基于FPGA的多波束测深仪信号采集

唐伟杰

（第七一五研究所，杭州，310023）

基于FPGA的多波束测深仪信号采集

唐伟杰

（第七一五研究所，杭州，310023）

针对浅海多波束测深仪的特点，设计以Cyclone III系列的FPGA结合TI的ADS8568模数转换芯片为核心的多通道数据采集电路系统，该电路实现了采样频率260 kHz、128路全通道的同步数据采集。实验测试表明，文中设计的基于FPGA信号采集电路实现了设计要求、工作稳定可靠，并应用于浅海多波束测深仪项目，具有实际工程应用价值。

多波束测深仪；FPGA；信号采集；多通道

作为主动声呐设备，浅海多波束测深仪是广泛使用的海底地形地貌探测仪器之一，其发射基阵主动发射水声信号，经由水下传播及反射等途径，接收基阵接收其回波信号［1］。信号采集系统是多波束测深仪中必不可少的一部分，是影响设备测深精度等性能指标的关键因素之一。多波束测深仪待采集信号来源于128路接收换能器基阵单元，信号来源较多。考虑到FPGA器件的高集成度、丰富的片内资源以及十分适合并行处理多路数据等特点，文中运用现场可编程逻辑阵列（FPGA）+多通道16位低噪声的模数转换器（ADC）设计方案，满足系统多通道、实时性、同步性和小型化的设计要求。

1 多波束测深原理

多波束测深仪利用声波探测海底，通过测得发射与接收的时间差，以及已知水中的声速，计算出水深［2］。多波束测深仪具有多达128个信号通道，经信号处理形成256个测深波束，一次测量能覆盖较宽区域，提高了地形测绘效率。

多波束测深仪的发射和接收换能器具有一定的指向性，形成互相正交的扇面，收发指向性的乘积即为测深的波束角，其原理如图1所示。

图1 多波束测深原理

发射基阵换能器单元将电信号转换为声信号，辐射至海底形成条形区域，即为发射波束，接收基阵将海底的回波水声信号转换为电信号，空间滤波形成与发射波束垂直的多个波束，即为接收波束。发射接收结合，一次海底扫描即可得到多个不同位置的深度数据。

2 硬件设计

2.1 总体功能与结构

采集系统主要任务是对128通道的水声信号进行同步的模数转换，转换成数字信号数据流后进行整理、打包，把数据送至信号预处理部分进行处理，处理完成后通过网络接口上传至上位机进一步数字信号处理。同时，由LED灯实时指示采集系统的运行状态。采集系统的功能框图如图2所示。

图2 采集系统的功能框图

2.2 芯片选型

多波束测深仪具有128个接收基阵单元，其采集硬件放置在水下基阵舱内，受限于空间体积、功耗等，芯片选型遵循小型化、低功耗、低噪声等原则，综合通道数、采样率、功耗等考虑选择TI公司的8通道芯片ADS8568及Altera公司FPGA主控芯片EP3C120。系统电路原理图设计完成，最终PCB布局布线尺寸约为120 mm×250 mm，正好放置于基阵舱内。

采集ADC芯片为TI公司的ADS8568，该芯片具有的特性为：采样频率最大510 kHz（并行），数据输出格式为16位有符号数，8通道，信号单端输入。AVDD：4.5～5.5 V；DVDD：2.7～5.5 V；HVDD：5～16.5 V；HVSS：-16.5～-5 V；SNR：91.5 dB；THD：-94 dB。

FPGA芯片选用的Altera公司的Cyclone III系列的EP3C120型号，芯片内部具有119k的逻辑单元，288个18 bit×18 bit的乘法器以及4个PLL模块，片内RAM达到3.88 kbit，其I/O接口多达596个，具备足够的片内资源［3］。FPGA的运用，在很大程度上简化了系统硬件结构。

2.3 多通道控制设计

在本系统中，多波束测深仪的接收机共有128个接收基阵单元，每片ADS8568具有8个通道，共需要16个芯片。对应多通道的应用，芯片手册提供菊花链的扩展连接模式。尽管此方法可以节约FPGA的IO口资源，但在实际应用中增加了布线的难度，而且也容易引入干扰，造成时序上的跳变。综合考虑后，采用一组SPI控制线上挂载4片ADS8568，共4组SPI信号，在FPGA内部由同一ADC控制逻辑例化产生，实现多通道采集控制，其连接框图如图3所示。

图3 多通道ADC采集控制

2.4 同步采集

在多波束测深仪中，共有128个接收基阵单元，而每个ADC内含有8个通道，共需要16个ADC芯片。信号处理中，由于对信号的相位信息有一定的要求，因而多通道的同步数据采集是重要问题。为保证数据同步采集，采取如下方法：第一，ADC的时钟信号和控制信号，来源于同一个时钟源。第二，PCB布板布线时，尽量保证等长线。第三，每片ADC芯片的BUSY信号在逻辑上或运算，作为数据读取的使能信号，等待全部通道模数转换完成。

3 软件设计

本文的程序设计是基于FPGA芯片为硬件平台，主要包括采集控制逻辑模块、FIFO控制模块以及数据整理模块等部分。系统是以Altera公司FPGA的Cyclone系列EP3C120为主控芯片，多通道的采集控制软件运行其中。运用Verilog硬件语言+IP核的编程方式，在Altera的专用Quartus II编程环境下，编译生成目标代码，烧写至FPGA的配置芯片FLASH中。

当系统上电时，FPGA内部固有引导程序从FLASH中将目标代码加载至FPGA内部，系统软件程序开始执行；当系统掉电时，FPGA内部恢复空白的可编程状态，以便程序的修改和升级；这样，实现FPGA可编程的灵活性［4］。

