基于ARM的船舶水声浮标系统嵌入式应用

文/张磊磊

利用优化水声信号的采集手段提高鱼群定位精度能够帮助大型渔船提高出海捕捞的效率，对于潜艇水下作业来说，提高水声信号的采集分析精度能够帮助潜艇操作者准确完成作业任务，同样，对于远洋运输来说水生信号的采集精度同样具有重要的意义。因此，人们开始寻求能够提高信号采集精度的技术方法，通过实践应用我们发现机遇ARM的船舶水声浮标系统嵌入式应用这一技术手段在保证精度的同时，体现了该技术实用性强、可靠性高、抗干扰能力强等特点，因此这一技术也被广泛应用于船舶系统中，以保证船舶出航的实际需求。

1 国内外船舶水声浮标技术发展现状

目前我国国内外常用的浮标种类有两种：

（1）锚泊浮标；

（2）漂流浮标。

无论何种浮标都在军用、民用等领域有着广泛的应用，同时也为科学研究与海洋勘探提供足够详实的数据资料，因此世界上各个国家都积极地对船舶水声浮标技术进行了深入的研究。目前国际有关组织计划在全球海洋上逐步布放大量的Argo浮标，这种浮标具有自沉浮剖面探测功能，能够对海洋实时情况进行观测，其运转流程为先在海洋表面漂浮一定时间后，主动下沉到一定深度并保持一定时间，然后在上浮到海面上，这个过程是不断重复的，并以电池能量耗尽为终止。数据的上传时间集中在该浮标停留在海面的实践，用户可以通过互联网下载浮标采集的资料，一般来说这种浮标的工作寿命能够保持在两年以上。目前我国已经在南海海域布放了四个Argo浮标。随着对水声浮标技术研究的不断加深，国外企业逐渐研究出了L55轻型浮标、博尔姆锚泊浮标、Seswatch海洋实时观测系统。

近几年，我国浮标技术开发人员在水声浮标技术中融入了计算机技术与无限代技术，从而促使我国海洋环境预报技术的飞速发展。我国国家海洋技术中心研制实时传输海洋漂浮系统等技术更是能够实现深海数据的传输，填补了我国技术上的空白。并且我国很多高校也针对浮标系统进行了一系列的研究，比如哈尔滨工程大学研制的水下目标跟踪定位系统，有效提高了数据的采集精度。目前，为了进一步提高浮标的各项性能，研究人员开始对基于ARM的水声浮标的嵌入式设计开展了一系列的研究。

2 基于ARM的船舶水声浮标系统嵌入式设计

2.1 结构设计

由于浮标标体长期浸泡在海水中，而海水本身含有较高的盐分，所以提高浮标标体的耐腐蚀性对于提高浮标的寿命有着重要的意义。所以在浮标结构设计的过程中，应该采取能够抗腐蚀性能良好的材料将水声浮标GPS天线、无线信号天线、电子仓等构件包裹起来，避免受到海水的侵蚀。并且也要选择能被信号穿透的抗腐蚀材料。

由于设备在海洋中往往处于不断震动的状态，如果浮标震动幅度过大，往往会影响信号的采集精度，并降低设备的稳定性。所以我们需要通过确定标体固有转动惯量、标体质量、标体质心高度等参数计算浮标横向运动周期、横向摇摆频率、横向摇摆运动特征，随后技术人员可以通过跳着这几个参数的数值来控制浮标结构的运动特征。

2.2 信号调理电路设计

由于电路系统与电子元件是水声浮标功能实现的重要组成部分，所以技术人员在设计开发过程中应该对信号调理电路进行优化与完善，主要需要考虑系统中电阻电容值匹配情况以及功率损耗情况，并且需要通过设计让电流具有信号放大、过滤噪声等功能。

（1）在电路设计中应该为信号放大器预留位置，并将信号放大器放在电路前端，以起到提高声波信号信噪比的作用。

（2）需要让直流偏置通过利用浮标信号接收器的电容特性的方式得到抵消。

（3）需要通过设置带通滤波器的方法让信号经过处理后输出稳定的差分信号，并将差分信号转入数模转换器。

这样，信号调理电路就能够对水声信号进行降噪、放大、滤波以及差分输出等功能。

2.3 水听器设计

水听器位于浮标标体电子舱内，起着声电转换的作用，能够将收集到的声波信号转换为可供传输的电信号，转换后的信号能够被信号调理器识别。一般来说，会采用压电陶瓷作为水听器的主要材料。其原理为陶瓷内部会由于陶瓷受力导致正负电荷出现极化现象和相对位移，从而进一步导致材料两端出现相反电荷。提高陶瓷应力敏感性则是提高水听器精确性的主要措施。

2.4 基于ARM的船舶水声浮标系统嵌入式程序设计

在实际应用中我们发现ARM技术的应用能够有效提高船舶水声浮标系统的自动化水平，因此本节基于水生浮标所采用的硬件电路以及ARM处理器，对其自动化程序进行了分析和讨论。

ARM处理器具有性能强、功耗小的特点，并且同时支持16位指令集合和32为指令集合，由于处理器内部将大量的数据寄存器集成起来，因此该处理器具有寻址灵活、运行速度快、执行效率高的特点。一般来说，采用ARM处理器的船舶水声浮标系统具有以下几个模块：

（1）系统时钟模块。在收集信息的过程中，除了要保证信号的采集准确性，还需要通过确定采集信号时间的方式提高数据存储单元的规律性。目前技术人员常使用采集时间作为保存水声信号文件夹的名称，为后续数据调取分析工作提供便利条件。在设计过程中建议使用基于CMOS工艺的时钟系统。

（2）数据采集程序，程序设计对于软件功能来说有着重要的以，并且也在很大程度上决定着系统的整体性能。因此在编写数据采集程序的过程中需要实现数据写入存储器、A/D转换数据的读取等功能。在设计汇总建议施工用DMA数据传输方式，并采用4位总线连接的存储器。

（3）数据存储程序，通过在架构中内置FatFs文件系统，使得ARM处理器加工具备了跨平台移植性，让软件可以在ARM、AVR、PLC嵌入式系统中运行。另外，这种文件系统还能实现数据存储器的直接访问，因此该技术执行过程中不需要实现访问FDT表和FAT文件分配表的过程，从而有效提高了运行效率。

通过在实践应用中对基于ARM的船舶水声浮标系统进行测试，发现该系统的水听器灵敏度、等效噪声、相位一致性、系统功耗等方面均能达到实践要求，并能够证明该系统具有一定的可靠性和稳定性，能够为生产提供详细准确的数据，也能为科研工作的开展提供一定的助力，并且浮标系统布放与回收工作简单便捷，各项成本较低，是一种值得推广的技术。

3 总结

水声浮标系统作为促进我国海洋科学研究的重要设备，其研发水平和精度水平对于我国海洋事业发展有着重要的意义。所以我们应该积极研究能够提高水声浮标信息采集精确度的方法。因此本文通过研究发现基于ARM的船舶水声浮标系统嵌入式设计与应用技术能够有效提高水生浮标的信息采集精确度，并降低技术成本。因此，在未来的水生浮标技术研究过程中，我们仍然需要对基于ARM的船舶水声浮标系统进行深度的剖析，从而进一步优化该技术的设计方案，提出精度更高、稳定性更好的水生浮标系统。