CN105809925A - 一种模拟器信号源的无线控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模拟器信号源的无线控制系统，属于水下目标特性模拟技术领域；本发明的硬件结构分为上位机端和下位机端，上位机端由Android平台编译控制主程序，通过Bluetooth模块将试验信号参数及控制指令以无线方式传送至下位机端的FPGA开发板，经过一系列解码运算将模拟水声信号发送出去，完成信号发生控制过程，下位机端采集输出信号，经过信号检测，再与初始信号进行参数比较，将自校结果传回上位机端，验证信号源控制系统的可靠性和准确性，完成信号自校控制过程；本发明上位机端具备开放式环境，下位机端包含多种信号处理功能，二者之间的信号交互采用Bluetooth通信技术，功耗小，成本低，而且易于操作，能够稳定可靠地无线传输信号参数和控制指令。

Description

一种模拟器信号源的无线控制系统

技术领域

本发明涉及一种无线控制系统，具体涉及一种模拟器信号源的无线控制系统，属于水下目标特性模拟技术领域。

背景技术

Android操作系统是一种以Linux为基础的开源操作系统，最初由AndyRubin开发并专为支持手机而设计，由于其开源性、良好的用户体验、丰富的应用支持，很快便成为了最流行和占有量最大的移动终端操作系统，无线控制技术是近几年来比较流行的一种通信技术，他融合了无线传感网络技术、自动控制技术和计算机技术，具有稳定性强、传输速率高、功耗低等优点，具有广泛的应用背景。

由于在特殊的试验场合中无法实现对模拟器信号源的有线控制，比如试验人员和模拟器设备搭载在不同的试验位置，或者模拟器设备搭载在一个狭小的空间，试验人员无法进入，就不便于对信号源进行有线控制，这就亟待设计一种模拟器信号源的无线控制系统，来实现试验人员对模拟器设备的特定距离操控，有效保障试验开展，同时确保试验人员的人身安全和参试设备的安全。

发明内容

本发明的目的是针对目前在特殊试验场合中需要实现模拟器信号源的无线控制，提出一种基于Android操作系统的无线模拟器信号源控制系统设计方法，其基本原理是上位机端由Android平台编译控制主程序实现，通过Bluetooth模块将试验信号参数及控制指令以无线方式传送至下位机端的FPGA开发板，经过一系列解码运算将模拟水声信号发送出去，完成信号发生控制过程，下位机端采集输出信号，经过信号检测，再与初始信号进行参数比较，将自校结果传回上位机端，验证信号源控制系统的可靠性和准确性，完成信号自校控制过程。

为实现上述发明的目的，本发明采取的技术方案如下：

一种模拟器信号源的无线控制系统,包括如下步骤：

1.由Android平台设计编译上位机端信号控制主程序软件；

2.搭建下位机端FPGA开发板的信号源装置；

3.上位机端通过Bluetooth模块将试验信号参数及控制指令以无线方式传送至下位机端的FPGA开发板，经过一系列解码运算将模拟水声信号发送出去，完成信号发生控制过程；

4.下位机端采集输出信号，经过信号检测，再与初始信号进行参数比较，将自校结果传回上位机端，验证信号源控制系统的可靠性和准确性，完成信号自校控制过程。

第一步，设计编译上位机端信号控制软件主程序：上位机端硬件结构采用目前带Bluetooth模块的Android平台，开发工具为E-clipse(可跨平台操作的自由集成开发环境)，主程序主要由Java语言编写实现，主界面主要包含试验信号参数设置和控制指令选取，如图2所示。要实现的主要功能有：检测该平台Bluetooth设备工作状态，能够按照通信协议成功连接下位机端的Bluetooth模块，实现主界面各滑动按钮的参数值选取，控制信号数据的发送和接收，界面调试使用软件自带模拟器进行，功能调试则将程序打包安装在Android平台上运行。

