CN203950149U - 一种带多种传输接口的基于dsp微弱信号采集装置 - Google Patents
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Abstract
一种带多种传输接口的基于DSP微弱信号采集装置，包括水下微弱水声信号采集和存储电路、双口RAM、ARM微处理器电路；所述的水下微弱水声信号采集和存储电路与所述的ARM微处理器电路通过所述双口RAM连接。本实用新型提供了一种带多种传输接口的基于DSP微弱信号采集装置，能够长时间低功耗采集并存储微弱电压信号；并能提供网络和USB等方式快速导出存储数据的装置。
Description
技术领域
本实用新型涉及微弱信号采集系统技术领域，尤其涉及一种带多种传输接口的基于DSP微弱信号采集装置。
背景技术
浮标或潜标系统是海洋环境调查的重要技术装备，具有在恶劣的海洋环境条件下，无人值守的长期、连续、同步、自动的对海洋水文、气象诸要素进行全面综合检测的特点。而其核心部件为信号采集和存储装置。该装置通常要求具有如下特点：第一：具有一定的信号采集和数据处理能力，能够根据水文信号实时动态调整放大增益比例来采集水听器送来的微弱信号。第二：能够以较低功耗长时间运行于水下环境；并能够实现较大容量存储采集到的水文信息。第三：能够有较为快速和方便的通讯传输接口，实现采集到的水文信息快速的从浮标和潜标系统中导出到装有数据分析软件的电脑中进行信号分析。
目前主要用于数据采集和分析的DSP处理器能够实现快速信号采集处理存储能力，但是普通低功耗的DSP 一般接口较为简单，不具备目前通用的网络和USB接口。而ARM具有较为丰富的通用接口如网络，USB，串口等；但是由于ARM不具备DSP所具有的专业快速信号处理能力，并且ARM运行的操作系统功耗较大，不能满足长期低功耗运行于水下环境。
而带多种传输接口的基于DSP微弱信号采集装置通过利用ARM与DSP结合，并利用DSP与ARM 各自的优势实现并满足了浮标和潜标系统对信号采集处理存储并导出分析的各种要求。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种能够满足浮标或潜标对数据信号采集处理要求的带多种传输接口的基于DSP微弱信号采集装置。
本实用新型提供了一种带多种传输接口的基于DSP微弱信号采集装置。包括水下微弱水声信号采集和存储电路、双口RAM、ARM微处理器电路；
所述的水下微弱水声信号采集和存储电路与所述的ARM微处理器电路通过所述双口RAM连接。
所述水下微弱水声信号采集和存储电路包括：水听器、前置滤波放大电路、信号增益可调电路、信号滤波电路、差分信号模数转换电路、美国ADI公司定点低功耗DSP处理器、大容量NANDFLASH 存储电路；
所述的水听器，用于采集水文信息，输出正弦变频信号；
所述的前置滤波放大电路，用于实现前置滤波放大水听器采集信号；
所述的信号增益可调电路，用于实现比例运放电路，并将放大后的信号通过比例运放电路实现信号增益可调；
所述的信号滤波电路，用于将经过所述信号增益可调电路的信号滤波；
所述的差分信号模数转换电路，用于实现差分模数信号转换，将比例放大的模拟电压信号转换为串行数字信号；
所述的美国ADI公司定点低功耗DSP处理器，用于采集、处理模数转换的信号，计算信号的幅值是否过大并限幅溢出或信号幅度过小，并控制接口动态调整信号增益；若信号幅值过大，则美国ADI公司定点低功耗DSP处理器减小比例运放的信号增益；若信号幅值过小，则美国ADI公司定点低功耗DSP处理器加大比例运放的信号增益；
所述大容量NANDFLASH存储电路，用于存储所述美国ADI公司定点低功耗DSP处理器采集到的信号数据。
所述的ARM微处理器电路包括：ATMEL AT9200 ARM微处理器芯片，SDRAM内存芯片、FLASH非易失性存储芯片、以太网(ETHERNET)通信单元电路、USB接口电路、实时时钟RTC芯片、ARM处理器内核供电电路PWR-1.8V、看门狗功能电路等；
