CN108362369B - 一种具备同步功能的自容式单通道海洋声信号测量装置 - Google Patents

一种具备同步功能的自容式单通道海洋声信号测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具备同步功能的自容式单通道海洋声信号测量装置，涉及海洋声信号测量技术领域，其特征在于：至少包括：传感器单元、用于接收传感器单元数据信号的控制系统、与控制系统进行数据交互的数据存储模块、为控制系统提供电能的电源系统、与控制系统电连接的控制系统电源管理电路、时钟芯片和值班电路；控制系统设有串行通信接口、以太网接口、USB接口、同步输入接口和参数设置接口；值班电路分别与电源系统、时钟芯片、同步输入接口和参数设置接口电连接；控制系统与值班电路通过IO管脚连接；通过采用上述技术方案，本发明实现海洋声信号的高速采集和大容量数据存储。

Description

一种具备同步功能的自容式单通道海洋声信号测量装置
技术领域
本发明涉及海洋声信号测量技术领域，特别是涉及一种具备同步功能的自容式单通道海洋声信号测量装置。
背景技术
水声技术是研究和探索海洋的主要手段，在熟知的各种能量形式中，只有声波在海洋中具有最佳的传播性能。海洋环境噪声看作是水声信道中的一种背景干扰场，无论是对主动声纳还是被动声纳，海洋环境噪声都是其不可避免的干扰，人为或自然产生的噪声作为水声信道的背景干扰场将直接影响各种声纳设备的性能；但海洋环境噪声中也蕴含了大量的水文、地质以及海洋生物信息，通过收集分析海洋环境噪声，可为进一步研究海洋气象、生态环境以及资源分布提供了条件。因此海洋环境噪声研究无论在民用还是军事上均具有非常重要的意义。
为提高水下声学设备的性能，需要对海洋环境噪声特性进行充分的调查和分析，深刻认识海洋环境噪声的时域、频域和空域等特性，这就要求对海洋环境噪声进行连续地测量。
常见的声学调查设备采用水声信号采集阵列系统。传统的水声信号采集阵列系统由水听器阵列和采集记录终端设备组成。
现在使用的水听器阵列在使用过程中有一些问题和不足，主要包括：水听器的位置不能随意变更；水听器阵列电缆任意一点的损害，都会造成整个系统无法正常工作；长距离供电和微弱信号输入造成信号质量较差等问题。由于以上原因，在实际的海洋调查过程中，不得不使用自容式单通道声学调查设备，但单通道调查设备工作模式预先设定，存在各设备之间同步和协同工作问题。
以下两个专利在解决存在的问题做了有益的尝试:
专利号为201210096442.1的发明专利一种深水无电缆连接的水声阵列系统及同步采集方法，采用高精度微型CPT原子钟守时，解决各阵元之间长期精准的同步。此方法水听器阵列与采集记录终端设备无电气连接，结构简单，但水听器阵列只能按照设定的工作方式工作；采用低功耗MCU作为接口控制单元完成数据采集和存储尽管功耗较低，但同时采样速率不会很高；采用四路32GB的SD卡存储数据，电路复杂且存储容量较小。
申请号为201510276119.6的发明专利阵列式海洋声信号测量系统，采集记录终端与单通道海洋声信号测量仪采用感应耦合方式完成单通道测量设备的同步和测量数据的获取。此方法可实现采集记录终端与单通道海洋声信号测量仪协同工作，但单通道海洋声信号测量仪与水上设备需要采用感应耦合方式通信，感应耦合通信电路复杂，数据传输速率较低，而且功耗较大，会减小单通道海洋声信号测量仪工作时间，不利于长期使用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种具备同步功能的自容式单通道海洋声信号测量装置；该具备同步功能的自容式单通道海洋声信号测量装置能够实现海洋声信号的高速采集和大容量数据存储。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：