3.1 采集控制逻辑

图4 AD采集控制时序

ADS8568的转换控制逻辑流程如下：

（1）由转换信号CONVST给出系统的采样频率260 kHz，控制ADS8568的8个通道同步采集，ADC在转换信号CONVST的上升沿时刻启动模数转换，保持高电平一定时间，转换信号拉低以便启动下一次模数转换。

（2）在转换信号CONVST启动模数转换后，忙信号BUSY自动拉高，模数开始转换，待该信号自动拉低时，指示模数转换完成，即给出控制信号开始读取数据。

3.2 采集控制软件

采集控制的FPGA芯片外部输入时钟为50 MHz，而模拟信号采样频率为260 kHz，由锁相环PLL对系统主频时钟50 MHz进行分频得到采样时钟。FPGA程序的核心模块为采集控制逻辑，在完成ADC芯片的初始化配置之后，根据3.1节中的转换控制逻辑设计，采集系统的主控逻辑采用状态机的编程方式，如图5所示。状态机的各状态设计如下：

（1）AD_START：判断AD是否进入工作状态。

（2）AD_WORK：给出CONVST信号，AD启动转换。

（3）AD_WAIT：AD待机，处于低功耗状态。

（4）AD_BUSY：AD模数转换中，等待转换完成，BUSY信号拉低。

（6）READ_CH1-8：结合上一状态，按顺序读取各通道数据。待全部读完，返回判断是否进行下一次转换。

图5 采集控制状态机

4 实验验证

在完成硬件电路调试及软件程序编写之后，对多波束测深仪的采集电路进行相应的测试。测试设备及环境包括：安捷伦信号源32350A及电源E3631A各一台、PC机一台及PC端数据记录软件等。测试时，为方便实时观测，在1～32通道和65～112通道同时加载正弦信号196 kHz、峰峰值500 mV和1V，其余通道空载状态。图6即为PC机上数据记录界面，从图中可以清楚的看出，对应数据按通道排开，在1～32及65～112通道上示意出接收数据幅度归一化值，以初步判断各通道数据是否正常。

图6 PC机数据记录软件界面

数据接收记录成文件，并导入至MATLAB中进行相关的分析。文中截取第二个通道数据进行分析，其时域的波形如图7 所示：（a）模拟端加载峰峰值500 mV正弦信号，（b）加载峰峰值1 V正弦信号。从理论上计算，ADC转换芯片的参考电平峰值为5 V，图7（a）加载至模拟通道上的正弦信号单峰值250 mV，数据输出格式为16位有符号数，则理论上最大数字量为0.25 V×（32768/5 V）=1 638。根据图7（a）中时域正弦信号的单峰值可以看出数字量在1 700左右。由于信号源模拟信号量存在小幅误差，因此该值与理论计算符合一致。同时比较图7（a）和（b），两次的采集数字量为2倍关系、同相位，符合理论值。

同时，当数字采集电路全部模拟128路通道加载196 kHz、峰峰值500 mV正弦信号，并进行长时间拷机实验，采集电路工作状态正常，读取安捷伦电源E3631A上的电流数值为1 A左右，电源电压5 V，根据功耗为电压乘以电流的关系，可以计算得到功耗为1 A×5 V=5 W左右。

图7 不同输入幅值情况下通道2的时域波形

5 结论

文中设计了基于FPGA的多通道数据采集控制电路系统，充分运用了FPGA可编程的灵活性，具有结构简单、易于控制、小型化、低功耗等特点。经过相关验证测试，该采集系统各通道数据采集正确、工作稳定可靠，并应用于多波束测深仪项目，对国产多波束的小型化实现具有实际工程应用价值。

同时，结合FPGA丰富的资源及并行处理能力，后续可以考虑承担波束形成、滤波等相关信号处理算法，以减轻信号处理机的负担，更有利于系统的集成化。

［1］李家彪.多波束勘测原理技术与方法［M］.北京: 海洋出版社，1999: 2-10.

［2］冯森.便携式多波束测深系统信号采集与控制平台［D］.哈尔滨工程大学，2013.

［3］Altera Corporation.Cyclone III Device Handbook［Z］2009:3-10.

［4］吴厚航.FPGA设计实战演练.［M］.北京:清华大学出版社，2015:3-10.

图6 10个被动声呐节点位置优化后的探测覆盖范围及探测概率分布

3 结论

基于被动声呐节点的配置优化仿真分析结果表明，以信号余量为基础的探测覆盖范围、探测概率可以较好地反映区域水声系统的探测能力；采用最快上升法对多节点优化问题，可大大减小配置优化运算量；和单节点独立检测相比，被动联合探测可增大探测覆盖范围、提高探测概率。为后续大范围、多类型声呐节点的区域配置优化方法研究奠定基础。

参考文献：

［1］刘伯胜，雷家煜.水声学原理［M］.哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社，2006

［2］Ocean Engineering at Florida Atlantic University［EB/OL］.［2016-05-05］.http://www.oe.fau.edu/research/ ams.html，2010.

［3］PATRICK N NGATCHOU.Multiobjective multistatic sonar sensor placement［C］.2006 IEEE Congress on Evolutionary Computations，2006.

［4］ERDINC OZGUR，WILLETT PETER.Multistatic sensor placement: a Tracking approach.information fusion［C］.ICIF 2006.9th International Conference，2006.

［5］何友，王国宏，陆大金，等.多传感器信息融合及应用［M］.北京: 电子工业出版社，2000.