曾景賢 蔣國軍 夏鐵堅(jiān)

（第七一五研究所，杭州，310023）

聲層析潛標(biāo)主控模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

曾景賢 蔣國軍 夏鐵堅(jiān)

（第七一五研究所，杭州，310023）

設(shè)計(jì)了以FPGA作為主控芯片的聲層析潛標(biāo)核心控制單元主控模塊，給出了主控模塊具體電路實(shí)現(xiàn)和軟件流程。湖海試驗(yàn)中，該模塊滿足潛標(biāo)電子系統(tǒng)的使用要求。

海洋聲學(xué)層析術(shù)；聲層析潛標(biāo)；主控模塊；控制單元； FPGA

1　引言

海洋聲學(xué)層析術(shù)是指利用聲學(xué)方法在大范圍海域測(cè)量海洋動(dòng)力特性的一種遙感技術(shù)[1]。海水的溫度、鹽度、流向和流速，都對(duì)聲波在海水中傳播的速度有影響，可利用聲波傳播的速度，反推聲波經(jīng)過水域的溫度和鹽度；用聲波往返傳播的速度差，反推測(cè)量水域的流速和流向等。海洋層析測(cè)量時(shí)，在所測(cè)量的水域周圍，布設(shè)5枚聲層析潛標(biāo)，潛標(biāo)布放網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。其中1枚潛標(biāo)發(fā)射聲信號(hào)，其余4枚潛標(biāo)接收聲信號(hào)，精確測(cè)量聲波的傳播時(shí)間、計(jì)算聲波傳播的速度，5枚潛標(biāo)依次輪流發(fā)射，利用計(jì)算機(jī)對(duì)取得的平均速度和往復(fù)速度差進(jìn)行逆運(yùn)算，可以獲取聲層析潛標(biāo)包圍水域中的溫度、鹽度、流速、流向等分布情況。

圖1　聲層析潛標(biāo)布放網(wǎng)絡(luò)示意圖

2　主控模塊功能描述

聲層析潛標(biāo)電子系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。主要由主控模塊、電源管理模塊、發(fā)射模塊、接收模塊、采集模塊、時(shí)鐘源模塊、溫濕度傳感器、存儲(chǔ)模塊1、2等組成。主控模塊作為潛標(biāo)電子系統(tǒng)的重要組成部分，完成高質(zhì)量的聲信號(hào)發(fā)射和高精度的聲信號(hào)采集存儲(chǔ)。

圖2　聲層析潛標(biāo)電子系統(tǒng)組成框圖

2.1流程控制、任務(wù)管理

聲層析潛標(biāo)電子系統(tǒng)主要有三種工作模式，分別是入水前的船載調(diào)試模式、入水24 h內(nèi)的水下自檢模式和入水24 h后的水下工作模式。主控模塊每次上電后，電源管理模塊會(huì)向其發(fā)送潛標(biāo)ID、當(dāng)前模式、任務(wù)時(shí)間等配置信息。主控模塊根據(jù)當(dāng)前模式信息分別控制電子系統(tǒng)在三種工作模式下的流程。在水下工作模式下還需根據(jù)潛標(biāo)ID和任務(wù)時(shí)間控制潛標(biāo)電子系統(tǒng)進(jìn)行聲信號(hào)發(fā)射、采集、存儲(chǔ)的任務(wù)管理。

2.2數(shù)據(jù)整理

聲層析潛標(biāo)是根據(jù)任務(wù)設(shè)定獨(dú)立運(yùn)行的設(shè)備，主控模塊需要在電子系統(tǒng)上電自檢、聲信號(hào)發(fā)射和聲信號(hào)采集存儲(chǔ)期間分別收集電子系統(tǒng)各模塊供電狀態(tài)、存儲(chǔ)硬盤信息、采集鏈路信息、發(fā)射狀態(tài)、溫濕度傳感器數(shù)據(jù)和日歷數(shù)據(jù)等參數(shù)，打包成系統(tǒng)初始化參數(shù)、系統(tǒng)發(fā)射參數(shù)、系統(tǒng)收采參數(shù)送存儲(chǔ)模塊進(jìn)行保存記錄。

水下自檢時(shí)，還需將收集到的電子系統(tǒng)各模塊參數(shù)整合成自檢結(jié)果發(fā)送給水聲通訊子系統(tǒng)，由水聲通訊子系統(tǒng)上傳至甲板。甲板設(shè)備根據(jù)上傳的自檢信息判斷潛標(biāo)電子系統(tǒng)各模塊入水后是否正常。