一种具备同步功能的自容式单通道海洋声信号测量装置，至少包括：
传感器单元，所述传感器单元包括水听器、压力模块和温度模块；
用于接收传感器单元数据信号的控制系统，所述水听器通过A/D采集模块与控制系统进行数据交互；所述温度模块通过第一模数转换器与控制系统进行数据交互；所述压力模块通过第二模数转换器与控制系统进行数据交互；
与控制系统进行数据交互的数据存储模块；
所述控制系统设有串行通信接口、以太网接口、USB接口、同步输入接口和参数设置接口；
为所述控制系统提供电能的电源系统；
与所述控制系统电连接的控制系统电源管理电路和时钟芯片；
值班电路，所述值班电路分别与电源系统、时钟芯片、同步输入接口和参数设置接口电连接；控制系统与值班电路通过IO管脚连接；
所述同步输入接口的同步信号低电平有效；当测量装置作为单机使用时，同步输入接口和参数设置接口设置为低电平，当测量装置作为联网使用时，同步输入接口和参数设置接口设置为高电平；当测量装置联网使用时，作为主机的测量装置主动发出低电平信号，作为从机的测量装置接收低电平信号，实现多个测量装置的同步。
进一步：所述数据存储模块为microSDXCTM UHS-1存储卡，所述存储卡的存储容量为256GB，所述存储卡的读取速度95MB/秒，所述存储卡的的写入速度90MB/秒；所述控制系统与存储卡通过SSP接口连接。
进一步：还包括上位机，所述控制系统通过Zigbee模块与上位机进行数据交互。
进一步：所述控制系统为LPC1768ARM芯片。
进一步：所述A/D采集模块为24位精度ADS1271芯片。
进一步：所述时钟芯片的型号为DS3232；控制系统与时钟芯片采用I2C接口连接。
进一步：还包括圆柱形的密封舱，所述控制电路和电池组位于密封舱内，所述同步输入接口和参数设置接口位于密封舱的前端盖，所述温度模块的温度探头、压力模块的压力探头、通信端口和水听器位于密封舱的后端盖；通信端口与串行通信接口通过电缆连接，实现控制系统与上位机通信。
进一步：所述值班电路由单片机构成；值班电路控制控制系统上电和掉电；值班电路在控制系统上电后，作为看门狗使用，控制系统每隔一秒钟通过IO管脚给值班电路发送一个宽度为1ms的脉冲，作为喂狗信号，如果超过1.5秒，值班电路未收到喂狗信号，值班电路输出复位信号给控制系统复位，使控制系统重新启动。
进一步：所述测量装置在待机状态只有值班电路和实时时钟上电；当检测到有时钟芯片输入信号或同步输入接口和参数设置接口输入信号时，值班电路给控制系统上电；值班电路收到控制系统的结束信号或同步输入接口和参数设置接口输入信号去掉后，给控制系统断电。
进一步：所述串行通信接口、以太网接口和USB端口只预留I/O接口，串行通信接口、以太网接口和USB转换电路全部外置。
本发明具有的优点和积极效果是：
通过采用上述技术方案，本发明实现海洋声信号的高速采集和大容量数据存储；具体为：
本发明中AD采样速率为50kHz，数据存储容量达到256G字节。
本发明具备同步接口，可通过控制系统或上位机设置，既可以组成阵列系统联网进行同步测量，也可采用自容方式测量。
高可靠性：采用双CPU结构，值班电路采用工业级单片机，无外围电路，电路简单，可靠性高；值班电路具备内置Watchdog，同时作为控制系统的Watchdog，当系统出现异常时可及时恢复。嵌入式控制器负责数据采集、存储、通信等功能。
超低功耗：采用低功耗单片机作为值班电路，系统在待机状态只有值班电路和实时时钟上电；对本装置内各功能模块实施电源管理，按需上电，可有效降低功耗；本装置串口、以太网/USB端口只预留I/O接口，串口、以太网/USB转换电路全部外置，这样不但可降低系统功耗，还会使电路简单，增加系统可靠性。
附图说明
图1为本发明优选实施例的电路框图；
