CN107807354A - 一种多用途通道一致性测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种多用途通道一致性测量系统。由采集处理单元、信号调理单元、显示控制单元、信号发生单元、供电单元、接口单元和触摸屏组成，可以同时测量40个通道的参数一致性。本发明的种多用途通道一致性测量系统，属于水声工程技术领域。可用于对水声设备中的多元接收水听器基阵各阵元、以及多通道水声接收机各通道之间的参数一致性进行测量。具备可编程生成测量信号的功能，能够实时显示测量结果，可以对待测的水声信号进行存储导出以及事后分析处理。

Description

一种多用途通道一致性测量系统

技术领域

本发明涉及的是一种信号参数测量系统，尤其是一种多用途通道一致性测量系统。

背景技术

在水声领域里，声纳设备往往采用基阵或矢量水听器作为接收信号的手段。基阵上多阵元之间，接收机上多通道之间的参数一致性会对声纳设备的性能造成严重影响。比如：矢量水听器阵列信号处理。矢量水听器各通道相位的一致性直接影响到信号处理算法的性能。由于矢量水听器能够直接测量声场空间处的声压和质点振速的若干正交分量，倘若矢量水听器的相位一致性不好，而且没有校准，后期的信号处理将直接受到影响。针对交流信号的幅值、相位和直流偏置，研究测量各个通道之间一致性的电路，具有一定的实际意义。

又如，在利用基阵进行接收的声呐系统中，对各个接收阵元之间和接收通道之间一致性要求很高。由于阵元和通道数量较多，通道一致性的测量工作量很大，用传统的信号源、示波器、电脑测试的方式必将费时又费力。因此，研制一套能够对基阵阵元之间或接收机通道之间进行一致性测量的设备具有很好的实际应用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具备可编程生成测量信号的功能，能够实时显示测量结果，可以对待测的水声信号进行存储导出以及事后分析处理的多用途通道一致性测量系统。

本发明的目的是这样实现的：

包括接口单元、信号调理单元、采集处理单元、显示控制单元、信号发生单元、供电单元和触摸屏；接口单元由输入插件和输出插件组成，输入插件与待测水声设备输出端相连，输出插件与待测水声设备的输入端相连；在测量声呐接收机时，显示控制单元将参数和控制信息下传给信号发生单元，信号发生单元产生相应的信号波形经过接口单元的输出插件送入待测声呐设备的接收机前端，接收机的输出端连接接口单元的输入插件，信号经信号调理单元进入采集处理单元，完成相关参数的测量，并进行通道间参数比较，测量结果送入显示控制单元，以表格、图形或曲线的形式进行显示；在测量声呐接收基阵时，基阵输出端连接接口单元的输入插件，基阵输出信号经输入插件进入信号调理单元，进行放大、滤波预处理之后，送入采集处理单元，完成模数转换，并进行相关参数检测，将检测结果送入显示控制单元，在显示控制单元的触摸屏上显示相应的检测结果曲线。

本发明还可以包括：

1、采集处理单元包括数据采集、存储和处理，主处理器为一片FPGA，还包括40个通道ADC转换器和3片FLASH芯片。

2、显示控制单元由ARM处理器、触摸屏和以太网接口组成，采集处理单元的FPGA通过SPI接口与ARM处理器完成数据交换，将处理结果传送给ARM，由ARM控制触摸屏完成测量结果的显示。

本发明提供了一种多用途通道一致性测量系统，可用于对水声设备中的多元接收水听器基阵各阵元、以及多通道水声接收机各通道之间的参数一致性进行测量。具备可编程生成测量信号的功能，能够实时显示测量结果，可以对待测的水声信号进行存储、导出以及事后分析处理，可以同时测量40个通道的参数一致性。该系统由接口单元、信号调理单元、采集处理单元、显示控制单元、信号发生单元、供电单元和触摸屏组成。本发明的主要特点体现在：

