CN208873143U - 一种应用于水声通信的数字信号处理板 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种应用于水声通信的数字信号处理板，包括计算单元、FPGA模块、控制单元、采样电路和配置电路，其中：采样电路用于接收ADC采样信号，采样电路与FPGA模块相连接，用于将ADC采样信号传送至FPGA模块；FPGA模块用于接收和初步处理由采样电路传送过来的ADC采样信号，FPGA模块与计算单元相连，用于将初步处理后的ADC采样信号传送至计算单元；计算单元用于对初步处理后的ADC采样信号进行计算处理；配置电路用于存储数据，配置电路与FPGA模块相连，用于对数据进行存储。本实用新型通过网口可以对计算单元进行程序的升级，对控制单元可通过串口升级程序，还可以实现通过网口访问SD卡文件，对外预留三合一串口，适用于多种通讯方式。
Description
技术领域
本实用新型涉及水下通信技术领域，尤其是一种应用于水声通信的数字信号处理板。
背景技术
水声通信是水声通信网络、水下传感器网络的基础。作为一种用来进行数据交互的水下节点，常与传感器搭配使用，通过Modem在水下利用声波将传感器采集到的信息发送回信息处理中心，使我们能够了解到该Modem节点所在的海域内的一些环境参数。伴随着对海洋资源勘探、海洋环境监视和水下军事防御的兴趣和重要性的增加，对能够从海洋收集各种水下信息的水下通信的需求最近增加了。由于介质的物理特性，水下通信使用超声波进行。通过安装能够在水下环境下执行水下信息的发送/接收的传感器节点以及通过从传感器节点获取和控制水下信息，用于水下信息发送的通信网络得以实现。但是现有的水声通信的数字信号处理板无法实现通过网口或串口对各个模块进行程序的升级，也无法实现通过网口访问SD卡文件，也不适用于多种通讯方式。
实用新型内容
针对现有技术的不足，本实用新型提供了一种应用于水声通信的数字信号处理板，可以通过网口或串口对各个模块进行程序的升级，也可以实现通过网口访问SD卡文件，并且适用于多种通讯方式。
本实用新型解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种应用于水声通信的数字信号处理板，包括计算单元、FPGA模块、控制单元、采样电路和配置电路，其中：
采样电路用于接收ADC采样信号，采样电路与FPGA模块相连接，用于将ADC采样信号传送至FPGA模块；
FPGA模块用于接收和初步处理由采样电路传送过来的ADC采样信号，FPGA模块与计算单元相连，用于将初步处理后的ADC采样信号传送至计算单元；
计算单元用于对初步处理后的ADC采样信号进行计算处理；
控制单元与计算单元和FPGA模块相连，用于系统控制和数据交互；
配置电路用于存储数据，配置电路与FPGA模块相连，用于对数据进行存储。
优选的，所述计算单元与以太网模块、存储电路和LED显示电路相连接；以太网模块用于与外部进行数据通讯，存储电路用于存放Linux操作系统和文件以及存放用户数据，LED显示电路用于对数据信息进行显示。
优选的，所述计算单元与控制单元均与RTC模块相连接，用于计算单元与控制单元同时对RTC模块中文件的时间信息进行访问。
优选的，所述控制单元与电池电压检测电路相连接，可以实现对电池电压的监测。
优选的，所述控制单元与外部串口电路相连接，用于与外部串口相连接。
优选的，所述配置电路包括Config Flash存储芯片和SRAM芯片，其中，ConfigFlash存储芯片用于存储配置信息，也可用于存储用户数据和程序代码，SRAM芯片可用作数据缓存或程序的执行内存。
优选的，所述控制单元引出3路串口，其中，UART串口连接至计算单元，用作与计算单元的通信接口，UART0串口通过电平转换器MAX3221转换为RS232接口连接至外部，UART1连接至MAX3160芯片，MAX3160芯片是RS232/RS422/RS485三合一电平转换器。
与现有技术相比，本实用新型实施例带来了以下有益效果：
1、数字信号处理板包括计算单元，计算单元用于对初步处理后的ADC采样信号进行计算处理，计算单元与以太网模块相连接，以太网模块用于与外部进行数据通讯，通过网口可以实现对计算单元进行程序升级的功能；