图2为本发明优选实施例中自容式单通道海洋声信号测量装置的电源系统电路框图；
图3为本发明优选实施例中自容式单通道海洋声信号测量装置的电源管理电路框图；
图4为本发明优选实施例中自容式单通道海洋声信号测量装置的通信电路框图；
图5为本发明优选实施例中自容式单通道海洋声信号测量装置的外形结构图；
图6为本发明优选实施例中自容式单通道海洋声信号测量装置的值班电路工作时序图；
图7为本发明优选实施例中自容式单通道海洋声信号测量装置的自容式单通道海洋声信号测量装置时序图；
图中标记说明：1、控制系统；2、存储卡；3、A/D采集模块；4、串行通信接口；5、温度模块；6、压力模块；7、电源系统；8、时钟芯片；9、值班电路；10、同步接口；11、数据卸载口；12、水听器；13、控制系统电源管理电路；14、值班电路电源；15、控制系统电源；16、模拟电路电源；17、可控开关A；18、可控开关B；19、可控开关C；20、可控开关D；21、可控开关E；22、可控开关F；23、RS232接口电路；24、GPS；25、ZigBee模块A；26、ZigBee模块B；27、以太网/USB接口电路；28、上位机；29、同步/设置端口；30、密封舱；31、电池组；32、控制电路；33、温度探头；34、压力探头；35、通信端口。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
请参阅图1至图7，一种具备同步功能的自容式单通道海洋声信号测量装置，包括：
传感器单元，所述传感器单元包括水听器12、压力模块6和温度模块5；
用于接收传感器单元数据信号的控制系统1，所述水听器12通过A/D采集模块3与控制系统1进行数据交互；所述温度模5块通过第一模数转换器AD1与控制系统1进行数据交互；所述压力模块6通过第二模数转换器AD2与控制系统1进行数据交互；本优选实施例中，控制系统1采用ARM芯片LPC1768作为控制系统，LPC1768是NXP公司推出的基于ARM Cortex-M3内核的微控制器LPC17XX系列中的一员。LPC17XX系列Cortex-M3微处理器用于处理要求高度集成和低功耗的嵌入式应用。LPC1700系列微控制器的操作频率可达100MHz。ARMCortex-M3 CPU具有3级流水线和哈佛结构。LPC17XX系列微控制器的外设组件包含高达512KB的flash存储器、64KB的数据存储器、以太网MAC、USB主机/从机/OTG接口、8通道DMA控制器、4个UART、2条CAN通道、2个SSP控制器、SPI接口、3个I2C接口、2输入和2输出的IIS接口、8通道的12位ADC、10位DAC、电机控制PWM、正交编码器接口、4个通用定时器、6输出的通用PWM、带有独立电池供电的超低功耗RTC和多大70个的通用IO管脚。LPC1768作为控制系统不用外扩程序存储器、数据存储器和IO接口，单一芯片即可满足系统要求，无需外围电路，有效提高可靠性，降低功耗。
与控制系统1进行数据交互的数据存储模块；
所述控制系统设有串行通信接口4、同步接口10、数据卸载口11；上述同步接口具体为同步输入接口和参数设置接口；上述数据卸载口11具体为以太网接口和USB接口。
为所述控制系统提供电能的电源系统7；
与所述控制系统电连接的控制系统电源管理电路13和时钟芯片8；
值班电路9，所述值班电路14分别与电源系统、时钟芯片、同步输入接口和参数设置接口电连接；控制系统与值班电路通过IO管脚连接；
所述同步输入接口的同步信号低电平有效；当测量装置作为单机使用时，同步输入接口和参数设置接口设置为低电平，当测量装置作为联网使用时，同步输入接口和参数设置接口设置为高电平；当测量装置联网使用时，作为主机的测量装置主动发出低电平信号，作为从机的测量装置接收低电平信号，实现多个测量装置的同步。
在上述优选实施例中：
