研究所 浙江省杭州市 310023endprint

4.6 接口控制电路

接口控制电路主要改进是对CAN2.0接口的修改，采用一种新型低功耗的CAN控制芯片MCP2515，挂靠在SPI串行总线上，解决原来的SAJ1000控制器的接口效率和数据吞吐率低下的缺点，但需要对其驱动程序进行移植。另外增加了隔离电路，具有抗干扰性和防雷特性。

5 软件设计

5.1 MSP430程序设计

根据值班电路的要求，需要对MSP430芯片进行编程。本设计中充分利用MSP430单片机的“片上系统”资源优势，完成RTC程序、SPI总线驱动程序、RS232/RS422串口程序、GPIO控制程序等，从而对系统进行供电电源控制、工作节拍控制以及数据通讯。

5.2 OMAP-L138软件设计

我们已经知道OMAP-L138处理器是双内核结构。本设计中基于Linux操作系统的BSP板级支持软件包，运行在ARM端内核，主要实现bootloader、Linux操作系统的内核移植、根文件系统的创建及各种驱动程序如SD卡设备、CAN接口驱动等。

ARM端主要运行基于Linux系统的非实时软件，而DSP端则运行高强度的实时算法运算。值得一提的是，这两端之间的数据交换是怎样的呢？OMAP-L138芯片在芯片设计时采用的是共享内存的机制，ARM端和DSP端都可以直接访问。它们之间的通讯，我们是利用TI公司提供的双核通信模块DSPLink的软件架构，以及CMem的共享内存分配功能和CodecEngie工程管理，通过DSP端的实时操作系统DSP/BIOS和ARM端的Linux操作系统在通信上实现无缝的链接。

OMAP-L138应用软件由接口软件、控制软件和算法软件三部分组成。其中接口软件完成与值班电路间的接口控制；控制软件根据接收到的指令和参数以及实际测量的航速、海深等参数，控制发射信号脉宽、周期和算法等；算法软件完成相关海底回波信号的判别、提取和多普勒信息的分析，最后给出结果等。总之，整个应用软件比较复杂，是一个有机整体。

6 试验验证与结束语

本文介绍了一种高性能、使用灵活的通用信号处理板，选用基于低功耗处理器和开放式Linux操作系统，保证了自容式ADCP的产品快速更新、成本降低、质量的提高。

该板经过水池试验和湖上试验，工作稳定可靠，功耗极低，证明该板的设计是成功的，为自容式ADCP的产品化通用化提供技术支持和借鉴，同时具有较大的社会效益和经济效益，有很好的推广利用价值。

参考文献

[1]TI，OMAP-L138 Low-Power Applications Processor，www.ti.com，2009.

[2]TI，MSP430F543XA，www.ti.com，2012.

[3]cyclone3_handbook，www.altera.com，2009.

[4]沈斌坚等.国产宽带相控阵声学多普勒海流剖面仪.[j].声学与电子工程，2005.

作者简介

曹永红（1977-），男，江苏省泰州市人。大学本科学历。高工，研究方向为嵌入式系统的软硬件系统设计、海洋仪器的研究设计开发等。

作者单位

1.中国人民解放军海军工程大学电子工程学院 湖北省武汉市 430033

2.杭州应用声学研究所 浙江省杭州市 310023endprint

4.6 接口控制电路

接口控制电路主要改进是对CAN2.0接口的修改，采用一种新型低功耗的CAN控制芯片MCP2515，挂靠在SPI串行总线上，解决原来的SAJ1000控制器的接口效率和数据吞吐率低下的缺点，但需要对其驱动程序进行移植。另外增加了隔离电路，具有抗干扰性和防雷特性。

5 软件设计

5.1 MSP430程序设计

根据值班电路的要求，需要对MSP430芯片进行编程。本设计中充分利用MSP430单片机的“片上系统”资源优势，完成RTC程序、SPI总线驱动程序、RS232/RS422串口程序、GPIO控制程序等，从而对系统进行供电电源控制、工作节拍控制以及数据通讯。

5.2 OMAP-L138软件设计

我们已经知道OMAP-L138处理器是双内核结构。本设计中基于Linux操作系统的BSP板级支持软件包，运行在ARM端内核，主要实现bootloader、Linux操作系统的内核移植、根文件系统的创建及各种驱动程序如SD卡设备、CAN接口驱动等。

ARM端主要运行基于Linux系统的非实时软件，而DSP端则运行高强度的实时算法运算。值得一提的是，这两端之间的数据交换是怎样的呢？OMAP-L138芯片在芯片设计时采用的是共享内存的机制，ARM端和DSP端都可以直接访问。它们之间的通讯，我们是利用TI公司提供的双核通信模块DSPLink的软件架构，以及CMem的共享内存分配功能和CodecEngie工程管理，通过DSP端的实时操作系统DSP/BIOS和ARM端的Linux操作系统在通信上实现无缝的链接。

OMAP-L138应用软件由接口软件、控制软件和算法软件三部分组成。其中接口软件完成与值班电路间的接口控制；控制软件根据接收到的指令和参数以及实际测量的航速、海深等参数，控制发射信号脉宽、周期和算法等；算法软件完成相关海底回波信号的判别、提取和多普勒信息的分析，最后给出结果等。总之，整个应用软件比较复杂，是一个有机整体。

6 试验验证与结束语

本文介绍了一种高性能、使用灵活的通用信号处理板，选用基于低功耗处理器和开放式Linux操作系统，保证了自容式ADCP的产品快速更新、成本降低、质量的提高。

该板经过水池试验和湖上试验，工作稳定可靠，功耗极低，证明该板的设计是成功的，为自容式ADCP的产品化通用化提供技术支持和借鉴，同时具有较大的社会效益和经济效益，有很好的推广利用价值。

参考文献

[1]TI，OMAP-L138 Low-Power Applications Processor，www.ti.com，2009.

[2]TI，MSP430F543XA，www.ti.com，2012.

[3]cyclone3_handbook，www.altera.com，2009.

[4]沈斌坚等.国产宽带相控阵声学多普勒海流剖面仪.[j].声学与电子工程，2005.

作者简介

曹永红（1977-），男，江苏省泰州市人。大学本科学历。高工，研究方向为嵌入式系统的软硬件系统设计、海洋仪器的研究设计开发等。

作者单位

1.中国人民解放军海军工程大学电子工程学院 湖北省武汉市 430033

2.杭州应用声学研究所 浙江省杭州市 310023endprint