2、数字信号处理板包括控制单元，控制单元与外部串口电路相连接，用于与外部串口相连接，可以实现通过串口对控制单元升级程序的功能；
3、数字信号处理板包括还可以实现通过网口访问SD卡文件的功能，控制单元的UART1串口连接至MAX3160，MAX3160是RS232/RS422/RS485三合一电平转换器，数字信号处理板对外预留三合一串口，可以适用于多种通讯方式，且具有低功耗的休眠模式，当MAX3160工作于RS232电平转换模式时，即使在休眠状态下仍能实现RS232电平至TTL电平转换的功能；
4、数字信号处理板包括配置电路，配置电路与FPGA模块相连，可以实现对数据进行存储的功能。
附图说明
图1为本实用新型一种应用于水声通信的数字信号处理板的电路框图示意图；
图2为本实用新型一种应用于水声通信的数字信号处理板的详细组成框图示意图；
图3为本实用新型一种应用于水声通信的数字信号处理板中电路示意图；
图4为本实用新型一种应用于水声通信的数字信号处理板中以太网PHY及隔离电路图；
图5为本实用新型一种应用于水声通信的数字信号处理板中RTC模块的电路图；
图6为本实用新型中多通道同步采样ADC电路图；
图7为本实用新型一种应用于水声通信的数字信号处理板中PWM信号隔离与缓冲电路图；
图8为本实用新型一种应用于水声通信的数字信号处理板中控制单元的复位电路图；
图9为本实用新型中电源检测电路图；
图10为本实用新型中计算单元的电路原理图；
图11为本实用新型中计算单元的电路原理图；
图12为本实用新型中计算单元的电路原理图；
图13为本实用新型中控制单元的UART0串口转RS232串口的电路图；
图14为本实用新型中控制单元的CAN接口电路图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
请参阅图1-3，本实用新型提供的一种实施例：一种应用于水声通信的数字信号处理板，包括计算单元、FPGA模块、控制单元、采样电路和配置电路，其中：采样电路用于接收ADC采样信号，采样电路与FPGA模块相连接，用于将ADC采样信号传送至FPGA模块；FPGA模块用于接收和初步处理由采样电路传送过来的ADC采样信号，FPGA模块与计算单元相连，用于将初步处理后的ADC采样信号传送至计算单元；计算单元用于对初步处理后的ADC采样信号进行计算处理；控制单元与计算单元和FPGA模块相连，用于系统控制和数据交互；配置电路用于存储数据，配置电路与FPGA模块相连，用于对数据进行存储；所述计算单元与以太网模块、存储电路和LED显示电路相连接。以太网模块用于与外部进行数据通讯，存储电路用于存放Linux操作系统和文件以及存放用户数据，LED显示电路用于对数据信息进行显示；所述计算单元与控制单元均与RTC模块相连接，用于计算单元与控制单元同时对RTC模块中文件的时间信息进行访问；所述控制单元与电池电压检测电路相连接，可以实现对电池电压的监测；所述控制单元与外部串口电路相连接，用于与外部串口相连接。所述配置电路包括Config Flash存储芯片和SRAM芯片，其中，Config Flash存储芯片用于存储配置信息，也可用于存储用户数据和程序代码，SRAM芯片可用作数据缓存或程序的执行内存。所述控制单元引出3路串口，其中，UART串口连接至计算单元，用作与计算单元的通信接口，UART0串口通过电平转换器MAX3221转换为RS232接口连接至外部，UART1连接至MAX3160芯片，MAX3160芯片是RS232/RS422/RS485三合一的电平转换器。
请参阅图4，本实用新型提供的一种实施例：数字信号处理板支持10/100Mb以太网功能，以太网PHY芯片选用KSZ8001，PHY芯片与计算单元之间通过MII接口连接，PHY芯片与外部接口之间使用HR601680隔离。
请参阅图5，根据设计需求，系统运行时需要以文件的形式存储数据至TF卡，而文件的时间信息来自RTC模块，因此在数字信号处理板中将RTC模块设计为计算单元和控制单元都可以访问，选用I2C接口的RTC芯片DS1340，该芯片具有涓流充电功能，可外接的可充电电池，本设计选用可充电锂电池MS920SE，容量为11mAh。RTC电路如图5所示，I2C总线同时通过连接器引出至外部。