数据存储模块采用microSDXCTM UHS-1存储卡2，存储容量256GB(字节)，读取速度95MB/秒，写入速度90MB/秒。
控制系统与存储卡通过SSP接口连接，实现数据快速读取。存储卡用来存储A/D采集数据和工作参数。
A/D采集模块采用采用TI公司生产的24位精度ADS1271芯片为模数转换电路，ADS1271有三种可选的工作模式可实现速度(105kSPS的数据速率)、分辩率(109dB SNR)以及功耗(40mw)的优化。
水听器信号输出连接到A/D采集模块模拟输入端口，由A/D采集模块转换为24位精度的数字信号，并通过串行的SSP接口输送到控制系统。
控制系统与A/D采集模块通过SSP接口和IO管脚连接，实现数据快速采集。
时钟芯片采用DS3232，它是低成本温度补偿晶体振荡器(TCXO)，内置精度极高的温度补偿实时时钟(RTC)以及236字节电池备份SRAM。此外，DS3232还具有电池输入，可在器件主电源掉电时保持精确计时。集成晶振提高了器件的长期精度，并减少了生产线的元件数量。
控制系统与时钟芯片采用I2C接口连接，实现时钟读写和控制。控制系统在自容式工作方式时，控制系统将下一次启动时间写入时钟芯片，到达启动时间后，时钟芯片输出信号(INT)到值班电路，值班电路收到信号后，立即给控制系统上电，控制系统按照设定的工作模式完成数据采集，而后写入下一次启动时间，到达下一次启动时间后，时钟芯片再次输出信号(INT)到值班电路，启动下一次测量。
控制系统通过自身携带的AD端口完成温度模块与压力模块的模拟信号采集，实现温度和压力测量。其中AD1与温度模块连接，AD2与压力模块连接。
控制系统与值班电路通过IO管脚连接。
值班电路由Microchip公司单片机PIC16F505构成，PIC16F505使用4MHz的高精度内部振荡器，PIC16F505有12个IO引脚，只要一个芯片没有其它外围电路。
值班电路工作时序图如图6。自容式单通道海洋声信号测量装置中的值班电路一直上电，检测时钟芯片输入信号(INT)和同步输入/参数设置接口输入信号，当检测到有信号输入时，值班电路给控制系统上电；值班电路在控制系统上电后，作为看门狗(WatchDog)使用，控制系统每隔一秒钟通过IO管脚(OFF)给值班电路发送一个宽度为1ms的脉冲，作为喂狗信号，如果超过1.5秒，值班电路未收到喂狗信号，值班电路输出复位信号(RESET)给控制系统复位，使控制系统重新启动；控制系统在完成工作后，拉高IO管脚(OFF)，值班电路检测到后，给控制系统断电，然后重复以上动作。
如图2所示，本发明优选实施例中的电源系统7的电路框图说明如下：
自容式单通道海洋声信号测量装置的电源由电池组31提供。
电池组31通过电源转换模块实现值班电路电源14供电，此路电源为长供电。
控制系统电源15和模拟电路电源16由值班电路控制，值班电路通过OFF2控制控制系统电源上电和掉电，值班电路通过OFF1控制模拟电路电源上电和掉电。
控制系统通过自身携带的AD端口与经过电阻分压的电池组电压输出连接，实现电池组电压监测，控制系统的AD0与电阻分压的电池组电压输出连接。控制系统检测到电池组电压过低，停止数据采集并记录，以保证采集数据质量。
如图3所示，本发明优选实施例中的控制系统电源管理电路框图说明如下：
控制系统通过IO管脚(OFF3-OFF8)对自身携带的设备和器件实施电源管理，按需上电。
控制系统通过OFF3管脚控制可控开关A17，控制存储卡的上电和掉电。
控制系统通过OFF4管脚控制可控开关B18，控制温度模块的上电和掉电。
控制系统通过OFF5管脚控制可控开关C19，控制压力模块的上电和掉电。
控制系统通过OFF6管脚控制可控开关D20，控制A/D采集模块数字部分电路的上电和掉电。
控制系统通过OFF7管脚控制可控开关E21，控制A/D采集模块模拟部分和水听器的上电和掉电。
