CN115236678A - 一种水下信号采集记录处理系统的低功耗方法 - Google Patents

一种水下信号采集记录处理系统的低功耗方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种水下信号采集记录处理系统的低功耗方法，涉及电子系统功耗优化技术领域。该水下信号采集记录处理系统的低功耗方法，包括水声信号数据接收传感器、水声信号数据调理采集模块、信号处理模块、存储模块、主控模块、电源管理模块和其他辅助工作模块。通过在系统中设计控制系统、信号处理系统、存储系统及外围传感系统，低功耗的控制覆盖了设备工作的多个阶段和多种工作场景，有效解决水下复杂系统在不同场景下工作期间的功耗问题，实现电池的有效利用，延长设备工作时间。

Description

一种水下信号采集记录处理系统的低功耗方法
技术领域
本发明涉及电子系统功耗优化技术领域，具体为一种水下信号采集记录处理系统的低功耗方法。
背景技术
地球上有2/3的面积为海洋，当今海底观测技术已经成为新的热点。潜标系统是海洋观测和水下探测的重要技术装备,具有在恶劣的海洋环境条件下,无人值守的长期、连续、同步、自动地对海洋水文、气象、舰船信号、生物目标等诸要素进行全面综合监测的特点,是离岸监测的重要手段。水下信号采集记录系统作为潜标的载荷，主要监测对象为水中舰船或其他声纳装置发出的水声信号。
水下信号采集记录系统在水下工作期间，电源供给来源于潜标自身携带的定量的一次性电池，受潜标能源限制，为了延长设备在水下的工作时间，必须开展系统低功耗设计。目前的低功耗设计方案主要针对某一电路芯片或简单场景，随着水下装备的电子系统越来越复杂，需针对复杂电子系统或复杂工作场景开展低功耗设计。
专利号CN 104375619 A公开了一种“单片机系统低功耗设计方法”，以单片机系统的能量消耗为主要的技术指标，考虑了不同逻辑电路类型，在单片机系统工作过程中,根据负载实际情况,采用数字电路和模拟电路的混合控制法,调节系统或其中某些部件的工作电压,使工作电压连续变化,从而达到降低能耗的目的；根据负载实际情况,采用倍比变化,调节整个系统或其中某些部件的工作频率,从而达到降低能耗的目的，但系统仅包含一个单片机，单片机通过调节其他模块电压或工作状态实现低功耗。
专利号CN 109613970 A公开了“一种基于FPGA和DSP架构的低功耗处理方法”，包括以下步骤：系统上电启动后，FPGA完成自身配置和DSP完成初始化，FPGA和DSP处于低功耗工作模式；当DSP接收到外部数据时，中断低功耗模式，跳转至正常工作模式；当DSP检测到外部正常工作指令时，控制FPGA跳转至正常工作模式，完成正常的时序工作；正常的时序工作完成后，FPGA根据DSP的外部控制或自动进入低功耗工作模式；该方法只涉及FPGA和DSP，难以满足对与整个系统进行低功耗设计的要求。
专利号CN 109581903 A公开了“一种水下滑翔机控制器低功耗装置及其控制方法”，装置包括：微处理器单元、电源转换单元、存储管理单元、外设管理单元、串口扩展单元。电源转换单元选用转换效率高LM2672电压转换芯片，微处理器单元控制电源转换单元工作状态；存储管理单元选用SD卡作为存储介质，当SD卡处于待机状态时，微处理器单元关闭SD卡工作电源，使其进入低功耗状态；外设管理单元选用导通内阻低CMOS场效应管，设计外设电源开关电路，微处理器单元控制外设管理单元工作状态；串口扩展单元选用具有低功耗模式的WK21XX系列芯片，扩展控制器串口数量，微处理器单元通过修改WK21XX寄存器改变其工作状态；该方案中电路过于简单，只是通过一个处理器控制整个系统，无信号处理流程；滑翔机工作模式单一，在下潜和上浮时为低功耗待机模式，在通信阶段时为工作模式。