2.3電源管理

潛標(biāo)電子系統(tǒng)長時(shí)間在水下工作，由于電池電容量有限，需要主控模塊配合電源管理模塊對(duì)電子系統(tǒng)進(jìn)行電源管理。

聲層析潛標(biāo)采用周期工作方式，即每天4次、每次定時(shí)執(zhí)行半小時(shí)的聲信號(hào)發(fā)射和聲信號(hào)采集存儲(chǔ)任務(wù)。任務(wù)執(zhí)行期間合理有序的為各模塊上電和斷電，任務(wù)完成后通知電源管理模塊關(guān)閉相關(guān)模塊，從而達(dá)到既滿足設(shè)計(jì)功能又降低功耗的目的。

2.4時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)

為保證潛標(biāo)聲信號(hào)發(fā)射、采集存儲(chǔ)的精度要求，聲層析潛標(biāo)采用原子鐘時(shí)鐘源模塊提供基準(zhǔn)時(shí)鐘。主要有10.24 MHz主時(shí)鐘、秒脈沖（1PPS：1 Pulse Per Second）和日歷數(shù)據(jù)三個(gè)信號(hào)。10.24 MHz主時(shí)鐘由主控模塊控制轉(zhuǎn)發(fā)給采集模塊和發(fā)射模塊作為采集采樣率和發(fā)射信號(hào)源的頻率基準(zhǔn)，1PPS信號(hào)提供給主控模塊作為發(fā)射或采集事件觸發(fā)信號(hào)，當(dāng)日歷數(shù)據(jù)與任務(wù)時(shí)間吻合后由1PPS信號(hào)觸發(fā)聲信號(hào)發(fā)射或聲信號(hào)采集。潛標(biāo)的時(shí)鐘源模塊經(jīng)過GPS相位同步對(duì)時(shí)后，認(rèn)為所有潛標(biāo)的時(shí)鐘是同步一致的。

3　硬件設(shè)計(jì)

為滿足潛標(biāo)高精度的聲信號(hào)發(fā)射、采集存儲(chǔ)任務(wù)，主控模塊采用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA作為主控制芯片，由FPGA控制轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)鐘模塊的10.24 MHz時(shí)鐘基準(zhǔn)信號(hào)，同時(shí)接收日歷數(shù)據(jù)信號(hào)。當(dāng)時(shí)間與任務(wù)設(shè)定的時(shí)間匹配后由1PPS信號(hào)觸發(fā)潛標(biāo)進(jìn)行聲信號(hào)發(fā)射或聲信號(hào)采集存儲(chǔ)任務(wù)。主控模塊主要由FPGA電路和接口電路所組成。接口電路在主控模塊與其他模塊數(shù)據(jù)通信時(shí)進(jìn)行電平匹配，主要有RS-485、RS-232以及單總線接口。FPGA電路作為主控模塊的核心電路，主要作用有以下幾點(diǎn)：一是控制電子系統(tǒng)在入水前的船載調(diào)試、入水24 h內(nèi)的水下自檢和入水24小時(shí)后的水下工作這三種模式的工作流程；二是入水24 h后控制電子系統(tǒng)定期執(zhí)行每天4次，每次半個(gè)小時(shí)的高精度聲信號(hào)發(fā)射、采集存儲(chǔ)任務(wù)；三是通過接口電路完成與其他模塊的數(shù)據(jù)交互，RS-485、RS-232接口采用異步串口通信協(xié)議，波特率為57 600 bps，與數(shù)字溫濕度傳感器AM2301的單總線接口采用單總線通信協(xié)議。FPGA選用的是Xilinx公司Spartan-3系列的XC3S400[2]，其具有豐富的可配置IO管腳、片內(nèi)可編程邏輯資源以及并行處理能力等，能夠滿足主控模塊同時(shí)處理多個(gè)接口通信、流程控制、任務(wù)管理和時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)等要求。主控模塊電路組成框圖如圖3所示。

圖3　主控模塊電路組成框圖

4　程序設(shè)計(jì)

主控模塊FPGA程序采用硬件描述語言編寫，主要由流程控制及任務(wù)管理主程序、接口（主要有時(shí)鐘、電源、發(fā)射、通訊、存儲(chǔ)、溫濕度傳感器）數(shù)據(jù)收發(fā)程序所組成。由于篇幅所限，各接口數(shù)據(jù)收發(fā)程序暫不描述，流程控制及任務(wù)管理主程序流程圖見圖4、5、6、7。主控模塊上電后，首先接收電源管理模塊發(fā)送的配置信息，然后根據(jù)配置信息的當(dāng)前模式內(nèi)容跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)模式。