1、显示控制单元由ARM、触摸屏和以太网接口组成，ARM控制触摸屏的工作，触摸屏的接收信息在ARM中进行处理，处理结果通过ARM的并行总线传输给FPGA。信号发生单元和信号采集处理单元共用一片FPGA，便于实现内部数据传输和通信。FPGA按ARM下传的参数和控制信息生成相应的数据，控制DAC芯片完成数模转换，生成40个通道检测信号，为了实现长线传输，输出端设计了驱动增强电路。在FPGA生成检测信号的同时，相应的检测处理程序按预置的参数设置软件滤波器带宽、中心频率和检测门限等。信号调理单元输出端连接ADC芯片的输入端。ADC芯片的控制总线和数据总线连接FPGA的I/O口，模数转换后的原始数据在处理的同时，由FPGA控制存储在FLASH芯片中，以备事后处理时使用。

2、接口单元由输入插件和输出插件两部分组成，实现本发明的系统与待测水声设备之间的信号连通。输入插件与待测水声设备输出端相连，输出插件与待测水声设备的输入端相连。显示控制单元是本装置对外交互的工具，完成生成信号的参数设置、发射控制、检测参数设置、显示方式设置，存储/读取数据功能和参数设置等。在测量声呐接收机时，显示控制单元将参数和控制信息下传给信号发生单元，信号发生单元产生相应的信号波形经过接口单元的输出插件送入待测声呐设备的接收机前端，接收机的输出端连接接口单元的输入插件，信号经信号调理单元进入采集处理单元，完成相关参数的测量，并进行通道间参数比较，测量结果送入显示控制单元，以表格、图形或曲线的形式进行显示，可进行方式选择。在测量声呐接收基阵时，基阵输出端连接接口单元的输入插件，基阵输出信号经输入插件进入信号调理单元，进行放大、滤波等预处理之后，送入采集处理单元，完成模数转换，并进行相关参数检测，将检测结果送入显示控制单元，在显示控制单元的触摸屏上显示相应的检测结果曲线。

3、显示控制单元由ARM、触摸屏和以太网接口组成，ARM控制触摸屏的工作，触摸屏的接收信息在ARM中进行处理，处理结果通过ARM的并行总线传输给FPGA。信号发生单元和信号采集处理单元共用一片FPGA，便于实现内部数据传输和通信。FPGA按ARM下传的参数和控制信息生成相应的数据，控制DAC芯片完成数模转换，生成40个通道检测信号，为了实现长线传输，输出端设计了驱动增强电路。在FPGA生成检测信号的同时，相应的检测处理程序按预置的参数设置软件滤波器带宽、中心频率和检测门限等。信号调理单元输出端连接ADC芯片的输入端。ADC芯片的控制总线和数据总线连接FPGA的I/O口，模数转换后的原始数据在处理的同时，由FPGA控制存储在FLASH芯片中，以备事后处理时使用。

4、本发明的测量系统可用于对多通道水声接收机各通道之间，对多元接收水听器基阵各阵元之间的参数一致性进行测量。对多通道水声接收机各通道之间一致性的测量参数包括幅度、相位、直流偏置以及滤波器的通带响应。对多元接收水听器基阵各阵元之间的一致性测量参数包括接收灵敏度、相位等。

5、本发明的测量系统具备可编程生成测量信号的功能，即可依据测量需求生成相应形式的信号。测量人员通过触摸屏完成需要预置参数的输入，输入的信号参数包括频率、幅值、直流偏置和初始相位，可生成CW脉冲信号、LFM脉冲信号和连续波三种信号形式。

所述的测量系统能够实时显示测量结果。在触摸屏上通过显控软件显示各种参数一致性的测量结果，可依据测量通道数量设置显示结果的格式。

6、本发明的测量系统可对待测水声信号进行存储和导出，以备事后分析处理。在对水听器基阵的参数一致性进行测量时，需在水池或湖上等场合进行测量，对测量数据进行存储有利于事后对测试结果进行分析。

7、滤波器通带响应测试是指预先规定待测滤波器带宽及间隔频点，本装置的信号发生单元产生相应频率的待测信号传送给待测水声接收机，输出信号经信号调理单元、采集处理单元，自动完成通带响应的检测并输出频响曲线。