控制系统通过OFF8管脚控制可控开关F22，控制同步输入/参数设置接口的上电和掉电。
如图4所示，本发明优选实施例中的通信电路框图说明如下：
为降低系统功耗，减小电路板面积，控制系统只将与通信接口有关的管脚引出，通信接口转换电路(图4中虚线部分)全部外置。
控制系统将UART1和UART2与串行通讯接口连接。
UART2通过RS232接口电路23与GPS24连接，实现系统校时和定位。控制系统通过ZigBee模块与上位机实现无线通信，完成系统自检、测试和参数设置工作，其中，UART1与ZigBee模块A25连接，上位机与ZigBee模块B26连接。当自容式单通道海洋声信号测量装置工作在联网模式，GPS也可与上位机连接，控制系统通过上位机实现系统校时。
控制系统以太网/USB接口通过以太网/USB接口电路27与上位机28连接，实现大容量测量数据的快速卸载，其中，控制系统通过自身携带的以太网/USB管脚与以太网/USB接口连接，以太网/USB接口通过以太网/USB接口电路与上位机连接。
如图5所示，控制电路32和电池组31放置在密封舱30中。同步/参数设置端口29放置在前端盖，温度模块中的温度探头33、压力模块中的压力探头34、通信端口35和水听器12放置在后端盖。其中，通信端口35与串行通信接口通过电缆连接，实现控制系统与上位机通信。
自容式单通道海洋声信号测量装置在每次执行测量任务前，首先要进行自检和测试，确认各部分正常后，对系统校时，然后是参数设置。参数设置主要包括：测量模式(连续测量、定时测量)、开始时间、结束时间、测量间隔、每次测量时间等。
自容式单通道海洋声信号测量装置时序图如图7。
系统上电后，首先打开存储卡电源，通过存储卡读取系统当前状态。
如果未进入测量模式，在此相应上位机命令并处理。否则进入测量模式，给A/D采集模块、温度模块、压力模块等上电。
同步信号有效时输出高电平脉冲信号。自容式单通道海洋声信号测量装置作为单机版使用时，将同步信号设置为低电平，使同步信号有效，直接进入下一步。
如果联网测量，需在此等待同步信号(从机)，或主动发出同步信号(主机)。自容式单通道海洋声信号测量装置为了节省功耗又不错过同步信号，从机在设置启动时间时一般提前几秒钟。
按照设定时序开始测量水听器信号并存储测量数据，测量过程中，控制系统通过中断方式每秒采集一次温度、压力数据，并存储到存储卡中。测量工作完成后，判断是否到达结束时间，如果没有到达结束时间，写入下一次启动时间，发送关闭控制系统电源信号；否则，直接发送关闭控制系统电源信号。
至此，完成一次测量，当时钟到达下一次启动时间，开始写一次测量。
在此过程中，控制系统一直以中断方式通过UART1接收上位机命令，并及时处理。上位机的命令主要包括自检、测试、参数设置和使命设置等操作。同时，控制系统定时检测电池电压，如果发现电池电压过低，则直接发送关闭控制系统电源信号，停止测量。
自容式单通道海洋声信号测量装置有定时和连续两种测量方式。自容式单通道海洋声信号测量装置到达启动时间后，开始测量，在定时测量方式时，按照设定的时间间隔启动，测量设定的时间，然后写入下一次的启动时间；在连续测量方式，系统不间断测量，直至到达结束时间。
自容式单通道海洋声信号测量装置的工作方式灵活，可单机工作；也可组网工作，在组网工作时装置可设置为主机或从机，同时，在组网工作时，装置的位置可以灵活布放。
一种具备同步功能的自容式单通道海洋声信号测量装置主要功能如下：
具有两种工作模式：定时工作或连续工作；
AD采样速率：50kHz；
采用256G的microSDXC卡存储噪声数据；
具有压力传感器和温度传感器数据的采集存储功能；
具有存储数据快速回放(以太网或USB)功能；
内置实时时钟；
具有同步接口，可组网使用，实现数据同步；
具有电源管理功能。