主程序软件工作流程如图3所示，具体描述如下：

(1)软件开始，获取本地Bluetooth设备；

(2)检查本机Bluetooth设备是否开启，若未开启则提示是否开启，确定后开启Bluetooth，软件正常工作，否则退出；

(3)软件正常启动后开启Bluetooth服务，保证软件在后台时依然正常工作，不需重新连接设备。点击连接设备按钮，与下位机特定Bluetooth设备连接(考虑到下位机Bluetooth设备不会经常更换，采取固定地址连接方式，若下位机Bluetooth设备更换，则在源代码中更改address值)，连接方式通过更改UUID值确定，本设计中，采用Bluetooth串口方式连接；

(4)采用数字输入或滑块滑动设置频率等参数，设置完成后发送数据，同时提示数据发送成功，下位机接收到数据后反馈数据，上位机提示数据已正常接收，设备开始工作；

(5)需要更改参数时可重复步骤(4)，需要停止工作时可点击“停止”按钮，在发送各项参数为零的数据包尾，发送工作命令停止控制字，程序需退出时可随时退出。

第二步，搭建下位机端FPGA开发板的信号源装置：下位机端的硬件主要有4个：Bluetooth模块、FPGA芯片、D/A(A/D)芯片、低通滤波器(LPF)，实物图如图4(a)所示，其中左边板是Bluetooth模块，右边板中间的芯片是FPGA芯片，右上角两个白色的装置测试端口，用来连接示波器，测试输出信号。下位机端接收上位机端发送的无线信号，并将信号“翻译”为数据，通过串口形式发往FPGA开发板，FPGA芯片接收到数据后采用DDS技术生成波形信号，将结果送入D/A芯片，经过数模转换处理，再送入LPF，滤除高频混叠信号，保留低频信号，最后输出就是试验所需信号。输出信号回传至D/A芯片，进行A/D转换，得到数据输入到FFT兆核(IP)函数，计算输出频率和频率精度，将结果送回Bluetooth模块，以信息形式上传到上位机端的主程序，下位机端的硬件设计如图4(b)所示。

DDS技术是直接数字式频率合成器软件，DDS的基本工作过程为：

(1)根据所要输出的频率来确定频率控制字；

(2)对频率控制字进行循环累加；

(3)将相位寄存器锁存相位信息与相位控制字(初始相位)相加；

(4)截断相位信息的高位做ROM的寻址地址；

为了形成模拟信号波形，从ROM输出的数据要经过D/A转换，将数据变为阶梯波形，再经过低通滤波产生试验所需要的模拟信号。

FFT兆核函数(FFTmegacorefunction)是集成在FPGA芯片中的一种软件函数，它所依附的软件就称作FFT兆核函数软件，该软件是一个高速的、参数可调的快速傅里叶变换处理器，它可以在高速的应用程序中快速实现FFT运算。应用该函数的关键是采用VerilogHDL语言，在Quartus9.0软件下进行仿真，参数设置过程为：

(1)选择IPToolbench界面Parameters选项，将设备系列选为CycloneII，FFT转换长度设置为“1024points”，数据精度和旋转因子精度均为“16bit”；

(2)选择IPToolbench界面Architecture选项，将FFT引擎结构选为单输出“Signal-output”引擎结构，将I/O数据流结构选为突发“Burst”数据流结构；

(3)选择IPToolbench界面ImplementationOptions选项，将复数乘法器实现选为“4/Mults/2Adders”，乘法器实现的硬件单元选为“DSPBlocks/LogicCells”；

(4)在参数设置的同时，系统会自动运算占用的资源数目。

第三步，Android平台与FPGA开发板通过Bluetooth模块实现模拟器信号源的无线控制过程，如图5所示：Android平台执行主程序软件将信号参数和控制指令以定长数据包格式通过无线方式传送至开发板的Bluetooth模块，采用DDS(直接数字式频率合成器)技术解算获取数字信号，经过D/A转换和低通滤波后生成试验所需信号，通过功率放大器，传送至换能器发到指定海域；再将输出的信号回传至开发板，经过A/D转换，得到数据，采用FFTIP函数方法解算信号频率参数，与设定的初始信号参数频率进行比较，判断两信号是否一致，将判定结果以信息形式发回至Android平台完成信号自校过程，同时验证该控制系统的可靠性和准确性。