8、测量系统的供电模块，功能包括两个方面，为本装置内部电子设备供电，也可为待测接收机进行供电。

本发明的多用途通道一致性测量系统，属于水声工程技术领域。该系统可用于对水声设备中的多元接收水听器基阵各阵元、以及多通道水声接收机各通道之间的参数一致性进行测量。具备可编程生成测量信号的功能，能够实时显示测量结果，可以对待测的水声信号进行存储导出以及事后分析处理。该系统由采集处理单元、信号调理单元、显示控制单元、信号发生单元、供电单元、接口单元和触摸屏组成，可以同时测量40个通道的参数一致性。

附图说明

图1是本发明的系统整体结构框图。

图2是本发明的供电单元工作框图。

图3是本发明的信号调理单元结构框图。

图4是通道间幅相计算流程图。

图5是FPGA和ARM的软件功能框图。

图6是FPGA数据接收与处理流程图。

图7是ARM指令接收与处理流程图。

图8是数据存储流程图。

具体实施方式

下面举例对本发明做更详细的描述。

结合图1，本发明由信号调理单元、采集处理单元、显示控制单元、信号发生单元、供电单元和接口单元组成。

本装置的信号调理单元由射随、前级放大电路、滤波器、后级放大电路和光耦隔离电路组成，其中模拟电路的搭建选择OPA2376型低噪声运算放大器，光耦选择HCNR201型线性光耦。经测试，本装置自身的模拟放大电路一致性良好，幅度一致性在±0.1dB以内，相位一致性在±0.1°以内。

接口单元负责完成本装置与待测接收机的连接，分为信号连接线和电源连接线。信号连接线连接待测接收机或基阵的信号出入和输出端，电源连接线为待测接收机供电。本装置选择雷莫公司的FGG.00.304型接插件完成信号和电源的连接。

采集处理单元包括数据采集、存储和处理三种功能，主处理器为一片FPGA，还包括40个通道ADC转换器和3片FLASH芯片。FPGA选择的是Altera公司的EP4CE55F484型芯片，该型FPGA包含55856个逻辑单元，具备2340kb的内部存储容量，还有374个用户I/O。ADC芯片选择的是AD公司的AD7980型模数转换器，该芯片最高采样率可达1MSPS，采样精度16bit。FLASH芯片选择的是三星公司的K9HDG08U1B型FLASH，该芯片单片存储容量可达16GB，完全能够满足在最高采样率条件下，40个通道在10分钟之内的一致性结果存储需求。

显示控制单元由ARM处理器、触摸屏和以太网接口组成。采集处理单元的FPGA通过SPI接口与ARM处理器完成数据交换。将处理结果传送给ARM，由ARM控制触摸屏完成测量结果的显示。操作员可以通过触摸屏完成一些控制操作的输入。本装置选取了广州天嵌公司的TQ210型核心板。该核心板使用三星公司S5VP210芯片，核心板本身采用10层沉金工艺，底部有B2B接插件，核心板上配备DDR2、Nandflash和电源管理单元(PMU)，其功率仅1.5W。触摸屏选择了INNOLUX公司的AT070TN92型液晶屏，通过50脚的FPC连接ARM核心板，以实现指令的下发和结果的回传显示。

由DAC芯片、低通滤波器和驱动增强器组成，DAC芯片由显示控制单元的ARM处理器控制。操作员可通过触摸屏设置待发射信号的频率、脉宽、周期、幅度和初始相位。DAC芯片的输出信号经由低通滤波器平滑处理后输入驱动增强器，驱动增强器的功能是增加输出信号的带负载能力，输出信号送入待测接收机的输入端。本装置选择DAC8830完成数模转换，该芯片是一款16bit的低噪声DAC芯片，支持高达50MHz的SPI总线时钟。低通滤波器由OPA2376搭建，采用了切比雪夫型结构。驱动增强电路由MI4422结合外围分立元件组成，能有效地放大电路电流，增强信号驱动能力。

