基于单片机和DSP的轻便式声电检测仪的设计*

赵 珩 马 一

(91388部队94分队 湛江 524022)



基于单片机和DSP的轻便式声电检测仪的设计*

赵 珩 马 一

(91388部队94分队 湛江 524022)

为了使长基线系统应答器在日常维护和下水工作前,能够快速完成技术状态检测,设计开发一款基于MSP430系列单片机和DSP VC5509A的嵌入式系统。该系统利用单片机完成对整个系统的控制和电检测功能,DSP完成声检测功能,实现对长基线应答器快速准确地声学和电学信号检测。经过测试使用,证明该检测仪可以完成原来由许多套仪器配合完成的检测步骤,提高了应答器维护检测的效率,有效的缩短了应答器故障排查和维修时间。

单片机; DSP; 嵌入式系统; 声电检测仪

Class Number TP368.1

1 引言

长基线系统的应答器是长基线系统重要的组成部分,应答器功能的完好与否对长基线系统工作性能起着至关重要的作用,因此,在日常维护保养中掌握应答器的技术性能,在入水工作前对应答器的技术状态进行快速的检测,成为保证长基线系统能正常、稳定工作的必不可少的环节。

针对实际应用需求,设计并开发了一款基于MSP430系列单片机和DSP TMS320VC5509A的嵌入式系统,能够方便、快捷地对长基线应答器进行技术状态和声电功能的检测,快速的判定故障位置,有效的缩短了工作现场排除故障的时间。

2 硬件设计

轻便式声电检测仪系统的硬件组成及功能实现如图1所示,图中清晰描绘了该系统主要实现的两部分的功能:声信号检测和电信号检测。

电检测功能实现较为简单,用串口线连接应答器和串口0,MCU通过串口1完成对液晶触摸屏的操作控制,根据液晶触摸屏下达的指令,MCU通过软件处理后,将相应指令信息通过串口0发送给应答器,来观测应答器做出的响应或接收来自应答器的回复信息,并将信息显示在液晶屏上。

声检测功能实现较电检测繁杂一些,MCU通过串口1获取液晶触摸屏的操作指令,经过软件程序处理将指令信息通过I2C总线发送给DSP,DSP根据接收到的指令信息生成软件编码信号,通过McBSP1模块发给DA,DA转换后经过滤波放大电路的调理,用水听器发射出去;通过水听器接收被测应答器的声信号,经过滤波放大电路的调理,由DSP的McBSP0模块控制AD,逐点对滤波信号进行采样,采样数据在DSP内经过检测算法解算出结果,通过I2C总线发送给MCU,MCU将收到的检测数据显示在液晶屏上;接收控制McBSP0和发射控制McBSP1为分时工作。

为了使系统轻便、小巧,并降低对使用环境的要求,系统采用锂电池供电,使其可以在多种工作场所使用,这就对系统的控制核心MCU和信号处理核心DSP的选取提出了严格的要求,具有超低的功耗、强大的处理能力、稳定的工作性能成为综合考察核心芯片性能的首要条件。这里选用16位超低功耗的MSP430F5438芯片作为控制核心,其拥有最高主频25MHz,256K的内部Flash,4个USCI接口;DSP选取TMS320VC5509A,其拥有最高200MHz的主频,1个I2C接口和3个McBSP接口,这两款核心芯片能够理想的实现本系统所需的功能和性能指标。

1) 信号发射电路设计

信号发射电路的一个核心是DA转换芯片,这里选用双12位电压输出数模转换器TLV5638来完成信号的数模转换,该芯片具有稳定性高、体积小、供电电压低、功耗较小的特点,适用于电池供电的便携式系统。其与DSP的电路连接如图2所示,DSP McBSP1的FSX1、CLKX1引脚分别向DA的CS、SCLK输出200KHz的采样帧同步信号和10MHz的时钟信号。

由于系统仅需一路信号输出,所以在实际使用中,TLV5638的输出设置为0X4000,即OUTB为信号输出端,转换信号通过滤波放大电路调理成标准的正弦波脉冲信号。

图2 DSP与DA电路连接图

2) 信号接收电路设计

声信号的采集是信号的接收检测过程的前提,本系统接收信号的模数转换采用16位分辨率的ADS8320E芯片来完成,该芯片不仅具有速度快、精度高,而且供电电压低、体积小、功耗小,非常适用于电池供电的便携式系统。其与DSP的电路连接如图3所示,AD信号输入采用单端输入方式,DSP McBSP0的FSX0、CLKX0引脚分别向AD的CS、SCLK输出100KHz的采样帧同步信号和2.4MHz的时钟信号。

图3 DSP与AD电路连接图

3) DSP和MCU、液晶触摸屏的通信电路设计

作为实现了整个系统人机交互功能的主体,MCU在DSP和液晶触摸屏之间同时起着桥梁和控制作用,三者的电路连接如图4所示。DSP和MCU之间采用典型的I2C总线模式,完成二者之间数据的传输,MCU和液晶触摸屏之间采用典型的RS-232接口通信模式,实现MCU对触摸屏操作的控制、界面信息的获取和检测结果的显示。

图4 DSP与MCU I2C连接图(1为RS-232串口)

4) 宽带滤波器设计

系统在信号接收和发射中对信号进行的滤波处理,涉及的频带较宽,且两个逆过程中对信号的增益处理不尽相同。发射信号的滤波电路需要处理后的信号较之前有一定的放大,才能保证发射的信号能够被被检应答器检测到,在滤波电路最后加一级射随来实现;由于应答器的发射声源级较大,且接收水听器的接收距离较近,故该接收端滤波电路采用通带内无增益设计。