DDS技术是解决数字信号处理中信号综合的硬件实现问题的关键，给定信号的频率、幅度和相位参数，就可以产生所需要的信号波形，加上一个矩形波(包含幅度、周期和脉宽信息)，就形成了试验所需信号设定信号。由于DDS采用了全数字结构，不同于传统的频率合成方法，具备了直接模拟频率和间接模拟频率所不具备的一些优点。

DDS方程如下：

$f_{out}=\frac{{\mathrm{Mf}}_c}{2^N}---\left(1\right)$

其中，f_out为输出频率，f_c为采样时钟频率，N为相位累加器位宽，M为频率控制字。

FPGA开发板携带的晶振时钟频率f_c一般具有高稳定性，用来同步DDS中各部件工作，因此DDS输出的合成信号频率f_out的稳定度应当与晶振稳定度相同。实际上在使用DDS方程的过程中，根据试验需求计算出来的M值往往不是整数，输出的信号频率与初始设定频率值难免会存在误差。如果将M的小数部分进行四舍五入，那么频率误差不会超过0.5⊿f，⊿f为频率分辨率。

频率分辨率的方程如下：

$\mathrm{\Δ}f=\frac{f_c}{2^N}---\left(2\right)$

在实验室验证时可以采用示波器来检测输出信号的参数值，但是一套完整的模拟器，要求下位机端用箱子封装起来，以满足设备稳定性和安全要求；而且在正式试验过程中，下位机端的输出信号要经过功率放大器后，输入到换能器，才能将水声信号发送出去，而换能器端是放在水下的，这样检测输出信号就无法用示波器来实现，本发明设置的信号自校过程就是用芯片和软件的形式数字化自动完成信号检测，代替了人工，保证了信号源控制效果。

FFTIP函数软件接收输出信号经过A/D转换后的结果，得到1024点数据，在FPGA软件中编程对这1024点数据进行求模值，找出最大值所在点的位置，按照如下公式计算信号频率f_d。

$f_d=\frac{(K-1)f_0}{2^N}---\left(3\right)$

其中，f₀为A/D采样频率，K为最大模值对应的位置。

第四步，完成信号自校控制过程：由于DDS技术受到相位累加深度以及晶振频率的限制，必然存在过程误差，以及D/A变换和LPF也将引入一部分系统误差，为了计算整个信号发生过程的频率误差，设置了信号自校过程，由FFTIP函数反推输出频率，与初始频率进行比较得到频率精度，验证整个控制系统的稳定性和准确性。由于信号的其他三个参数(幅度、周期和脉宽)在整个信号控制过程中无明显变化，也就是误差很小，可以忽略，因此选取了频率值来验证系统精度。同时FFTIP函数受A/D采样频率和信号划分点数的限制，也存在过程误差，一并计入系统误差。

本发明的有益效果是：模拟器信号源的无线控制系统硬件结构分为上位机端和下位机端，信号源控制过程由信号发生和信号自校组成，上位机端的主程序软件在Android平台开发，具备开放式环境，方便试验人员开发软件，而且具备跨平台操作的优势，下位机端的FPGA开发板包含多种信号处理功能，能准确有效产生试验所需信号，二者之间的信号交互采用Bluetooth通信技术，不仅功耗小，成本低，而且易于操作，能够稳定可靠地无线传输信号参数和控制指令。