以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (10)

1.一种具备同步功能的自容式单通道海洋声信号测量装置，其特征在于：至少包括：
传感器单元，所述传感器单元包括水听器、压力模块和温度模块；
用于接收传感器单元数据信号的控制系统，所述水听器通过A/D采集模块与控制系统进行数据交互；所述温度模块通过第一模数转换器与控制系统进行数据交互；所述压力模块通过第二模数转换器与控制系统进行数据交互；
与控制系统进行数据交互的数据存储模块；
所述控制系统设有串行通信接口、以太网接口、USB接口、同步输入接口和参数设置接口；
为所述控制系统提供电能的电源系统；
与所述控制系统电连接的控制系统电源管理电路和时钟芯片；
值班电路，所述值班电路分别与电源系统、时钟芯片、同步输入接口和参数设置接口电连接；控制系统与值班电路通过IO管脚连接；
所述同步输入接口的同步信号低电平有效；当测量装置作为单机使用时，同步输入接口和参数设置接口设置为低电平，当测量装置作为联网使用时，同步输入接口和参数设置接口设置为高电平；当测量装置联网使用时，作为主机的测量装置主动发出低电平信号，作为从机的测量装置接收低电平信号，实现多个测量装置的同步。
2.根据权利要求1所述的具备同步功能的自容式单通道海洋声信号测量装置，其特征在于：所述数据存储模块为microSDXCTM UHS-1存储卡，所述存储卡的存储容量为256GB，所述存储卡的读取速度95MB/秒，所述存储卡的的写入速度90MB/秒；所述控制系统与存储卡通过SSP接口连接。
3.根据权利要求1所述的具备同步功能的自容式单通道海洋声信号测量装置，其特征在于：还包括上位机，所述控制系统通过Zigbee模块与上位机进行数据交互。
4.根据权利要求1所述的具备同步功能的自容式单通道海洋声信号测量装置，其特征在于：所述控制系统为LPC1768ARM芯片。
5.根据权利要求1所述的具备同步功能的自容式单通道海洋声信号测量装置，其特征在于：所述A/D采集模块为24位精度ADS1271芯片。
6.根据权利要求1所述的具备同步功能的自容式单通道海洋声信号测量装置，其特征在于：所述时钟芯片的型号为DS3232；控制系统与时钟芯片采用I2C接口连接。
7.根据权利要求1所述的具备同步功能的自容式单通道海洋声信号测量装置，其特征在于：还包括圆柱形的密封舱，所述控制系统和电池组位于密封舱内，所述同步输入接口和参数设置接口位于密封舱的前端盖，所述温度模块的温度探头、压力模块的压力探头、通信端口和水听器位于密封舱的后端盖；通信端口与串行通信接口通过电缆连接，实现控制系统与上位机通信。
8.根据权利要求1所述的具备同步功能的自容式单通道海洋声信号测量装置，其特征在于：所述值班电路由单片机构成；值班电路控制控制系统上电和掉电；值班电路在控制系统上电后，作为看门狗使用，控制系统每隔一秒钟通过IO管脚给值班电路发送一个宽度为1ms的脉冲，作为喂狗信号，如果超过1.5秒，值班电路未收到喂狗信号，值班电路输出复位信号给控制系统复位，使控制系统重新启动。
9.根据权利要求1所述的具备同步功能的自容式单通道海洋声信号测量装置，其特征在于：所述测量装置在待机状态只有值班电路和实时时钟上电；当检测到有时钟芯片输入信号或同步输入接口和参数设置接口输入信号时，值班电路给控制系统上电；值班电路收到控制系统的结束信号或同步输入接口和参数设置接口输入信号去掉后，给控制系统断电。
10.根据权利要求1所述的具备同步功能的自容式单通道海洋声信号测量装置，其特征在于：所述串行通信接口、以太网接口和USB端口只预留I/O接口，串行通信接口、以太网接口和USB转换电路全部外置。
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