为此，我们研发出了新的一种水下信号采集记录处理系统的低功耗方法。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种水下信号采集记录处理系统的低功耗方法，解决了水下复杂系统在不同场景下工作期间的功耗高的问题，实现了电池的有效利用，延长设备工作时间。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种水下信号采集记录处理系统，包括水声信号数据接收传感器、水声信号数据调理采集模块、信号处理模块、存储模块、主控模块、电源管理模块和其他辅助工作模块；
所述水声信号数据接收传感器用于接收水面舰船、水下目标和水中生物产生的水声信号；
所述水声信号数据调理采集模块用于水声信号放大、滤波和AD转换；
所述信号处理模块用于水声信号检测识别和特征提取；
所述存储模块用于存储系统运行日志数据、水声信号原始数据和水声信号特征数据；
所述主控模块用于根据接收的指令或检测信号特征对系统工作模式控制；
所述电源管理模块负责将电池电源进行电压转换，并给其他各单元供电；
所述其他辅助工作模块包括压力传感器和北斗定位模块；
进一步的，压力传感器用于获取工作深度，北斗定位模块用于获取北斗位置信息。
优选的，所述信号处理模块包括MCU、FPGA和DSP+ARM；
进一步的，MCU选用超低功耗MSP432P4111系列处理器，FPGA选用超低功耗iCE40HX系列处理器，DSP+ARM选用低功耗的浮点数字信号处理器OMAP-L138进行水声通信信号检测识别。
优选的，所述主控模块选用STM32F767IGT6低功耗高性能微处理器。
优选的，所述水下信号采集记录处理系统有多个工作模式，包括待机模块、数据连续采集存储不分析模式、数据连续采集分析存储模式和触发模式。
一种水下信号采集记录处理系统的低功耗方法，包括以下具体步骤：
S1.潜标在布放和回收期间，或潜标在水下但不需要开展信号接收任务时，设置为待机工作模式，此时只有主控模块持续上电，压力传感器间隔15分钟上电监测，潜标在水面时北斗定位模块上电，潜标到水中后北斗模块断电；
S2.当潜标执行短时任务，且任务目标不明确的情况下，潜标在水下的工作模式设置为数据连续采集存储不分析模式，只进行数据的接收、采集和存储，此时水声信号数据接收传感器上电、水声信号数据调理采集模块上电、存储模块上电、主控模块上电，压力传感器间隔15分钟上电监测，潜标在水面时北斗定位模块上电，潜标到水中后北斗模块断电、信号处理模块断电；为了进一步降低功耗，水声数据首先存储在SD卡中，间隔15分钟将数据按批次存储至硬盘中，降低硬盘写盘的功耗；潜标回收后导出原始数据，清空存储硬盘，潜标可继续使用，有效节省设备电源消耗；
S3.当潜标执行长时任务，且任务目标基本明确的情况下，潜标在水下的工作模式设置为数据连续采集分析存储模式，需要完成水下信号的自主处理，此时水声信号数据接收传感器上电、水声信号数据调理采集模块上电、信号处理模块上电、存储模块上电、主控模块上电，压力传感器间隔15分钟上电监测，潜标在水面时北斗定位模块上电，潜标到水中后北斗模块断电；为了进一步降低功耗，水声数据首先存储在SD卡中，间隔15分钟将数据按批次存储至硬盘中，降低硬盘写盘的功耗；潜标回收后导出原始数据和水下数据处理结果，可快速获取情报信息；
S4.当潜标执行超长时间任务，且任务目标比较模糊的情况下，潜标在水下的工作模式设置为触发模式，水下信号采集记录处理系统首先进行有用信号的低功耗检测，此时水声信号数据接收传感器上电、水声信号数据调理采集模块上电、信号处理模块MCU上电、主控模块上电，压力传感器间隔15分钟上电监测，潜标在水面时北斗定位模块上电，潜标到水中后北斗模块断电，信号处理模块FPGA+DSP断电、存储模块断电；当检测到信号后开启信号识别和数据存储，此时水声信号数据接收传感器上电、水声信号数据调理采集模块上电、信号处理模块上电、存储模块上电、主控模块上电，压力传感器间隔15分钟上电监测，潜标在水面时北斗定位模块上电，潜标到水中后北斗模块断电；为了进一步降低功耗，水声数据首先存储在SD卡中，间隔15分钟将数据按批次存储至硬盘中，降低硬盘写盘的功耗；潜标回收后导出原始数据和水下数据处理结果，可快速获取情报信息。
优选的，所述S2中潜标执行短时任务时间一般为一周。
优选的，所述S3中潜标执行长时任务时间一般为一周至一个月。