圖 4主控流程控制及任務(wù)管理程序流程圖

船載模式下（圖5），主控模塊首先控制電子系統(tǒng)進(jìn)行加電自檢，自檢過程中收集電子系統(tǒng)各模塊自檢參數(shù)，打包成船載模式系統(tǒng)初始化參數(shù)發(fā)送給存儲(chǔ)模塊，由存儲(chǔ)模塊轉(zhuǎn)發(fā)給調(diào)試計(jì)算機(jī)，然后主控模塊等待存儲(chǔ)模塊轉(zhuǎn)發(fā)的調(diào)試或關(guān)機(jī)指令，收到調(diào)試指令后，控制電子系統(tǒng)進(jìn)行聲信號(hào)發(fā)射和采集，發(fā)射和采集期間分別收集電子系統(tǒng)各模塊參數(shù)，分別打包成船載模式系統(tǒng)發(fā)射參數(shù)和系統(tǒng)收采參數(shù)發(fā)送給存儲(chǔ)模塊，由存儲(chǔ)模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)；收到關(guān)機(jī)指令后，關(guān)閉電子系統(tǒng)相應(yīng)模塊。

圖5　船載調(diào)試模式程序流程圖

水下自檢模式下（圖6），主控模塊首先控制電子系統(tǒng)進(jìn)行加電自檢，自檢過程中收集電子系統(tǒng)各模塊自檢參數(shù)，打包成水下自檢系統(tǒng)初始化參數(shù)和水下自檢結(jié)果，將系統(tǒng)初始化參數(shù)送存儲(chǔ)模塊進(jìn)行存盤記錄，將自檢結(jié)果發(fā)送給水聲通訊子系統(tǒng)，由其轉(zhuǎn)發(fā)，收到通訊子系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)甲板設(shè)備回應(yīng)后關(guān)閉電子系統(tǒng)相應(yīng)模塊。

圖6　水下自檢模式程序流程圖

在水下工作模式下（圖7），主控模塊首先控制電子系統(tǒng)進(jìn)行加電自檢，自檢過程中收集電子系統(tǒng)各模塊自檢參數(shù)，將自檢參數(shù)打包成水下工作模式系統(tǒng)初始化參數(shù)，發(fā)送給存儲(chǔ)模塊進(jìn)行存盤記錄，然后等待時(shí)間匹配后，啟動(dòng)聲信號(hào)發(fā)射或采集存儲(chǔ)任務(wù)。任務(wù)期間收集電子系統(tǒng)各模塊參數(shù)，打包成水下工作模式系統(tǒng)發(fā)射參數(shù)或系統(tǒng)收采參數(shù)，發(fā)送給存儲(chǔ)模塊進(jìn)行存盤記錄，按照任務(wù)設(shè)定的次數(shù)進(jìn)行聲信號(hào)發(fā)射或采集存儲(chǔ)工作，本次任務(wù)結(jié)束后，關(guān)閉電子系統(tǒng)相應(yīng)模塊。

圖7　水下工作模式程序流程圖

5　結(jié)論

本文基于FPGA設(shè)計(jì)的聲層析潛標(biāo)主控模塊具有硬件電路架構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，通過對(duì)FPGA進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)主控模塊復(fù)雜的邏輯控制以及多個(gè)接口數(shù)據(jù)交互，利用狀態(tài)機(jī)控制實(shí)現(xiàn)主控模塊的流程控制及任務(wù)管理功能，通過配置FPGA的IO管腳實(shí)現(xiàn)主控模塊與其他模塊的多個(gè)接口數(shù)據(jù)通信。在多次湖上、海上試驗(yàn)過程中，證明了基于FPGA設(shè)計(jì)的主控模塊流程控制、任務(wù)管理、時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)等各項(xiàng)功均能滿足系統(tǒng)指標(biāo)要求，具有較強(qiáng)的可靠性和良好的應(yīng)用前景。

[1] 趙航芳, 汪非易, 朱小華, 等. 海洋聲學(xué)層析研究現(xiàn)狀與展望[J]. 海洋技術(shù)學(xué)報(bào), 2015, 34(3):69-73.

[2] Xilinx. Spartan-3 FPGA Family datadheet[Z]. 2005.