多通道可重构水声信号采集模块设计

赵晶晶，杜天为，祝萌作，许 乔，王旭光

(湖北大学 计算机与信息工程学院，湖北 武汉 430062)

0 引 言

随着人类对海洋资源的大力开发以及声纳技术的迅速发展，各类水声数据采集传输系统逐渐在水下通信、海洋资源勘探、海底隧道建设、水中目标远程探测等领域得到了广泛的应用[1]。由于海水介质信道复杂、信号衰减严重并受环境影响明显等原因，水声数据采集工作就显得尤为关键[2,3]。近几年来，国内的水下探测技术取得了显著进步，在许多关键技术上实现了一定的突破。文献[4]提出了一种基于FPGA的多通道水声信号采集系统，实现了18位的数字采样，采样时钟由FPGA提供；文献[5]设计了一种用于声纳水下多通道数据采集的电路模块，分别使用ADS1278和BF537作为模数转换芯片和主控芯片，最大采样率为32 kSPS，系统同步采用RS485传输时钟与同步脉冲的方式；文献[6]提出了一种基于Zynq-7000的水声信号采集存储系统，实现了16位采集精度；文献[7]设计实现了一种基于ARM芯片的单通道低功耗海洋声信号高速数据采集系统，并且集成了温度传感器、压力传感器和同步模块，最高采样率50 kSPS；文献[8,9]都以FPGA为控制核心，分别设计了针对电容式声压传感器阵列信号和低频水声信号探测的数据采集存储系统，采样率10 kSPS，采集精度为16位。

上述典型设计与国外先进技术相比，仍然存在系统架构及连线关系比较复杂导致可靠性差、同步方式落后因而同步精度不高、工作频带固定造成系统通用性不强、性能指标有待进一步提高等问题。针对以上应用背景及技术需求，本文设计了一种多通道、工作频带可重构、采样率可调、增益可调以及可实现纳秒级精确时间同步的小体积高集成度的水声信号采集模块。

1 采集模块性能指标

本文设计的用于水声信号的数据采集模块是整个声纳探测处理系统的模拟前端，主要任务是对矢量水听器产生的4通道的水声信号进行同步采集和处理，设计需求与技术参数为：

(1)工作频带：10 Hz～40k Hz范围内实时可重构；

(2)增益范围：20 dB～60 dB多级实时可调；

(3)采样率：16 kSPS～192 kSPS多级采样率实时切换；

(4)分辨率：24 bit；

(5)支持自检功能；

(6)各数据采集节点高精度同步，经十级交换机同步误差小于2 μs。

2 采集模块设计方案

水声信号数据采集系统集数据的采集与传输、电源分配、时钟同步三大要素于一身，是声纳系统性能的保障[10]。水声信号作为模拟信号，在传输过程中具有易衰减易受到外界因素干扰的特点，从而导致信号质量下降。而数字信号因为具有较强的抗干扰能力，更适合远距离及恶劣环境下的信号传输。为保证采集到的水声信号较少受到噪声的影响，应尽可能缩短模拟信号的传输距离，因此采用如图1所示的系统整体设计方案，即：将水听器输出的模拟信号通过双绞线短距输出到“一对一”的数据采集模块进行调理、模数转换并打包，再由核心控制模块通过千兆以太网链路传输至万兆交换机，最后到达信号处理机进行后续信号处理。

图1 水声信号数据采集系统框架

2.1 电路总体结构

在数据采集模块电路设计中，需要遵从以下几个主要原则。其一是标准化，应该尽可能选择常用电路，做到各部分各尽其用；其二是节能，尤其是在某些依靠电池供电的应用场景，功耗的高低直接影响其工作时间；其三是稳定性，能够在不同环境中长时间稳定的工作；其四是安全性，保证电气性能安全，不发生漏电事故；其五是准确性，模块各通道需要保持实时同步采集，这对系统的时间同步精度提出了很高的要求；其六是兼容性，方便与其它设备进行数据通信。

