基于DP83640同步以太网模式的深海探测系统∗

晁大海 范业明

（海军驻大连地区军事代表室 大连 116013）

1 引言

在国家加快深远海试验场建设过程中，深海探测系统的使用对于大力发展水下探测，对提高海洋综合感知能力起到了非常重要的作用［1］。其中，多台探测装置同步实时采集探测信息对于数据挖掘、数据分析有效性起到非常重要的作用［2］。据调查，目前多台深海探测装置同时开始采集工作一段时间后，都会存在所有探测装置中采集卡采样时钟有偏差，导致后期数据处理中不同采集卡所采集的数据同一时间点存在不同采样值，做频谱分析后会出现误差累加增加［3］。基于此，解决所有水下探测设备工作时钟同步性对于后期数据分析的准确性、稳定性、及时发现探测目标具有重要意义［4］。

2 总体技术方案

如图1所示，本次深海探测系统主要分为四部分，具体组成内容如下。

1）中央处理单元。该装置主要通过STM32处理器控制监测模块采集数据，并将采集到的数据通过485通信控制器传输到海面趸船的上位机中。

2）监测模块。实现水下不同传输协议传感器组的数据采集，完成各种模拟量的采集。

3）时钟同步模块。负责外部时钟对本地参考时钟提供激励。本地参考时钟成为监测模块中所有时钟的核心。从接收的以太网包数据流中恢复接收时钟，并锁定到对接点中发送时钟。

4）数据收发单元。利用485控制芯片，实现水下探测装置与趸船监测中心的数据通信［5］。

5）趸船监测中心。利用水面趸船监测中心对水下探测装置发送来的数据进行接收、解析、显示处理。

图1 总体方案框图

系统实际工作中，将监测传感器组集成到水下探测装置上，监测节点本地时钟被时钟同步模块（DP83640）处理后，提供给监测模块采集时钟，监测模块将采集到的数据传输至中央处理器，经STM32处理器处理后通过485控制器传输至水面趸船的计算机进行处理和显示［6］。整个系统工作示意图如图2所示。

图2 系统工作示意图

3 硬件设计

如图3所示，整个深海探测控制系统主要由深海探测装置、脐带缆（含数据线）、岸站接收端组成。深海探测装置又由深海探测传感器组、动力装置、水下电子舱组成。深海探测传感器组搭载在深海探测装置上，用于完成环境信息、设备自身运行姿态、温深信息的采集，动力装置用于保证深海探测装置动力。水下电子舱主要由控制单元、电源转换模块、时钟同步模块组成［7］。控制单元作用是实现水下环境信息、温深信息、设备姿态信息采集、采集后数据处理、数据传输等深海探测装置控制操作［8］。脐带缆一端通过水下连接器与深海探测设备内电子舱连接，脐带缆的另一端连接岸站中心，通过脐带缆将采集的水下环境数据、温深信息、设备姿态信息发送到岸站中心进行数据处理［9］。除此之外，脐带缆还为水下传感器组、水下电子舱内的电路板、485控制器提供工作电压［10］。

图3 系统硬件结构图

作为时钟同步模块中重要的组成单元，DP83640具有几个内部时钟，包括本地参考时钟，一个以太网接收时钟和一个PTP时钟信号源。同时还包括一个内部的PTP数字计数器，以及可以控制数字计数器和PTP时钟速的逻辑单元。外部时钟对本地参考时钟提供了激励。本地参考时钟成为时钟的核心［11］。从接收的以太网包数据流中恢复接收时钟，并锁定到对接点中发送时钟。在正常工作时，利用IEEE1588 PTP包从器件PTP时钟与主器件中的PTP时钟和计数器相匹配。使能同步以太网模式时，将PTP时钟、数字计数器、PTP速率调节单元的控制从本地参考时钟切换到已经恢复的接收时钟上［12］。这种工作模式将从系统的PTP时钟和计数器锁定到主时钟PTP时钟和计数器，系统同步精确性会显著增加［13］，如图5所示。

图4 深海探测装置设计图

图7 在点对点网络拓扑中同步以太网模式使能的DP83640的工作框图

4 系统的同步测试

在系统的同步特性测试中，比较主时钟与从信号的相应同步信号之间的时间延迟。将系统的主从信号连接到示波器的输入端，主信号作为触发信号进行同步特性测试。实验中，将两个DP83640板分别用作主从器件来进行测量［14］，如图6所示，采用1米超5类网络电缆进行连接，使用Analog LaunchPAD软件对测试板进行测定，USB口主要用于MDIO功能的测试［15］。

5 测试结果分析

图7 电缆时域反射晶振发送端和接收端阻抗特性

图7是电缆时域反射晶振发射端和接收端阻抗特性，发射一次50ns正脉冲，看其在发射端和接收端的响应，测试电缆的阻抗特性。如图8所示，将图放大，可以看出，脉冲都是在56ns处下降，在64ns处到达底部，说明两者时钟已经同步。

图8 TDR晶振Tx和Rx结果比较

图9 系统同步特性测试现场图

6 结语

本文详细介绍了基于DP83640同步以太网模式的深海探测控制系统构成、总体技术方案、实际验证过程。其中，根据实际应用需求对采样率要求很高的数据采集装置，在使用了同步以太网模式得到的结果其精确度可以达到纳秒级。因此，说明基于DP83640的同步以太网模式对本地数据采集卡的时钟同步起到保障作用，对从系统与本地参考时钟的不稳定现状起到校准作用。