所述的ATMEL AT9200微处理器芯片为程序的执行单元，用于配合DSP处理器将采集数据网络或USB方式导出的处理器；
所述的SDRAM内存芯片，用于存储实时运行的程序和数据；
所述的FLASH非易失性存储芯片，用于存储预置程序和LINUX操作系统；
所述的以太网通信单元电路包括LXT972ALE以太网收发器和HR6011680以太网隔离变压器搭接的网络通信外围接口，用于作为ARM微处理器网络外围电气信号转换；
所述的USB接口电路为ATMEL AT9200 ARM微处理器自带的USB主机接口电路，用于装置USB方式导出采集数据的接口；
所述的实时时钟芯片，用于为微处理器系统的运行提供计时保证；
所述的ARM处理器内核供电电路，用于为微处理器系统提供电源；
所述的看门狗功能电路，用于在程序出现异常后能够及时返回正常工作状态；
所述的美国ADI公司定点低功耗DSP处理器与所述的ATMEL AT9200 ARM微处理器芯片之间通过所述的快速双口RAM连接。
所述的美国ADI公司定点低功耗DSP处理器为ADSP 2188NKST。
所述的前置滤波放大电路为ADI公司的AD8221芯片。
所述的信号增益可调电路为ADI公司的AD8512运放器。
所述的差分信号模数转换电路为ADI公司的AD7691差分模数转换芯片。
所述的信号滤波电路由AD8512运放器按基本电路图搭接的二阶有源低通滤波器，实现信号滤波，信号截止频率为10KHz。
所述的大容量NANDFLASH存储电路为三星公司的大容量NANDFLASH型号为K9GAG08U0A；单片容量为2GＢ，４片构成８ＧB的大容量存储空间。
所述的ATMEL AT9200 ARM微处理器芯片为ATMEL公司出品的ARM9系列处理器。
本实用新型提供的一种带多种传输接口的基于DSP微弱信号采集装置，在水下由电池供电，能长时间工作于水下，保证了浮标或潜标系统无人值守的长期、连续、同步、自动的对海洋水文、气象诸要素进行全面综合检测。
附图说明
图1为一种带多种传输接口的基于DSP微弱信号采集装置总体结构示意图；
图2为一种带多种传输接口的基于DSP微弱信号采集装置的电路布局图。
具体实施方式
如图1、图2所示，本实用新型提供了一种带多种传输接口的基于DSP微弱信号采集装置。包括水下微弱水声信号采集和存储电路、双口RAM、ARM微处理器电路。
水下微弱水声信号采集和存储电路与ARM微处理器电路通过双口RAM连接。
水下微弱水声信号采集和存储电路包括：水听器、美国ADI公司定点低功耗DSP处理器、大容量NANDFLASH 存储电路、前置滤波放大电路、信号增益可调电路、信号滤波电路、差分信号模数转换电路。
水听器，用于采集水文信息，输出正弦变频信号；前置滤波放大电路，用于实现前置滤波放大水听器采集信号；信号增益可调电路，用于实现比例运放电路，并将放大后的信号通过比例运放电路实现信号增益可调；信号滤波电路，用于将经过所述信号增益可调电路的信号滤波；差分信号模数转换电路，用于实现差分模数信号转换，将比例放大的模拟电压信号转换为串行数字信号；美国ADI公司定点低功耗DSP处理器，用于采集、处理模数转换的信号，计算信号的幅值是否过大并限幅溢出或信号幅度过小，并控制接口动态调整信号增益；若信号幅值过大，则美国ADI公司定点低功耗DSP处理器减小比例运放的信号增益；若信号幅值过小，则美国ADI公司定点低功耗DSP处理器加大比例运放的信号增益；大容量NANDFLASH存储电路，用于存储所述美国ADI公司定点低功耗DSP处理器采集到的信号数据。
ARM微处理器电路包括：ATMEL AT9200 ARM微处理器芯片，SDRAM内存芯片、FLASH非易失性存储芯片、以太网通信单元电路、USB接口、实时时钟芯片、ARM处理器内核供电电路、看门狗功能电路等。