本设计中的采集模块电路结构框架如图2所示，主要包括固定增益前置放大电路、可重构滤波电路、可控增益放大电路、A/D转换电路以及信号自检电路。模块用于采集矢量水听器信号，由1路声压信号和3路质点振速矢量信号组成，因此需要完成4路模拟信号的调理与采集，还依据需求集成了自检功能。采集模块是网络供电技术的受电端，因此只需将电源进行板内二次分配。为了减小系统自噪声，提升性能，将模拟电路紧挨水听器设计，以避免较长的模拟信号走线，减小模拟前端的共模干扰。

图2 数据采集模块电路结构框架

2.2 芯片选择及电路设计

2.2.1 前置放大电路设计

由于水声信号通常为微弱信号，因此数据采集模块的模拟信号放大部分包含两级放大电路，其中第一级为20 dB固定增益前置放大，采用Analog Devices公司的AD8221芯片，该芯片是一款增益可编程、高性能仪表放大器，通过单一外围电阻RG可将增益设置为1至1000。在设计中需要将前置放大电路与水听器尽可能靠近，以缩短信号走线长度，减小噪声干扰。又因为水听器的输出信号一般为瞬时电压尖峰脉冲的形式，且可能会由于受到干扰而使前置放大电路饱和。为避免损坏电路器件，在前置放大电路的输入端设计了差分输入保护电路，以确保输入到放大电路的信号峰峰值不大于二极管阈值电压。前置放大电路的设计原理如图3所示。

图3 前置放大电路原理

2.2.2 可重构滤波电路设计

针对采集模块工作频带在10 Hz-40 kHz范围内可重构的需求，并滤除设定频带外的干扰信号，设计了可重构带通滤波电路，采用两片美信MAX7490可编程有源通用滤波器芯片搭建。该芯片内部包含两个相同的低功耗，宽动态范围的2阶通用滤波器单元，每个单元都可以随外部电路的不同连接而实现低通、高通、带通、带阻的功能，并通过控制外部时钟频率CLK对滤波器的截止频率进行调节。

本设计中将两片MAX7490级联使用，其中第一片配置为两级相连的高通滤波器，第二片中的两个滤波器单元则配置为独立的一级低通滤波器分别供两个信号通道使用，因此对单个通道而言构成了4阶高通滤波与2阶低通滤波级联的带通滤波器结构，提高了低频端的频率选择特性。通过独立调节两片MAX7490的截止频率即可改变带通滤波器的中心频率及带宽，从而实现采集模块的工作频带可重构，其工作原理及电路如图4所示。

图4 可重构带通滤波器级联结构及电路原理

2.2.3 可控增益放大电路设计

不同应用场景下所采集的水声信号幅值波动较大，当信号幅值太小时不利于进行数据采集和分析，影响采样精度；而信号太大又会导致限幅，使采样失真，经过数据处理无法恢复原始信号。因此为了提高量化精度，充分利用AD芯片的动态范围，采集模块的第二级放大电路应可针对幅值不同的水声信号进行增益调节。设计中采用了美信MAX9939芯片，该芯片为全差分可编程增益放大器，可通过SPI接口在0.2倍至157倍较宽范围内设置差分增益，满足采集模块0 dB-40 dB的增益控制指标要求。图5所示为可控增益放大电路原理图。

图5 可控增益放大电路原理

2.2.4 模数转换电路设计

两级放大之后的水声信号再经过驱动放大即进入模数转换芯片(ADC)，其主要作用是将连续的模拟信号转换成数字信号，ADC芯片的性能好坏将直接影响到数据采集的质量。根据实际设计需求，本文选用了Analog Devices公司的4通道24位同步采样Σ-Δ型模数转换器AD7768-4，采样速率最高可达256 kSPS，动态范围108 dB，最大带宽为110.8 kHz。AD7768-4用户可在输入带宽、输出数据速率和功耗之间进行权衡，并选择低功耗(最大32 kSPS、13.8 kHz输入带宽、每通道9.375 mW)、中速(最大128 kSPS、55.4 kHz输入带宽、每通道27.5 mW)、快速(最大256 kSPS、110.8 kHz输入带宽、每通道51.5 mW)3种工作模式之一以优化噪声目标和功耗。