本装置由交流220V供电，经AC/DC变换后提供直流电源，采用逐级降压和分模块供电的方式，为系统各个部分供电，供电分级图见说明书附图2。

利用希尔伯特变化算法，通过比较两路复信号的幅相差进行通道间一致性测量。方法如下：对各个通道采样数据作希尔伯特变换，将实信号转换为复信号，选取一个通道作为基准通道，与基准通道的复信号的比值为复数，对该复数模值取对数后的结果即为相应通道与基准通道的幅度一致性结果，而该复数所对应的相角即为相应通道与基准通道的相位一致性结果。计算流程图如说明书附图4所示。

FPGA中的软件程序进行测试信号生成、多通道模拟信号采样、相幅一致性计算以及相关的数据缓存和传输工作。ARM中的应用程序解析PC机下发的指令、接收并存储由FPGA上传的数据，并按需将其回传给PC机。ARM和FGPA之间通过驱动程序实现底层数据交互，应用层包括三个线程实现应用功能。FPGA和ARM的软件功能框图可见附图5。

FPGA软件工作流程为：FPGA上电配置完成后，复位模块控制各寄存器复位清零，测试信号生成模块依据预置参数控制DAC8830生成测试信号，以实现对待测水声接收机的扫频功能；采样缓存模块分为并行5组，每组负责控制8片AD7980，同时完成对40个通道的并行采样，实现数据缓存；一致性计算模块通过时分复用的方式计算上述40路通道的在预置带宽内的幅相一致性，总线通信模块将测量结果传给ARM，在ARM上完成数据传输和存储。FPGA数据接收与处理流程可见附图6。

ARM软件工作流程为：上电初始化后接收PC机下发的指令和FPGA上传的数据，驱动程序模块实现应用层程序与FPGA之间的数据交换，应用程序模块分为三个线程，实现接收测量结果、数据存储和指令解析。ARM指令接收与处理流程可见说明书附图7。

数据存储功能是将测量结果和采集到的原始数据存入U盘，便于事后分析。在FPGA端设置乒乓缓存区，FPGA先向ping中写入数据，写满后向ARM发出中断请求，同时进行乒乓切换，继续将数据写入pong。ARM响应中断后，将ping中的数据读走，并继续等待pong写满后的中断，再读取pong中的数据，如此循环，直至将所有数据存储完毕。数据存储流程如附件图8所示。

Claims (3)

1.一种多用途通道一致性测量系统，包括接口单元、信号调理单元、采集处理单元、显示控制单元、信号发生单元、供电单元和触摸屏；其特征是：接口单元由输入插件和输出插件组成，输入插件与待测水声设备输出端相连，输出插件与待测水声设备的输入端相连；在测量声呐接收机时，显示控制单元将参数和控制信息下传给信号发生单元，信号发生单元产生相应的信号波形经过接口单元的输出插件送入待测声呐设备的接收机前端，接收机的输出端连接接口单元的输入插件，信号经信号调理单元进入采集处理单元，完成相关参数的测量，并进行通道间参数比较，测量结果送入显示控制单元，以表格、图形或曲线的形式进行显示；在测量声呐接收基阵时，基阵输出端连接接口单元的输入插件，基阵输出信号经输入插件进入信号调理单元，进行放大、滤波预处理之后，送入采集处理单元，完成模数转换，并进行相关参数检测，将检测结果送入显示控制单元，在显示控制单元的触摸屏上显示相应的检测结果曲线。

2.根据权利要求1所述的多用途通道一致性测量系统，其特征是：采集处理单元包括数据采集、存储和处理，主处理器为一片FPGA，还包括40个通道ADC转换器和3片FLASH芯片。

3.根据权利要求1或2所述的多用途通道一致性测量系统，其特征是：显示控制单元由ARM处理器、触摸屏和以太网接口组成，采集处理单元的FPGA通过SPI接口与ARM处理器完成数据交换，将处理结果传送给ARM，由ARM控制触摸屏完成测量结果的显示。