ATMEL AT9200微处理器芯片为程序的执行单元，用于配合DSP处理器将采集数据网络或USB方式导出的处理器；SDRAM内存芯片，用于存储实时运行的程序和数据；FLASH非易失性存储芯片，用于存储预置程序和LINUX操作系统；以太网通信单元电路包括LXT972ALE以太网收发器和HR6011680以太网隔离变压器搭接的网络通信外围接口，用于作为ARM微处理器网络外围电气信号转换；USB接口电路为ATMEL AT9200 ARM微处理器自带的USB主机接口电路，用于装置USB方式导出采集数据的接口；实时时钟芯片，用于为微处理器系统的运行提供计时保证；ARM处理器内核供电电路，用于为微处理器系统提供电源；看门狗功能电路，用于在程序出现异常后能够及时返回正常工作状态；美国ADI公司定点低功耗DSP处理器与ATMEL AT9200 ARM微处理器芯片之间通过双口RAM连接。
本实施例中，美国ADI公司定点低功耗DSP处理器为ADSP 2188NKST。ADSP 2188NKST为ADI公司出品的一款低功耗定点处理器芯片。处理器可工作于40M主频，也可降频20M使用。芯片处理速度最高可达80MIPS；核心供电电压为1.8V。内置256K程序运行RAM。带多个串行接口和可编程数字输入输出接口。并带16位宽的外总线接口，可连接各种RAM，程序FLASH等。
本实施例中，前置滤波放大电路为ADI公司的AD8221芯片为主要芯片构成的电路。该芯片为ADI公司出品的一款单芯片仪表放大器，芯片采用经典的三运放拓扑结构设计。通过改变芯片两个Rg管脚间的接入电阻可改变信号的增益。增益从0~60dB；放大比例按照计算公式G=1+49.4K/Rg；根据这个公式，若要得到放大比例为100倍，即40dB的放大信号，只需要在芯片两个Rg管脚间的接入电阻为499欧姆的电阻。
本实施例中，信号增益可调电路为ADI公司的AD8512运放器为主要芯片搭建。AD8512运放器按照反相比例基本电路图接成比例运放电路，比例运放大小可通过调整比例放大电路中的比例电阻比值来实现，运算放大电路中的比例电阻选用数字可调电阻，型号为MAX5161。数字可调电阻MAX5161可通过ADSP 2188NKST处理器的输出数字量信号来控制阻值的改变。可实现动态调整比例运算电路的比例电阻阻值，从而实现比例放大范围的可调。本模块通过两级反相比例运放电路接成比例运放电路，每级可实现比例放大范围为0-40dB； 级联可实现0-80dB的动态比例可调范围。该动态比例范围与前置滤波放大电路一起构成整个装置的增益从40dB-120dB动态调整范围。
本实施例中，差分信号模数转换电路为ADI公司的AD7691差分模数转换芯片为主要芯片构成模数转换电路。AD7691是一款18位、电荷再分配、逐次逼近型模数转换器(ADC)，采用2.3 V至5 V单电源(VDD)供电。该器件内置一个低功耗、高速、18位无失码采样ADC、一个内部转换时钟和一个多功能串行接口端口。在CNV上升沿，该器件对IN+与IN-引脚之间的电压差进行采样。这两个引脚上的电压摆幅通常在0 V和REF之间，相位相反。基准电压REF由外部提供，并且可以设置为电源电压。该差分信号模数转换电路供电在本装置中使用5V电压供电，5V电压由3.3V电压转换而来。输出的转换信号通过ADSP 2188NKST处理器采集处理。
本实施例中，信号滤波电路由AD8512运放器按基本电路图搭接的二阶有源低通滤波器，实现信号滤波，信号截止频率为10 KHz。
本实施例中，大容量NANDFLASH 存储电路为三星公司的大容量NANDFLASH 型号为K9GAG08U0A；单片容量为2GＢ，４片构成８ＧB的大容量存储空间。