优选的，所述S4中潜标执行超长时间任务时间一般大于一个月。
(三)有益效果
本发明提供了一种水下信号采集记录处理系统的低功耗方法。具备以下有益效果：
1、该水下信号采集记录处理系统的低功耗方法，通过在系统中设计控制系统、信号处理系统、存储系统及外围传感系统，低功耗的控制覆盖了设备工作的多个阶段和多种工作场景，有效解决水下复杂系统在不同场景下工作期间的功耗问题，实现电池的有效利用，延长设备工作时间。
2、该水下信号采集记录处理系统的低功耗方法，满足了水下信号采集记录处理系统性能要求高、工作时间长、工作场景复杂的应用需求，同时也实现了系统低功耗设计的目标。
附图说明
图1为本发明水下信号采集分析处理系统结构原理图；
图2为本发明水下信号采集分析处理系统核心系统工作流程图；
图3为本发明水下信号采集分析处理系统外围系统工作流程图；
图4为本发明水下信号采集分析处理系统触发流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例：
如图1-4所示，本发明实施例提供一种水下信号采集记录处理系统，包括水声信号数据接收传感器、水声信号数据调理采集模块、信号处理模块、存储模块、主控模块、电源管理模块和其他辅助工作模块；
水声信号数据接收传感器，用于接收水面舰船、水下目标、水中生物等产生的水声信号；
水声信号数据调理采集模块，用于水声信号放大、滤波、AD转换等；
信号处理模块，用于水声信号检测识别和特征提取；
存储模块，用于存储系统运行日志数据、水声信号原始数据和水声信号特征数据；
主控模块，用于根据接收的指令或检测信号特征对系统工作模式控制；
电源管理模块，用于将电池电源进行电压转换，给其他各单元供电。
其他辅助工作模块包括压力传感器和北斗定位模块，压力传感器用于获取工作深度，北斗定位模块用于获取北斗位置信息。
如图1所示，水声信号数据接收传感器、水声信号数据调理采集模块、信号处理模块、存储模块、主控模块和其他辅助工作模块由电源管理模块供电；
水声信号数据接收传感器信号端接入水声信号数据调理采集模块，通过AD转换后为数字信号，数字信号存入SD卡，并通过SPI高速数据接口传入信号处理模块，SD卡数据积累15分钟后批次存入存储硬盘中，图中单箭头表示数据传输方向。
主控模块通过电源管理模块控制各个模块上下电，同时也可获取各模块的电压信息，为图中双箭头表示。
主控模块通过串口连接信号处理模块，将工作模式以串口指令的方式发送给信号处理模块，为图中空心箭头表示。信号处理模块首先完成MCU的上电，根据设定的工作模式由MCU完成FPGA和DSP上下电。
信号处理模块MCU选用超低功耗MSP432P4111系列处理器，FPGA选用超低功耗iCE40HX系列处理器，DSP+ARM选用低功耗的浮点数字信号处理器OMAP-L138进行水声通信信号检测识别。
主控模块选用STM32F767IGT6低功耗高性能微处理器。
如图2所示，水下信号采集记录处理系统在使用的过程中包含布放前准备、布放、水下工作、回收4个工作阶段，在水下工作期间水下信号采集记录处理系统核心系统有多个工作模式：待机模块、数据连续采集存储不分析模式、数据连续采集分析存储模式和触发模式。
水下信号采集记录处理系统的低功耗方法，包括以下具体步骤：
S1.潜标在布放和回收期间，或潜标在水下但不需要开展信号接收任务时，设置为待机工作模式，此时只有主控模块持续上电，压力传感器间隔15分钟上电监测，潜标在水面时北斗定位模块上电，潜标到水中后北斗模块断电；
S2.当潜标执行短时任务(一周左右)且任务目标不明确的情况下，潜标在水下的工作模式设置为数据连续采集存储不分析模式，只进行数据的接收、采集和存储，此时水声信号数据接收传感器上电、水声信号数据调理采集模块上电、存储模块上电、主控模块上电，压力传感器间隔15分钟上电监测，潜标在水面时北斗定位模块上电，潜标到水中后北斗模块断电、信号处理模块断电；为了进一步降低功耗，水声数据首先存储在SD卡中，间隔15分钟将数据按批次存储至硬盘中，降低硬盘写盘的功耗；潜标回收后导出原始数据，清空存储硬盘，潜标可继续使用，有效节省设备电源消耗；