附图说明

图1模拟器信号源的无线控制系统的硬件结构图；

图2上位机端的主程序软件界面设计图；

图3信号控制主程序软件的工作流程图；

图4下位机端实物图(a)，下位机端硬件设计图(b)；

图5模拟器信号源的无线控制过程图；

图6信号源无线控制系统的数值仿真结果

其中：(a)输出信号的周期检测图，(b)输出信号的频率检测图，(c)FFTIP函数M文件信号频谱图。

具体实施方式

下面通过实例对本发明做进一步详细说明，这些实例仅用来说明本发明，并不限制本发明的范围；

实施例1

一种模拟器信号源的无线控制系统：

第一步，由Android平台设计编译上位机端信号控制主程序软件；

第二步，搭建下位机端FPGA开发板的信号源装置；

第三步，上位机端通过Bluetooth模块将试验信号参数及控制指令以无线方式传送至下位机端的FPGA开发板，经过一系列解码运算将模拟水声信号发送出去，完成信号发生控制过程；

第四步，下位机端采集输出信号，经过信号检测，再与初始信号进行参数比较，将自校结果传回上位机端，验证信号源控制系统的可靠性和准确性，完成信号自校控制过程。

为了进一步验证本发明方法的可行性、有效性和准确性，采用该信号源控制系统作为声纳模拟器设备，初始信号选择单脉冲信号，脉冲填充的信号形式为正弦，信号参数包括频率、幅度、脉宽、周期四种，控制指令包含连接设备、发射和停止三种，Bluetooth通信格式选定定长十六进制数据包结构，各参数按照设定顺序排列，格式末尾加上控制指令字，数据包格式从左到右依次为2B频率、1B幅度、2B周期、2B脉宽、1B工作命令控制字，共8个字节长度；参试人员手持Android平台设备与下位机端的距离是8m。

DDS仿真过程：首先设定信号参数为频率f₁＝12kHz、幅度A＝1v、周期T＝500ms、脉宽B＝200ms的单频脉冲信号。晶振频率为f_c＝10MHz，相位累加器深度2^N＝65536位，频率分辨率⊿f＝f_c/65536＝153Hz，由DDS方程反推频率控制字M＝2^N*f₁/f_c＝26.2，四舍五入取整数后M值取26，带入DDS方程计算理论输出信号的频率f_out＝3967Hz。将输出端连接示波器，信号周期的检测图如图6(a)所示，信号频率的检测图如图6(b)所示。

为了进一步验证该系统输出信号的频率精度，设置了10组信号的频率参数，从4.1kHz到5.0kHz，依次从上位机端发送指令到下位机端，最后在测试端口进行检测，得到的信号频率值如表1所示。

表110组信号的初始频率值和输出频率值的比较表

序号	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
											f0(Hz)	4100	4200	4300	4400	4500	4600	4700	4800	4900	5000
fj(Hz)	4101	4195	4291	4405	4499	4596	4691	4805	4901	4997

其中，f_j为测试端检测到的输出信号频率，e为输出频率域初始频率的标准差。

频率标准差e的方程为：

$e=\sqrt{\frac{1}{10}\underset{i=1}{\overset{10}{\Σ}}{\left(\frac{f_{ji}-f_{0i}}{f_{0i}}\right)}^2}---\left(4\right)$

将表1中的数据带入e的方程计算后得到e＝1.31‰。

FFTIP函数仿真过程：信号发生过程的输出信号作为信号自校过程的输入信号，A/D采样频率f₀＝300kHz，计算FFT的运算器精度⊿f₁＝f₀/1024＝293Hz。经过FPGA芯片内部的FFTIP和运算后，再输入到MATLAB语言编译的M文件中计算最大模值所在位置点K＝15，用MATLAB绘图得到信号频谱图，如图6(c)所示，带入兆核函数方程得到输出信号频率f_d＝(K-1)*f₀/1024＝4101Hz，与初始频率f₀＝4000Hz相比较，误差为101Hz，频率精度e_d＝|f_d-f₀|/f₀＝2.5％，精度较高，满足系统设计需求。