本实施例中，ATMEL AT9200 ARM微处理器芯片为ATMEL公司出品的ARM9系列处理器，该处理器处理工作于180MHz主频，处理能力达200MIPS，带10/100 Base-T型以太网接口和USB2.0 全速主机端口。并带4个串行接口。各种丰富的接口均提供开放的uc Linux下的源代码。用户可方便的调用并直接使用这些接口，无需关心复杂的底层驱动软件。该处理器提供丰富的外部总线接口，可设置为16或32位数据总线宽度，多达8个片选单元。
本实施例中，双口RAM为利用XILINX 可编程的FPGA芯片来编程实现。型号为Spartan3E系列的xc3s100e-5tq144。具体可用 XILINX专用开发软件ISE来设计实现，调用ISE软件库来生成双口RAM逻辑并调用。双口RAM的两个总线接口分别连接ATMEL AT9200的ARM微处理器和ADSP 2188NKST处理器。
如图1、图2所示，本实用新型提供的一种带多种传输接口的基于DSP微弱信号采集装置的工作原理：水听器将水下声信号转换为电信号；并由前置滤波放大电路将信号传送给信号增益可调电路，比例放大并滤波后由差分信号模数转换电路进行模数转换；ADSP 2188NKST处理器分析信号转换的结果，计算频率和幅值；并实时动态调整信号增益。最后将采集的信号数据存储在大容量的NANDFLASH 存储电路中。信号增益为2级放大，增益由ADSP 2188NKST处理器根据信号处理结果并动态调节运算放大电路；增益从40dB-120dB；可分析幅值范围为50uV-5mV；频率范围从100Hz-10KHz的水听器转换的微弱正交电压信号。
在水下长时间运行时，基于ATMEL AT9200的ARM微处理器电路部分保持不上电，不工作；并且将ADSP 2188NKST处理器的工作时钟降频为20MHz使用，这样可大大降低整个系统的功耗；最终实现该装置水下工作于3.3V的电池单电压供电，单电压供电电流小于150mA。如此低的功耗使得该装置可在水下由电池供电长时间工作。保证了浮标或潜标系统无人值守的长期、连续、同步、自动的对海洋水文、气象诸要素进行全面综合检测的特点。
在完成了长时间水下工作之后，将浮标或潜标取出水面后，此时接通水上工作上电开关，将ATMEL AT9200与ADSP 2188NKST处理器等电路均上电工作；并将ADSP 2188NKST处理器调整至正常工作频率40MHz，通过ATMEL AT9200与ADSP 2188NKST处理器电路结合，实现信号数据快速导出分析的功能。具体通过ATMEL AT9200系统电路可网络方式向ADSP 2188NKST处理器加载程序。通过一定的程序设计，ADSP 2188NKST可以透明的使用ATMEL AT9200系统电路的网络接口和USB接口。ADSP 2188NKST将存储在NANDFLASH中的水听信号处理数据通过网络快速导出到连接该装置的电脑；或通过ATMEL AT9200系统电路USB接口导出到U盘中。然后将数据导入装有数据分析软件的电脑中进行信号分析。
本实用新型提供的一种带多种传输接口的基于DSP微弱信号采集装置，在水下由电池供电，能长时间工作于水下，保证了浮标或潜标系统无人值守的长期、连续、同步、自动的对海洋水文、气象诸要素进行全面综合检测。
Claims (10)
1.一种带多种传输接口的基于DSP微弱信号采集装置，其特征在于：包括水下微弱水声信号采集和存储电路、双口RAM、ARM微处理器电路；所述的水下微弱水声信号采集和存储电路与所述的ARM微处理器电路通过所述双口RAM连接。
2.根据权利要求1所述的一种带多种传输接口的基于DSP微弱信号采集装置，其特征在于：所述水下微弱水声信号采集和存储电路包括：水听器、前置滤波放大电路、信号增益可调电路、信号滤波电路、差分信号模数转换电路、美国ADI公司定点低功耗DSP处理器、大容量NANDFLASH 存储电路；
所述水听器，用于采集水文信息，输出正弦变频信号；
所述前置滤波放大电路，用于实现前置滤波放大水听器采集信号；
所述信号增益可调电路，用于实现比例运放电路，并将放大后的信号通过比例运放电路实现信号增益可调；
