周 瑩,于金花,牛志華,常 哲

（國家海洋技術中心 天津 300112）

水聲信號采集存儲系統(tǒng)是海洋環(huán)境調查儀器的重要組成部分。開展水聲環(huán)境調查所使用的海洋儀器要求設備通道多、同步性好、采樣率高、數據存儲容量大。市場上常見的數據采集器多是采集某些固定種類的信號，動態(tài)范圍比較小，通道數一般也比較少，有些還要求與主機進行接口等，這些都限制了其在水聲信號采集中的應用[1]。為滿足需要 ，本文設計了適合于水聲數據采集存儲的較為通用的系統(tǒng)，系統(tǒng)單板具有8個采集通道，多個單板級聯(lián)可實現多通道同步采集、USB高速存儲。

1 總體設計

該系統(tǒng)總體結構如圖1所示，上級電路通過級聯(lián)接口發(fā)送采集指令，單片機初始化控制FPGA，控制FPGA首先判斷單板是否為級聯(lián)單板，再初始化相應的FPGA。采集模塊的FPGA向需要同步采集的通道對應的A/D芯片提供統(tǒng)一的時鐘，使得A/D同步的選擇相應的通道進行數據的同步采樣和轉換，其結果傳給負責緩存的FPGA，緩存在DDR對應的存儲空間，然后由ARM控制存儲模塊的FPGA從DDR空間讀取數據進行本地存儲。

圖1 系統(tǒng)總體結構圖Fig.1 Structure diagram of the power control unit test system

2 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件主要由控制模塊、數據采集模塊、緩存模塊、存儲模塊幾部分組成，系統(tǒng)硬件結構圖如圖2所示。單片機功耗低、接口豐富、可靠性高，被系統(tǒng)用做上電引導芯片；FPGA器件具有集成度高、內部資源豐富、特別適合處理多路并行數據等明顯優(yōu)于普通微處理器的特點，所以系統(tǒng)采用XILINX公司不同型號的FPGA作為不同模塊的主控芯片[2]。針對系統(tǒng)設計中對采集存儲實時性和同步性的要求，存儲模塊采用FPGA與ARM相結合的設計，采集主控制邏輯用ARM實現，FPGA負責數據的高速傳輸和存儲。

圖2 系統(tǒng)硬件結構圖Fig.2 Structure diagram of the hardware system

控制模塊相當于系統(tǒng)的值班電路，當系統(tǒng)作為從板工作時，只有控制模塊和數據采集模塊帶電，其他模塊關閉[4]。由于FPGA內核電壓只有1.2 V，在這種情況下系統(tǒng)工作電流不大于1 A，低功耗的設計保證系統(tǒng)可在無人值守的情況下長時間連續(xù)進行采集存儲工作。系統(tǒng)需要多通道數據同時采集存儲時，用戶通過配置主板的控制模塊參數設定8、16或32通道采集，主控FPGA通過級聯(lián)接口發(fā)送統(tǒng)一的采集時鐘到系統(tǒng)從板，從而實現系統(tǒng)多通道水聲信號的同步采集及存儲。另外，通過單片機接口也可以隨時監(jiān)控系統(tǒng)工作狀態(tài)，系統(tǒng)具有修復功能，采集存儲過程中出現錯誤時，可根據用戶配置自動進行相應的錯誤處理。

數據采集模塊具有8路數據采集存儲通道，每通道采用TI公司的24位高精度模數轉換器ADS1258，A/D采用15.36 MHz的外部輸入時鐘。設計中數字電源、模擬電源、參考電壓單獨布線，保證8通道信號隔離度幾乎為零，降低了系統(tǒng)測量噪聲。模塊中FPGA并行控制多路數據轉換，包括轉換啟動、轉換同步、轉換停止、轉換數據輸出等[3]。

數據緩存模塊采用64M byte的DDR作為緩存，因為DDR在一個時鐘周期內進行兩次數據傳輸操作，它能夠在時鐘的上升沿和下降沿各傳輸一次數據，具有雙倍的數據傳輸量，DDR可以在與SDRAM相同的總線頻率下達到更高的數據傳輸率。緩存模塊中的FPGA對DDR的數據寫入和存儲模塊中的FPGA對數據的讀取是通過兵乓傳輸結構實現的。當FPGA寫滿DDR上半區(qū)后，向存儲模塊申請中斷，存儲模塊響應中斷后，讀出上半區(qū)數據到存儲模塊；同時FPGA向DDR的下半區(qū)寫數據，寫滿下半區(qū)后也向存儲模塊發(fā)出中斷，通知存儲模塊讀出下半區(qū)數據。通過乒乓傳輸保證了系統(tǒng)數據采集和數據傳輸可連續(xù)進行。