2.2.5 自检电路设计

由于数据采集模块应具备自检功能，因此采用Analog Devices公司的DDS芯片AD9837产生自检信号。该芯片是一款超低功耗、高精度、可编程波形发生器，能够产生正弦波、三角波和方波输出。输出频率和相位可通过软件进行编程，调整简单。同时配置了模拟开关对DDS自检信号和采集到的水声模拟信号进行切换：当选择输出DDS产生的可调频正弦波自检信号时，经过与水声信号同样的调理电路，即可实现调理电路的故障定位、多通道幅相一致性测试等功能。

3 时钟同步方案与显控软件设计

3.1 时钟同步方案

在许多应用中，往往需要若干个水声信号采集模块组成分布式网络来完成数据的采集，而且通常采集节点的数目也并不相同。因此采集模块应配套网络时钟同步系统，从而给所有采集节点提供精确的相位对齐的周期性脉冲。各采集模块收到该同步脉冲后，可触发AD进行同步采样。时钟同步技术使得各个采集通道在误差允许范围内完成同步采样，时钟同步精度直接影响到所采数据的相位一致性。

IEEE 1588V2定义的精确时间同步协议为时钟同步方案提供了新的思路[11,12]，IEEE 1588V2协议是电气和电子工程师协会颁布的“网络测量和控制系统的精密时钟同步协议标准”，其同步原理如图6所示。主时钟和从时钟按照该标准规定的流程频繁地进行包含时间戳信息的报文交换，在假定相应的时延和时间原点的基础上，通过特定算法计算出主时钟与交换机之间时间偏差、交换机与从时钟之间的时间偏差，从而得到从时钟相对主时钟的时间偏差，进而对本地时钟进行校正以实现主从时钟同步。另外从时钟还可以根据多个报文的时间戳得到本地晶振与主时钟晶振的频差，然后通过DA对本地晶振的频率进行调节，从而达到主从时钟间的频率同步。

图6 PTP同步基本原理

与本设计中数据采集模块相配套的核心控制模块，其时钟系统完全遵循IEEE 1588V2标准规范，采用Xilinx最新的ZYNQ7000系列SOC实现，支持PTP主钟模式和从钟模式，能够进行相应的设置以满足不同组网方案中对时间同步的不同功能需求；同时支持P2P和E2E两种延时机制，以适应不同的网络负载环境，与交换机之间具有很好的兼容性，为整个分布式数据采集网络提供精确的时间同步。该时间同步系统已经具备良好的硬件基础，时间戳同步精度为8 ns，能够稳定实现PTP主钟模式。根据PTP相关算法，即可增加PTP从钟模式的授时精度，满足系统同步采集的需求。

3.2 处理机显控软件设计

水声信号采集模块的处理机显控软件基于QT5.1开发，具有较高可移植性，可快速移植到Window、Linux等操作系统上。处理机与终端采集节点采用C/S架构，使用TCP协议通信，具有可靠稳定的特点。终端采集节点用于连接矢量水听器，采集水声数据并形成以太网数据分组发送至处理机。处理机端则运行显控软件，用于管理各终端采集节点，设置工作参数，切换工作状态，并实现所采集数据的显示、存储与转发，采集节点工作过程中的测试等，主要功能包括：

(1)查看各采集节点模块的同步状态；

(2)对采集节点模块进行工作频带、信号增益及采样率实时调节；

(3)对采集节点所采数据进行记录；

(4)查看各通道波形及频谱图；

(5)系统性能指标分析。

处理机根据采集节点模块的采样率不同，最多可以同时收集100路采集节点的数据，并动态管理采集节点上线掉线。

启动软件，待各采集节点进入采集状态后，可以在显控软件界面上看到各采集节点传来的实时数据波形，图7所示为某采集节点的4通道信号时域波形图。显控软件主界面主要由功能按钮区、采集节点IP列表区、信息显示区、波形显示区和状态显示区5个部分组成。