所述信号滤波电路，用于将经过所述信号增益可调电路的信号滤波；
所述差分信号模数转换电路，用于实现差分模数信号转换，将比例放大的模拟电压信号转换为串行数字信号；
所述美国ADI公司定点低功耗DSP处理器，用于采集、处理模数转换的信号，计算信号的幅值是否过大并限幅溢出或信号幅度过小，并控制接口动态调整信号增益；若信号幅值过大，则美国ADI公司定点低功耗DSP处理器减小比例运放的信号增益；若信号幅值过小，则美国ADI公司定点低功耗DSP处理器加大比例运放的信号增益；
所述大容量NANDFLASH存储电路，用于存储所述美国ADI公司定点低功耗DSP处理器采集到的信号数据。
3.根据权利要求2所述的一种带多种传输接口的基于DSP微弱信号采集装置，其特征在于：所述的ARM微处理器电路包括：ATMEL AT9200 ARM微处理器芯片，SDRAM内存芯片、FLASH非易失性存储芯片、以太网通信单元电路、USB接口电路、实时时钟芯片、ARM处理器内核供电电路、看门狗功能电路等；
所述的ATMEL AT9200微处理器芯片为程序的执行单元，用于配合DSP处理器将采集数据网络或USB方式导出的处理器；
所述的SDRAM内存芯片，用于存储实时运行的程序和数据；
所述的FLASH非易失性存储芯片，用于存储预置程序和LINUX操作系统；
所述的以太网通信单元电路包括LXT972ALE以太网收发器和HR6011680以太网隔离变压器搭接的网络通信外围接口，用于作为ARM微处理器网络外围电气信号转换；
所述的USB接口电路包括ATMEL AT9200 ARM微处理器自带的USB主机接口电路，用于装置USB方式导出采集数据的接口；
所述的实时时钟芯片，用于为微处理器系统的运行提供计时保证；
所述的ARM处理器内核供电电路，用于为微处理器系统提供电源；
所述的看门狗功能电路，用于在程序出现异常后能够及时返回正常工作状态；
所述的美国ADI公司定点低功耗DSP处理器与所述的ATMEL AT9200 ARM微处理器芯片之间通过所述双口RAM连接。
4.根据权利要求3所述的一种带多种传输接口的基于DSP微弱信号采集装置，其特征在于：所述的美国ADI公司定点低功耗DSP处理器为ADSP 2188NKST。
5.根据权利要求4所述的一种带多种传输接口的基于DSP微弱信号采集装置，其特征在于：所述的前置滤波放大电路为ADI公司的AD8221为主要芯片构建。
6.根据权利要求4所述的一种带多种传输接口的基于DSP微弱信号采集装置，其特征在于：所述的信号增益可调电路为ADI公司的AD8512运放器为主要芯片构建。
7.根据权利要求4所述的一种带多种传输接口的基于DSP微弱信号采集装置，其特征在于：所述的差分信号模数转换电路为ADI公司的AD7691差分模数转换芯片为主要芯片构建。
8.根据权利要求4所述的一种带多种传输接口的基于DSP微弱信号采集装置，其特征在于：所述的信号滤波电路由AD8512运放器按基本电路图搭接的二阶有源低通滤波器，实现信号滤波，信号截止频率为10KHz。
9.根据权利要求4所述的一种带多种传输接口的基于DSP微弱信号采集装置，其特征在于：所述的大容量NANDFLASH 存储电路为三星公司的大容量NANDFLASH 型号为K9GAG08U0A；单片容量为2GＢ，４片构成８ＧB的大容量存储空间。
10.根据权利要求4所述的一种带多种传输接口的基于DSP微弱信号采集装置，其特征在于：所述的ATMEL AT9200 ARM微处理器芯片为ATMEL公司出品的ARM9系列处理器。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CX01 | Expiry of patent term |
Granted publication date: 20141119 |
|
| CX01 | Expiry of patent term |