一种基于以太网的分布式同步水声数据采集系统研究*

徐国贵 张永超

(91388部队 湛江 524022)



一种基于以太网的分布式同步水声数据采集系统研究*

徐国贵 张永超

(91388部队 湛江 524022)

论文研究一种以嵌入式微机HT-1150为核心、以ART2153为采集模块的水声数据采集平台。主控计算机为显示控制中心,采用以太网传输技术,通过网络交换机进行数据交换,采集的水声数据还进行压缩处理,并加入时间信息,实现了多通道同步采集、远程控制,数据传输容量大、速度快、实时性强、接收数据同步的水声信号监测特点。

分布式; 同步水声数据采集; 以太网; 嵌入式微机

Class Number TP274.2

1 引言

在舰船辐射噪声的测量中,为得到更加详细的目标辐射噪声,掌握目标特性信息,方法越来越多,在被测量舰船附近布放水听器就是一种进行信号监测的方法[1]。但当进行分布式同步数据采集时,由于采集设备多,且还可能分布在不同的测量船上,对采集的数据无法进行同步,特别是对海量的采集数据无法实现实时传输和显示。本论文研究的是一种基于以太网传输的分布式、同步数据采集实时分析显示系统,该系统采用以太网传输技术进行数据传输[2,4],数据采集平台和显控计算机通过网络交换机进行连接,采集平台以嵌入式微机作为核心、显控中心可远程实时监控各采集平台的工作状况,网络通信采用TCPIP技术[3],水声数据进行压缩和加密处理,实现了数据传输容量大、速度快、实时性强和同步性好的水声信号监测特点。该方法所使用的嵌入式微机为HT-1150工业控制板,采集卡选用由阿尔泰公司生产ART2153采集模块;显控终端由VC++开发的软件进行采集平台的控制、信号的处理及显示[6～7];当采集平台与显控终端不在一条船上时可采用基于802.11协议的微波通信实现[5,8]。

2 分布式监测控制原理

该方法主要由水声数据采集平台、网络交换机、显示控制终端及显示控制软件组成,各水声数据采集平台采用以太网方式与显控终端实现连接,若水声数据采集平台与显控终端不在同一船上时采用微波通信方式进行连接,数据传输采用TCPIP网络技术,确保数据传输稳定。传输的数据采用数据包形式在源节点与目的节点之间传输,数据包包括桢头、帧类型及补码、数据段。数据段数据进行了数据压缩和加密处理,包含该段数据获取时刻的时间信息,时间由软件提供。目的节点根据传递的桢头、帧类型及补码判断传输数据类型,再根据数据类型对数据段进行解码。

图1为工作原理图,当水声数据采集平台与船载显控终端位于同一船上时,直接通过网络交换机进行连接,当不在一条船上时,通过无线电微波通信方式进行连接。水声数据采集平台可根据实际测量要求进行增加,各采集平台通过设定不同IP地址进行识别。船载显控终端通过RS232接口与一GPSBD2定位模块相连,为其提供位置信息和时间信息。水声数据采集平台在收到显控终端的命令后进行相应的操作,并及时将处理结果回复至显控终端,当进行数据采集时将采集的数据进行压缩处理后上传至显控终端;显控终端是人机交互设备,开机后主动与GPSBD2进行时间校准,根据要求向各采集平台下达命令,对上传的信息进行相应处理和显示。显控软件可同时显示所有采集平台上传的水声数据时域图,还可对某个采集平台的数据进行实时FFT分析并显示。

图1 分布式水声采集原理图

3 采集平台硬件设计

3.1 工控机HT-1150及采集卡ART2153介绍

工控机HT-1150模块,它是一种嵌入到机器设备、控制系统、仪器仪表、智能产品、军事装备中的计算机,具有PC104总线接口,CPU为AMD LX800处理器,主频500MHz,板上提供一个笔记本内存插槽,最大支持1G内存,拥有一个高速CF卡插槽和IDE接口,可以方便安装扩展外接存储设备。此外,该主板集成了标准的10/100Mbase-T以太网RJ45接口,还提供了两个RS232串口,四个USB接口。它功耗低、可靠性高、功能强大,具有很高的性能价格比且与标准PC全兼容,采用与标准PC相同的硬件结构、软件操作系统和软件开发平台。

采集系统采用的是阿尔泰公司推出的ART2153模块,它是一款基于PC104总线的数据采集卡,与嵌入式微机HT-1150通过PC104接口连接。该采集卡转换精度16位,单通道采样频率最高可达250kHz,模拟量输入方式有单端模拟输入或双端模拟输入可选,模拟输入阻抗10MΩ,AD转换时间1.25μs,程控增益1、2、4、8倍可设,数据缓存8k。该采集卡运行参数通过与之相连的嵌入式微机运用软件进行初始化设置。

3.2 采集平台设计

该系统所用采集平台主要由水听器、水声采集设备、嵌入式微机、存储设备组成,如图2所示。

图2 信号采集平台结构图

该系统中,为使采集卡拥有高采样率和抗干扰能力,采用单通道、双端差分输入方式,软件触发模式、半满条件下进行读取数据。在嵌入式微机上使用大容量CF卡进行系统的加载、运用程序的运行及数据存储。嵌入式微机上将运行应用软件,完成系统状态查询、采集卡设置、通信协议、数据压缩和数据加密等功能。操作系统采用广泛使用且资源丰富的Windows XP操作系统,节省采集系统软件的开发周期;应用程序采用VC++进行编写。采集平台开机后嵌入式微机将调用以上单元的驱动程序,自动与显控终端进行连接。