请参阅图6，FPGA模块与ADC模块相连，数字信号处理板选用的ADC型号为AD7685，主要性能指标如下表所示：
表1 AD7685主要性能指标
| 分辨率 | 16-bit |
| 采样率 | 250ksps |
| 输入类型 | 伪差分 |
| 功耗 | 1.35mW@2.5V/100ksps |
| 数据接口类型 | 串行 |
| 电源电压(VDD)范围 | 2.3V～5.5V |
| 参考电压范围 | 0.5V～VDD |
由于AD7685为单通道ADC，为了实现多通道同步采样，可由FPGA输出多个同步的CNV信号至ADC，使多个ADC在同一时刻启动采样。
请参阅图7，FPGA模块输出1路PWM信号，通过隔离器隔离并由缓冲器增强驱动后输出，PWM信号隔离与缓冲电路如图7所示。
请参阅图8，控制单元实现系统控制及与外部交互的功能，其外围电路包括复位电路，为确保MSP432的可靠复位，使用专用的复位芯片TPS3808G33，典型工作电流为2.4uA，封装为紧凑的SOT-23封装。MSP432复位电路如图8所示。
请参阅图9，若使用电阻分压和运放跟随的形式，将电源电压按比例缩小后送入控制单元的片上ADC模块进行采样，根据分压比例推算得到电源电压，为了减小分压电阻上的功率损耗，需选用兆欧级别的分压电阻和输入阻抗极大的低功耗运放，但仍会产生数百微瓦的静态功耗。考虑到对电源电压的监测实时性要求不高，数字信号处理板采用如图9所示的电路方案：选用阻值较小(千欧级别)的电阻对电源分压(省去用作电压跟随器的运放)，分压电阻间接入MOS管，为了使用控制单元的GPIO控制MOS管的通断，选用VGS(th)较小的管子2N7002(VGS(th)＝2.1V)，并控制源极电压在1V左右。当需要检测电源电压时，控制单元输出高电平至MOS管的栅极，使MOS管导通，由于管子的RDS(ON)远远小于分压电阻的值，分压电阻分得的电压送入控制单元的片上ADC进行采样，之后根据分压比例推算得到电源电压。电源电压检测完成后，令管输出低电平至MOS管的栅极，此时MOS管截止，电路几乎不消耗电流；当电源电压检测的频率较低时，该方案可显著降低功耗，且电路简洁，占用面积小。
请参阅图10-12，为数字信号处理板中计算单元的电路原理图，计算单元与DDR2模块、TF卡和LED显示电路相连接，其中，DDR2模块用作程序运行的内存，TF卡用于存放大量的用户数据，LED显示电路用于对数据信息进行显示。
请参阅图13，为控制单元的UART0串口转RS232串口的电路图，控制单元引出3路串口，其中UART3连接至计算单元，用作与OMAP-L138的通信接口；UART0通过电平转换器MAX3221转换为RS232接口至外部，电路如图13所示，MAX3221的FORCEON和FORCEOFF引脚连接到控制单元，由控制单元控制MAX3221的工作模式。FORCEON与FORCEOFF的组合决定了MAX3221不同的工作模式，如下表所示：
表2 MAX3221的工作方式
H＝high level，L＝low level，X＝irrelevant，Z＝high impedance
当FORCEOFF为低电平时，MAX3221进入powered off状态，内部电路停止工作，此时的工作电流典型值为1uA。当需要令电平转换器强制进入低功耗模式时，可由控制单元将FORCEOFF置低；当FORCEOFF为高电平，FORCEON为高电平时，MAX3221处于正常工作状态，此时的工作电流典型值为0.3mA，当FORCEOFF为高电平，FORCEON为低电平时，MAX3221处于自动休眠的低功耗模式，当MAX3221的RX引脚有有效的RS232电平输入时(-3～-15V或+3～+15V)，MAX3221恢复正常工作，INVALID引脚输出高电平，LED5指示灯常亮；若MAX3221的RX引脚无有效的RS232电平输入，芯片自动进入休眠状态，关闭TX引脚的驱动，INVALID引脚输出低电平，LED5指示灯熄灭，芯片的工作电流降低至1uA。当RX端口再次检测到有效的RS232电平时，MAX3221可在1us内恢复正常工作状态，控制单元可根据实际应用需求改变MAX3221的工作状态，以达到降低功耗的目的。