仿真计算结果表明：

1、从图6(a)可以检测输出信号的周期T_j＝500ms，与初始信号的周期完全一致；

2、从图6(b)可以检测输出信号的频率f_j＝4004Hz，与初始信号的频率的误差为4Hz，误差很小，频率精度很高；

3、图6验证了该模拟器信号源的无线信号控制系统的可行性，下位机端的测试端口能够收到信号，证明了Bluetooth无线通信畅通，也就是说在特定试验场合中使用无线控制系统的可靠性得到验证，输出信号各参数数值与初始信号对应参数数值误差很小，精度小于1‰，充分验证了该系统产生信号的准确性；

4、由表1中的数据计算得出的频率标准差的e数值小于2‰，这10组数据验证了DDS技术的稳定性和高精度，完全满足试验设计需求；

5、DDS技术在该系统中的有效应用可以加以拓展，也就是说，增加信号形式涵盖信息，在主程序软件界面加入1项带宽的参数信息，由上位机编程实现，就可以发送相应的参数信息和控制指令，控制下位机端生成单脉冲调频信号；如果在主程序软件界面设计两组信号参数，每一组参数信息包含平频率、幅度、周期、脉宽和带宽5个数据值，组内部设置控制指令，外部设计总控制指令，这样就可以灵活实现单脉冲和双脉冲的信号切换，即打开组内控制指令，发送双脉冲调频信号，反之则发送单脉冲调频信号，当然如果组内带宽数值设置为0时，表明该信号为单频信号，这样也就可以灵活选择是否发送双脉冲单频信号，设置双脉冲调频信号，更能满足试验需求，也就可以更清晰的模拟水下目标特性；

6、由图6(c)可以看出，FFTIP函数开发应用成功，运算稳定可靠，结果精度较高，实现了数字化自动校验输出信号的准确性，代替了人工操作，满足试验需求；

7、该系统采用的Bluetooth通信技术能满足近距离对模拟器信号源的无线控制，对于其他在试验过程中需要远距离无线遥控的设备，就要考虑无线电技术等方法来完成远距离的试验保障。

Claims (7)

1.一种模拟器信号源的无线控制系统,其特征在于：包括如下步骤：

(1)由Android平台设计编译上位机端信号控制主程序软件；

(2)搭建下位机端FPGA开发板的信号源装置；

(3)上位机端通过Bluetooth模块将试验信号参数及控制指令以无线方式传送至下位机端的FPGA开发板，经过一系列解码运算将模拟水声信号发送出去，完成信号发生控制过程；

(4)下位机端采集输出信号，经过信号检测，再与初始信号进行参数比较，将自校结果传回上位机端，验证信号源控制系统的可靠性和准确性，完成信号自校控制过程。

2.根据权利要求1所述一种模拟器信号源的无线控制系统，其特征在于：步骤(1)所述设计编译上位机端信号控制软件主程序中，上位机端硬件结构采用带Bluetooth模块的Android平台，开发工具为E-clipse，主程序由Java语言编写，主界面包含试验信号参数设置和控制指令选取。

3.根据权利要求1所述一种模拟器信号源的无线控制系统，其特征在于：步骤(1)所述主程序软件工作流程如下：

(1)软件开始，获取本地Bluetooth设备；

(2)检查本机Bluetooth设备是否开启，若未开启则提示是否开启，确定后开启Bluetooth，软件正常工作，否则退出；

(3)软件正常启动后开启Bluetooth服务，保证软件在后台时依然正常工作，不需重新连接设备；点击连接设备按钮，与下位机特定Bluetooth设备连接，连接方式通过更改UUID值确定；