S3.当潜标执行长时任务(一周至一个月)且任务目标基本明确的情况下，潜标在水下的工作模式设置为数据连续采集分析存储模式，需要完成水下信号的自主处理，此时水声信号数据接收传感器上电、水声信号数据调理采集模块上电、信号处理模块上电、存储模块上电、主控模块上电，压力传感器间隔15分钟上电监测，潜标在水面时北斗定位模块上电，潜标到水中后北斗模块断电；为了进一步降低功耗，水声数据首先存储在SD卡中，间隔15分钟将数据按批次存储至硬盘中，降低硬盘写盘的功耗；潜标回收后导出原始数据和水下数据处理结果，可快速获取情报信息；
S4.当潜标执行超长时间任务(大于一个月)且任务目标比较模糊的情况下，潜标在水下的工作模式设置为触发模式，水下信号采集记录处理系统首先进行有用信号的低功耗检测，此时水声信号数据接收传感器上电、水声信号数据调理采集模块上电、信号处理模块MCU上电、主控模块上电，压力传感器间隔15分钟上电监测，潜标在水面时北斗定位模块上电，潜标到水中后北斗模块断电，信号处理模块FPGA+DSP断电、存储模块断电；当检测到信号后开启信号识别和数据存储，此时水声信号数据接收传感器上电、水声信号数据调理采集模块上电、信号处理模块上电、存储模块上电、主控模块上电，压力传感器间隔15分钟上电监测，潜标在水面时北斗定位模块上电，潜标到水中后北斗模块断电；为了进一步降低功耗，水声数据首先存储在SD卡中，间隔15分钟将数据按批次存储至硬盘中，降低硬盘写盘的功耗；潜标回收后导出原始数据和水下数据处理结果，可快速获取情报信息。
如图3所示，水下信号采集记录处理系统在工作中需要有其他辅助工作模块(压力传感器和北斗定位模块)提供设备深度和位置信息，设备在布放前上电，北斗定位模块开启进行北斗定位和授时，定位授时完成后，北斗模块断电；压力传感器间隔15分钟上下电一次，由主控模块读取当前深度值。
设备布放和水下工作期间北斗定位模块均断电，压力传感器间隔15分钟上下电一次，由主控模块读取当前深度值。
设备在水下任务执行完成后，发送释放指令回收设备，当设备上浮到布放深度20％的深度值后，压力传感器和北斗定位模块保持上电，保证设备安全。
如图4所示，设备上电后，发送设置工作模式指令到主控模块，设置工作模式为触发模式，主控模块通过电源管理模块给数据接收传感器、数据调理采集模块、信号处理模块上电，主控模块通过串口发送工作模式设置指令到信号处理模块，信号处理模块根据收到的串口指令仅启动MCU进行信号检测。图中线条表示部分为MCU检测到信号后的操作，MCU控制FPGA+DSP上电进行信号识别，信号处理模块电流变大，同时发送触发信号给主控模块，主控模块接收触发信号后通过电源管理模块启动存储模块进行数据存储，为了进一步降低功耗，水声数据首先存储在SD卡中，间隔15分钟将数据按批次存储至硬盘中，降低硬盘写盘的功耗。累计一段时间无信号后，FPGA+MCU断电，MCU执行低功耗信号检测，同时发送触发停止信号给主控模块，主控模块通过电源管理模块给存储模块断电，系统恢复触发等待状态。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种水下信号采集记录处理系统，其特征在于：包括水声信号数据接收传感器、水声信号数据调理采集模块、信号处理模块、存储模块、主控模块、电源管理模块和其他辅助工作模块；
所述水声信号数据接收传感器用于接收水面舰船、水下目标和水中生物产生的水声信号；
所述水声信号数据调理采集模块用于水声信号放大、滤波和AD转换；
所述信号处理模块用于水声信号检测识别和特征提取；
所述存储模块用于存储系统运行日志数据、水声信号原始数据和水声信号特征数据；
所述主控模块用于根据接收的指令或检测信号特征对系统工作模式控制；
所述电源管理模块负责将电池电源进行电压转换，并给其他各单元供电；
所述其他辅助工作模块包括压力传感器和北斗定位模块；
进一步的，压力传感器用于获取工作深度，北斗定位模块用于获取北斗位置信息。
2.根据权利要求1所述的一种水下信号采集记录处理系统，其特征在于：所述信号处理模块包括MCU、FPGA和DSP+ARM；