巴特沃斯型滤波器有着在通频带内频率响应曲线最平滑和振幅对角频率单调下降的特性,根据式(1)巴特沃斯型低通滤波器传递函数,通过低通-带通的频率变换关系求出所需的巴特沃斯型带通滤波器传递函数。

(1)

其中,N为滤波器的阶数,fc为低通滤波器3dB截止频率,f/fc为归一化频率,pk为归一化极点,则H(p)称为归一化传递函数。

再利用Filter Solutions 2011滤波器设计软件仿真设计Sallen Key结构的有源4阶带通滤波器,设计电路和频率响应如图5、图6所示。图6中的滤波器频率响应,说明该滤波电路的通带可以满足f1～f2KHz的宽带信号范围,并且在上下端截止频率处有明显的3dB衰减,通带内基本无增益。

图5 滤波器设计电路

图6 滤波器频率响应

系统中采用ADS8542ARM来实现4阶有源滤波功能,该芯片的低电压供电、1MHz的带宽、高增益等性能,既满足本系统滤波电路的性能,也适合系统电池供电的要求。

3 软件设计

本系统两部分软件均用用C语言编写,电检测流程图如图7所示,声检测流程如图8所示。

由于应答器的信号体制多为单频CW脉冲,因此信号处理中采用自适应NOTCH滤波和VIFD检测来实现对声信号逐点处理。本系统中采用双通道的NOTCH滤波器和VIFD检测器来完成接收信号的检测和处理,其中通道一负责单频回复信号和指令信号频率1的检测,通道二仅负责指令信号频率2的检测。单频回复信号的检测流程如图9,指令信号的检测在图9基础上只判断脉冲信号的前沿,从而提高检测的时效性。

4 系统功能测试

系统样机经多次测试和使用,能够很好的完成声电指令对应答器“自检”、“释放”、“开机”和“待机”功能的检测,同时能够成功检测出应答器响应除“自检”外的功能后回复的指令信息,但由于设计中双通道信号检测的限制,还无法实现通过声检测解算出应答器“自检”信息的功能。

图7 电检测流程

图8 声检测流程

在CCS软件平台下运行声信号接收检测程序,采用100Hz带宽的NOTCH滤波器对应答器应答回复信号进行检测,检测出的采样数字信号和其信号包络如图10所示,应答信号检测数据表如表1所示。

图9 单频回复信号检测流程(1为统计连续过门限次数和包络幅度)

信号频率(Hz)信号脉宽(ms)检测频率(Hz)检测幅度(mv)检测脉宽(ms)9250109190215111916021511191912151129286215111922621511191792151129245215111931721511192812151119274215111

图10中展示出完美的信号包络证明水声信号的接收检测软件可以有效地检测出应答器应答回复信号。通过对完整包络的进一步解析,我们可以得到被检信号频率、幅度和脉宽,表1中10次声检测得出的的信号频率与被检频率的偏差基本控制在100Hz以内,检测幅度完全一致,检测脉宽基本一致,但比信号脉宽稍宽。经分析是由于应答器信号源级较大,和接收水听器在水桶等较小的空间范围内时,使得接收信号出现拖尾,造成脉宽被拉长。

经过多次时效性测试,从点击触摸屏界面按键开始到听见声信号发射,和听到应答器回复信号到液晶屏显示出检测结果基本都是同步响应,一次完整且有效的检测程序从按键到结果显示基本都在10秒左右完成,这很好地实现了快速检测应答器,验证应答器工作性能的要求。

图10 应答器应答回复信号的包络和采样数字信号

5 结语

本系统是针对长基线系统应答器的日常维护保养和为保证长基线系统正常工作,在应答器下水工作前快速检测技术状态的需要而研制开发的,在实际工作中,不仅方便了维护人员,简化了他们的工作程序,也使得维护人员能够通过实时检测结果,及时发现故障所在、判断故障原因,缩短了应答器故障排查时间。

鉴于本系统在使用中暴露的“声自检”信息无法解算的不完善之处,在后续研究改进中,可以通过扩充声信号检测通道的方法,实现对应答器声“自检”信息的解算,从真正意义上完善轻便式声电检测仪的声电一体化检测能力。

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Portable Instrument for Detecting Acoustics and Electrics Signal Design Base on MCU and DSP

ZHAO Heng MA Yi

(Unit 94, No. 91388 Troops of PLA, Zhanjiang 524022)

In order to quickly detect technology state of the responder of long baseline system in daily maintenance and before subaqueous work, an embedded system is designed and exploited base on MCU of MSP430 series and DSP VC5509A. The system uses MCU to control whole system and dectect electrics signal, the function of DSP is to dectect acoustics signal. The whole system can quickly and ture detect acoustics signal and electrics signal of the responder of long baseline system. This detecting instrument is tested and used. It’s proven that it can accomplish detection steps which are accomplished by originally many instrument together, advance efficiency of maintenance and dectecting responder, shorten effectively time which is used to troubleshoot and maintain responder trouble.

MCU, DSP, built-in system, instrument for detecting acoustics and electrics signal

2014年10月21日,

2014年11月30日

赵珩,男,工程师,研究方向:水声信号处理。马一,男,助理工程师,研究方向:水声信号处理。

TP368.1

10.3969/j.issn1672-9730.2015.04.045