(4)采用数字输入或滑块滑动设置频率等参数，设置完成后发送数据，同时提示数据发送成功，下位机接收到数据后反馈数据，上位机提示数据已正常接收，设备开始工作；

(5)需要更改参数时可重复步骤(4)，需要停止工作时可点击“停止”按钮，在发送各项参数为零的数据包尾，发送工作命令停止控制字，程序需退出时可随时退出。

4.根据权利要求1所述一种模拟器信号源的无线控制系统，其特征在于：步骤(2)所述的下位机端的硬件包括：Bluetooth模块、FPGA芯片、D/A或A/D芯片、低通滤波器LPF；

下位机端接收上位机端发送的无线信号，并将信号“翻译”为数据，通过串口形式发往FPGA开发板，FPGA芯片接收到数据后采用DDS技术生成波形信号，将结果送入D/A芯片，经过数模转换处理，再送入LPF，滤除高频混叠信号，保留低频信号，最后输出就是试验所需信号，输出信号回传至D/A芯片，进行A/D转换，得到数据输入到FFT兆核IP函数，计算输出频率和频率精度，将结果送回Bluetooth模块，以信息形式上传到上位机端的主程序。

5.根据权利要求1所述一种模拟器信号源的无线控制系统，其特征在于：步骤(3)所述信号发生控制过程步骤为：Android平台执行主程序软件将信号参数和控制指令以定长数据包格式通过无线方式传送至开发板的Bluetooth模块，采用DDS技术解算获取数字信号，经过D/A转换和低通滤波后生成试验所需信号，通过功率放大器，传送至换能器发到指定海域；再将输出的信号回传至开发板，经过A/D转换，得到数据，采用FFTIP函数方法解算信号频率参数，与设定的初始信号参数频率进行比较，判断两信号是否一致，将判定结果以信息形式发回至Android平台完成信号自校过程，同时验证该控制系统的可靠性和准确性；

DDS采用全数字结构，方程如下：

$f_{out}=\frac{{\mathrm{Mf}}_c}{2^N}---\left(1\right)$

其中，f_out为输出频率，f_c为采样时钟频率，N为相位累加器位宽，M为频率控制字；

在使用DDS方程的过程中，根据试验需求计算出来的M值往往不是整数，输出的信号频率与初始设定频率值会存在误差，将M的小数部分进行四舍五入，那么频率误差不会超过0.5⊿f，⊿f为频率分辨率，

频率分辨率的方程如下：

$\mathrm{\Δ}f=\frac{f_c}{2^N}---\left(2\right)$

FFTIP函数软件接收输出信号经过A/D转换后的结果，得到1024点数据，在FPGA软件中编程对这1024点数据进行求模值，找出最大值所在点的位置，按照如下公式计算信号频率f_d：

$f_d=\frac{(K-1)f_0}{2^N}---\left(3\right)$

其中，f₀为A/D采样频率，K为最大模值对应的位置。

6.根据权利要求4所述一种模拟器信号源的无线控制系统，其特征在于：所述DDS的基本工作过程为：

(1)根据所要输出的频率来确定频率控制字；

(2)对频率控制字进行循环累加；

(3)将相位寄存器锁存相位信息与相位控制字相加；

(4)截断相位信息的高位做ROM的寻址地址。

7.根据权利要求4所述一种模拟器信号源的无线控制系统，其特征在于：所述FFT兆核IP函数FFTmegacorefunction是集成在FPGA芯片中的软件函数，应用该函数的关键是采用VerilogHDL语言，在Quartus9.0软件下进行仿真，参数设置过程为：

(1)选择IPToolbench界面Parameters选项，将设备系列选为CycloneII，FFT转换长度设置为“1024points”，数据精度和旋转因子精度均为“16bit”；

(2)选择IPToolbench界面Architecture选项，将FFT引擎结构选为单输出“Signal-output”引擎结构，将I/O数据流结构选为突发“Burst”数据流结构；

(3)选择IPToolbench界面ImplementationOptions选项，将复数乘法器实现选为“4/Mults/2Adders”，乘法器实现的硬件单元选为“DSPBlocks/LogicCells”；

(4)在参数设置的同时，系统会自动运算占用的资源数目。