數據存儲模塊的作用是將多通道24 bit數據經過緩存模塊，按采樣的時間順序，以低字節(jié)到高字節(jié)的次序，依次將其寫入電子硬盤。系統(tǒng)采用IPD的iPD-USB型300G電子硬盤作為存儲器。由于它沒有普通硬盤的旋轉介質，因而抗震性極佳，同時工作溫度很寬，可工作在-40～+85℃，再加上重量較硬盤輕很多，非常適用于水下聲信號采集存儲設備。根據系統(tǒng)要求，采用USB底層芯片配合存儲模塊實現大容量高速USB存儲，速度可達480 Mbit/s，比全速USB存儲快了40倍[6]。

3 系統(tǒng)軟件設計

程序設計采用Verilog HDL硬件描述語言，軟件采用模塊化設計，提高了程序的可移植性和可維護性。系統(tǒng)的軟件主要分為初始化模塊、水聲數據采集模塊、數據緩存模塊、數據存儲模塊、中斷服務程序模塊等構成。初始化程序僅在系統(tǒng)復位及程序開始時執(zhí)行一次，完成各模塊主控芯片及外圍電路的初始化；數據采集模塊通過模擬量輸入端口采集水聲信號；數據緩存模塊負責將DDR中緩存的數據依次輸出給存儲模塊；數據存儲模塊每分鐘向電子硬盤中寫入一個文件[5]。軟件設計的流程圖如圖3所示。

圖3 軟件設計的流程圖Fig.3 Flow chart the software design

4 試驗應用

4.1 實驗室測試結果

系統(tǒng)的性能測試是保證系統(tǒng)穩(wěn)定，可靠工作的重要手段。在實驗室測試過程中，主要對系統(tǒng)的整體性能進行考察，其中包括：多通道采集同步誤差、數據吞吐量、系統(tǒng)功耗、自噪聲等。測試結果如表1所示。

表1 實驗室測試結果Tab.1 Test result of experiment

4.2 海上試驗結果

本系統(tǒng)應用的海洋環(huán)境噪聲測量潛標在中國某海域進行了海上實驗，系統(tǒng)連續(xù)工作3個月，性能穩(wěn)定可靠，并獲取了大量完整有效的海洋環(huán)境噪聲數據。測量的海洋環(huán)境噪聲功率譜符合海洋環(huán)境噪聲的自然分布規(guī)律。實測海洋環(huán)境噪聲功率譜如圖4所示。

圖4 海洋環(huán)境噪聲功率譜Fig.4 Spectrum of ocean ambient noise

5 結論

本系統(tǒng)采用多FPGA相結合的設計，很好的完成了高速多通道數據采集與存儲，并且詳細介紹了FPGA各模塊的設計方法。本系統(tǒng)設計靈活，能很容易的擴展為多通道數據采集存儲系統(tǒng)，也能很容易的修改為與其他的A/D轉換芯片接口。所以本系統(tǒng)可根據不同的應用進行擴展，進一步增強了系統(tǒng)在其他領域應用的靈活性。

[1]張洪剛,苑秉成,徐瑜.基于FPGA和SD卡的水聲信號高速采集與存儲系統(tǒng)設計[J].電子器件,2009,32(1):208-212.ZHANG Hong-gang,YUAN Bing-cheng,XU Yu.Design of a acoustic signals high speed acquisition and storage system based on FPGA and SD card[J].Chinese Journal of Electron Devices,2009,32(1):208-212.

[2]周睿,喬純捷,王躍科.FPGA在水聲信號采集系統(tǒng)中的應用[J].計算機測量與控制,2007,15(12):1820-1821.ZHOU Rui,QIAO Chun-jie,WANG Yue-ke.Application of FPGA in underwater acoustic signal collection system[J].Computer Measurement&Control,2007,15(12):1820-1821.

[3]王海軍,陳川,龍小民.基于AD7980的多路水聲信號采集處理系統(tǒng)設計[J].器件與電路,2009,33(1):29-32.WANGHai-jun,CHEN Chuan,LONG Xiao-min.Underwater acoustic signal data acquisition design based on AD7980[J].Parts and Circuit,2009,33(1):29-32.

[4]武濤.數據采集與顯示控制系統(tǒng)設計[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2009.

[5]劉延飛,郭鎖利,王曉戎,等.基于Altera FPGA/CPLD的電子系統(tǒng)設計及工程實踐[M].北京:人民郵電出版社,2009.

[6]馬偉.計算機USB系統(tǒng)原理及其主/從機設計[M].北京:北京航空航天大學出版社,2004.