请参阅图14，为控制单元的CAN接口电路图，由于控制单元不具有CAN控制器，数字信号处理板选用MCP2515实现CAN总线功能，MCP2515具有接口简洁(采用SPI接口)、接口电平范围宽、功耗低、封装小等优势；CAN收发器选用TCAN334，电源电压为3.3V，支持shutdown功能，shutdown状态下TCAN334的工作电流为1uA。
工作原理：一种应用于水声通信的数字信号处理板，FPGA模块发送1路PWM输出信号并通过同轴连接器引出，同时接收1路ADC输入信号并通过同轴连接器引出，为了实现多通道同步采样，由FPGA模块输出多个同步的CNV信号至ADC，使多个ADC在同一时刻启动采样，ADC模块配合水下传感器将ADC采样信号传送至采样电路，采样电路将ADC采样信号传送至FPGA模块，FPGA模块用于接收和初步处理由采样电路传送过来的ADC采样信号，FPGA模块与计算单元相连，用于将初步处理后的ADC采样信号传送至计算单元，计算单元对初步处理后的ADC采样信号进行计算处理；其中，控制单元与计算单元和FPGA模块通过UART串口相连，用于系统控制和数据交互，计算单元将计算后的结果通过UART串口传送至控制单元，控制单元通过UART0串口或UART1串口将水下测量结果传送至数据处理中心。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本实用新型的具体实施方式，用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制，本实用新型的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种应用于水声通信的数字信号处理板，其特征在于，包括计算单元、FPGA模块、控制单元、采样电路和配置电路，其中：
采样电路用于接收ADC采样信号，采样电路与FPGA模块相连接，用于将ADC采样信号传送至FPGA模块；
FPGA模块用于接收和初步处理由采样电路传送过来的ADC采样信号，FPGA模块与计算单元相连，用于将初步处理后的ADC采样信号传送至计算单元；
计算单元用于对初步处理后的ADC采样信号进行计算处理；
控制单元与计算单元和FPGA模块相连，用于系统控制和数据交互；
配置电路用于存储数据，配置电路与FPGA模块相连，用于对数据进行存储。
2.根据权利要求1所述的一种应用于水声通信的数字信号处理板，其特征在于，所述计算单元与以太网模块、存储电路和LED显示电路相连接；以太网模块用于与外部进行数据通讯，存储电路用于存放Linux操作系统和文件以及存放用户数据，LED显示电路用于对数据信息进行显示。
3.根据权利要求1所述的一种应用于水声通信的数字信号处理板，其特征在于，所述计算单元与控制单元均与RTC模块相连接，用于计算单元与控制单元同时对RTC模块中文件的时间信息进行访问。
4.根据权利要求1所述的一种应用于水声通信的数字信号处理板，其特征在于，所述控制单元与电池电压检测电路相连接，可以实现对电池电压的监测。
5.根据权利要求1所述的一种应用于水声通信的数字信号处理板，其特征在于，所述控制单元与外部串口电路相连接，用于与外部串口相连接。
6.根据权利要求1所述的一种应用于水声通信的数字信号处理板，其特征在于，所述配置电路包括Config Flash存储芯片和SRAM芯片，其中，Config Flash存储芯片用于存储配置信息，也可用于存储用户数据和程序代码，SRAM芯片可用作数据缓存或程序的执行内存。
7.根据权利要求1所述的一种应用于水声通信的数字信号处理板，其特征在于，所述控制单元引出3路串口，其中，UART串口连接至计算单元，用作与计算单元的通信接口，UART0串口通过电平转换器MAX3221转换为RS232接口连接至外部，UART1连接至MAX3160芯片，MAX3160芯片是RS232/RS422/RS485三合一电平转换器。
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