4 软件设计

4.1 采集平台软件

嵌入式微机主要完成对显控终端下达指令的处理及向显控终端回传工作信息。应用程序采用VC++6.0进行编写,显控终端下达的指令有采集平状态查询指令,包括存储卡容量查询、采集卡参数查询;存储卡数据清除指令,主要用于清除存储卡内的采集数据;参数设置指令,主要用于设置采集卡的数据采样率、放大倍数等;时间校准设置指令,主要用于将采集平台当前时间校准为显控终端统一下发的时间;开始采集或停止采集指令,主要是使能采集卡开始工作或停止工作。采集平台软件流程图如图3所示。

图3 采集平台软件流程

各采集平台上电后采集卡自动进行初始化设置,通过网络交换机自动与船载终端建立连接,等待船载终端下发指令并进行相应处理。各采集平台在收到显控终端的时间校准命令时统一进行时间校准,同时将结果回复至显控终端;当收到开始采集命令时,系统开始计时,每次上传4096个数据,当系统接收4096个数据时读取当前时间,同时将减去4096个数据所需的时间(即40.96ms)后作为该帧数据的起始时刻,将该时刻连同水声数据一同打包后进行相应压缩处理,之后调用通信协议上传至显控终端。

4.2 显控软件分析

显控终端主要由网络交换设备、GPSBD2定位模块、显控计算机及显控软件组成,显控软件主要完成对各通道采集平台的控制及对接收数据的处理及显示,采用VC++6.0软件进行编写,与各通道采集平台通信基于以太网的TCPIP技术,与各采集平台通信通过线程进行实现,采用双缓冲进行数据读取与处理,对各通道接收数据在解压后,进行时域波形显示及FFT频域处理显示,软件可以同时显示多个通道的时域波形,并可对某个通道波形进行FFT分析并显示;软件可对所有采集平台下达操作命令,也可对指定采集平台下达操作命令。GPSBD2定位模块主要用于对显控计算机进行时间校准。

软件流程如图4所示。船载显控终端开机后,软件运行并进行初始化设置,在GPSBD2定位模块进入导航模式后自动进行时间校准;连接各采集平台后查询各采集平台工作状态,下达操作命令。对各采集平台上传的数据进行处理,根据各采集平台上传采集数据进行解压后根据时间信息进行同步显示,以下达“开始采集”命令时刻为0时刻进行逐步显示。图5为在实验室测试过程中操作软件界面及四个采样平台采集信号显示。

图4 显控软件流程

图5 显控软件界面

4.3 数据传输

该系统所用的数据传输方式采用以太网连接的TCPIP协议,该协议成熟可靠,适用性和通用性强。包括控制指令、回复信息、实时监测数据和原始数据,数据量大,重复周期短,需要进行无差错的传输。浮标通过IP地址来区分网络上的数据包是否属于自己,从而进行相应的接收。网络通信采用Socket编程。其一般的工作流程如图6所示,其中显控终端为服务器端,各采集平台作为客户机端。

图6 TCP工作的流程图

数据传输分上行数据和下行数据,数据传输格式为帧类型及补码、数据长度、数据段,帧类型及补码用于表示不同的命令。

水声数据采用ADPCM数据压缩算法进行数据压缩[9～10]。ADPCM是一种针对16bit声音波形数据的有损压缩算法,它将声音流中每次采样的16bit数据以4bit存储,压缩比为4∶1。ADPCM通过保存波形的变化情况来达到描述整个波形的目的,即ADPCM记录的量化值不是每个采样点的幅值,而是该点的幅值与前一个采样点幅值之差。本采集程序ADPCM压缩算法在基本不影响数据质量的情况下可以有效降低数据量,对于16k个数据点的压缩时间可以控制在几十个毫秒量级,不会影响实时的数据传输。

5 结语

该分布式同步采集及系统分别用了嵌入式微机技术、网络技术,所用的采集模块采集精度高,采样频率宽,采样率高,利用嵌入式微机的软件计时方法实现采集信息的同步;各采集平台与显控终端采集网络进行传输,传输容量大、速度快;并且系统开发周期短,成本相对较低,在海上试验中具有很高的应用价值。

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[4] 田甜,李启虎,王磊.基于虚拟仪器技术的多路水声信号同步采集及处理平台设计[J].应用声学,2011,30(4):314-320.

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[10] 陈溯.ADPCM语音压缩编码的分析与仿真[J].中国西部科技,2008,7(32):51-53.

Distributed Synchronous Underwater Acoustic Data Acquisition System Based on Ethernet

XU Guogui ZHANG Yongchao

(No. 91388 Troops of PLA, Zhanjiang 524022)

The paper studies a kind of underwater acoustic data acquisition platform based on buoy, that embedded microcomputer HT-1150 as the core and ART2153 as acquisition module. The master computer for signal display and control center, using microwave communication transmission and Ethernet technology, through a network switch for data exchange, the acquired data has been compressed and put in the precise time information before transmission. Ths system can realize the multi-channel synchronous acquisition, remote control, large capacity、high speed data transmission, strong real-time performance, receiving data synchronization characteristics of underwater acoustic signal monitoring.

distributed, underwater acoustic data synchronal sampling, Ethernet, embedded microprocessor

2015年3月7日,

2015年4月27日

徐国贵,男,工程师,研究方向:水声信号处理。张永超,男,硕士,助理工程师,研究方向:水声信号处理。

TP274.2

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.09.039