进一步的，MCU选用超低功耗MSP432P4111系列处理器，FPGA选用超低功耗iCE40HX系列处理器，DSP+ARM选用低功耗的浮点数字信号处理器OMAP-L138进行水声通信信号检测识别。
3.根据权利要求1所述的一种水下信号采集记录处理系统，其特征在于：所述主控模块选用STM32F767IGT6低功耗高性能微处理器。
4.根据权利要求1所述的一种水下信号采集记录处理系统，其特征在于：所述水下信号采集记录处理系统有多个工作模式，包括待机模块、数据连续采集存储不分析模式、数据连续采集分析存储模式和触发模式。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的一种水下信号采集记录处理系统的低功耗方法，其特征在于，包括以下具体步骤：
S1.潜标在布放和回收期间，或潜标在水下但不需要开展信号接收任务时，设置为待机工作模式，此时只有主控模块持续上电，压力传感器间隔15分钟上电监测，潜标在水面时北斗定位模块上电，潜标到水中后北斗模块断电；
S2.当潜标执行短时任务，且任务目标不明确的情况下，潜标在水下的工作模式设置为数据连续采集存储不分析模式，只进行数据的接收、采集和存储，此时水声信号数据接收传感器上电、水声信号数据调理采集模块上电、存储模块上电、主控模块上电，压力传感器间隔15分钟上电监测，潜标在水面时北斗定位模块上电，潜标到水中后北斗模块断电、信号处理模块断电；为了进一步降低功耗，水声数据首先存储在SD卡中，间隔15分钟将数据按批次存储至硬盘中，降低硬盘写盘的功耗；潜标回收后导出原始数据，清空存储硬盘，潜标可继续使用，有效节省设备电源消耗；
S3.当潜标执行长时任务，且任务目标基本明确的情况下，潜标在水下的工作模式设置为数据连续采集分析存储模式，需要完成水下信号的自主处理，此时水声信号数据接收传感器上电、水声信号数据调理采集模块上电、信号处理模块上电、存储模块上电、主控模块上电，压力传感器间隔15分钟上电监测，潜标在水面时北斗定位模块上电，潜标到水中后北斗模块断电；为了进一步降低功耗，水声数据首先存储在SD卡中，间隔15分钟将数据按批次存储至硬盘中，降低硬盘写盘的功耗；潜标回收后导出原始数据和水下数据处理结果，可快速获取情报信息；
S4.当潜标执行超长时间任务，且任务目标比较模糊的情况下，潜标在水下的工作模式设置为触发模式，水下信号采集记录处理系统首先进行有用信号的低功耗检测，此时水声信号数据接收传感器上电、水声信号数据调理采集模块上电、信号处理模块MCU上电、主控模块上电，压力传感器间隔15分钟上电监测，潜标在水面时北斗定位模块上电，潜标到水中后北斗模块断电，信号处理模块FPGA+DSP断电、存储模块断电；当检测到信号后开启信号识别和数据存储，此时水声信号数据接收传感器上电、水声信号数据调理采集模块上电、信号处理模块上电、存储模块上电、主控模块上电，压力传感器间隔15分钟上电监测，潜标在水面时北斗定位模块上电，潜标到水中后北斗模块断电；为了进一步降低功耗，水声数据首先存储在SD卡中，间隔15分钟将数据按批次存储至硬盘中，降低硬盘写盘的功耗；潜标回收后导出原始数据和水下数据处理结果，可快速获取情报信息。
6.根据权利要求5所述的一种水下信号采集记录处理系统的低功耗方法，其特征在于：所述S2中潜标执行短时任务时间一般为一周。
7.根据权利要求5所述的一种水下信号采集记录处理系统的低功耗方法，其特征在于：所述S3中潜标执行长时任务时间一般为一周至一个月。
8.根据权利要求5所述的一种水下信号采集记录处理系统的低功耗方法，其特征在于：所述S4中潜标执行超长时间任务时间一般大于一个月。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN115833962A (zh) * 2023-02-08 2023-03-21 江苏憬知梦蓝科技有限公司 一种基于水声通讯的低功耗数据采集方法及装置

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