图7 处理机显控软件主界面及4通道信号时域波形

点击频谱图弹出对话框，可显示当前通道的信号频谱，如图8所示。

图8 单通道信号频谱

点击性能指标按钮，弹出对话框，然后点击“开始计算”，即可针对采集到的数据进行分析，大概5 s～10 s生成分析结果，包含谐波失真、有效幅值、直流偏移、相位一致性等性能指标，如图9所示。在完成全部工作节点的所有通道数据存储后，用户也可将数据导出，并利用Matlab或者其它相关软件进行采集数据的分析工作。

4 性能测试

数据采集模块实物如图10所示，该模块长10.5 cm(不含引线)，宽3 cm，高2.5 cm，具有体积小集成度高的特点。在温度15 ℃～35 ℃，相对湿度25%～75%，且有良好的接地和隔离工业干扰、天电干扰和火花干扰的环境下对该数据采集模块进行了性能测试。

图10 数据采集模块实物

4.1 幅度一致性

由信号发生器向采集模块的所有通道正输入端(负输入端接地)或负输入端(正输入端接地)输入不同幅度不同频率值的正弦波，采样率为16 kSPS，设Vppj为各通道正弦信号的峰峰值，利用下式计算通道幅度误差

(1)

若误差值≤1 dB，则判决为合格，否则为不合格。幅度一致性测试结果见表1，结果表明输入信号通过采集模块后，各通道输出信号幅度基本保持一致，符合设计要求。

表1 幅度一致性测试结果

4.2 相位一致性

将通道1作为基准通道，找到基准通道基频信号的对应频点，然后分别计算各测试通道信号在该频点处的相位与基准通道之间的相位差和时间延时并进行记录。相位一致性测试结果见表2，测试结果表明各通道时间延时均在 ±50 ns 以内，符合设计要求。

表2 相位一致性测试结果

4.3 谐波失真

由信号发生器向采集模块的所有通道正输入端(负输入端接地)或负输入端(正输入端接地)输入幅度为500 mV、不同频率的正弦波，设置AD采样率为16 kSPS，若各通道谐波失真≤-75 dB则判决为合格，否则为不合格。谐波失真测试结果见表3，结果表明采集模块各通道谐波失真满足要求。

表3 谐波失真测试结果

4.4 动态范围

将采集模块所有4通道的模拟输入短路接地，启动显控软件，对所有通道同时进行采样，采样率为16 kSPS，每通道样点数N=32768。数据采集完成以后，计算各通道等效输入端噪声(调理电路总增益为20 dB)及动态范围，若所有通道的动态范围≥90 dB，则判决为合格，分析结果见表4。从表中可以看出，采集模块各通道动态范围满足要求。

表4 动态范围测试结果

4.5 通道串扰

将采集模块奇数通道的模拟输入短路接地，由信号发生器向偶数通道正输入端(负输入端接地)或负输入端(正输入端接地)输入700 mV不同频率的正弦信号，采样率为16 kSPS，若所有通道的通道串扰≤-80 dB，则判决为合格。测试结果见表5，测试结果表明采集模块各通道通道串扰能够满足要求。

表5 通道串扰测试结果

5 结束语

本文针对目前水声信号采集模块存在的通用性不强、采样率较低、时钟同步精度较差、体积较大等问题，设计了一种新型4通道水声信号采集模块，具有24位采集分辨率，可实现采样率16 kSPS～192 kSPS实时可调。该采集模块加入了可重构带通滤波器设计，因此可在10 Hz～40 kHz频率范围内自由调节工作频带，能够满足不同的采集应用场景，具有较强的灵活性。并且该模块采用FPGA作为主控，实现了基于IEEE 1588V2标准规范的精确纳秒级时钟同步。数据采集模块与核心控制模块采用叠层设计，具有更小的体积，更高的集成度。经过测试，文中所设计的多通道水声数据采集模块实现了各项设计指标，可以用于水声基础科研、声纳开发和水声通信研究等领域。