CN214474565U - 一种声脉冲信号能量密度检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种声脉冲信号能量密度检测装置，包括信号分路器模块、FPGA模块、RS232通信接口模块、时钟模块和电源管理模块；所述时钟模块、信号分路器模块、电源管理模块分别与FPGA模块连接，所述FPGA模块通过RS232通信接口模块与外部PC机连接，所述信号分路器模块通过BNC接口与声电转换模块连接；所述信号分路器模块将输入的单根信号分成4路与原信号相同信号，并将信号同步传送到FPGA上。其优点在于，可高速实时检测和处理声脉冲信号，同时高速实时计算脉冲信号的能量密度，并将计算数值实时发送给PC上位机做进一步的数据处理。装置具有可靠性好、检测精度高、功耗低的特点。

Description

一种声脉冲信号能量密度检测装置

技术领域

本申请涉及一种声脉冲信号能量密度检测装置，属于水声通信高频脉冲信号高速实时采集、检测和测试领域，用于实现对水声通信设备的声脉冲信号探测和能量密度的统计计算。

背景技术

高频声脉冲通常是指突发的时间较短频率较高或短暂起伏的声冲击。主要特点是信号间隔较为稀疏、发生时间短、幅度高、信号总宽度较窄、信号频率高和具有瞬发性。声脉冲信号相对于连续不间断的声信号，声脉冲信号是在短时间内发生的信号，大部分时间是内没有信号的。声脉冲信号的发生可以是周期性产生的,也可以是非周期性的。在海洋中高频声脉冲产生的情况一般分为自然产生或人为产生。自然产生来源主要为海底爆炸、海底火山喷发、海底岩层断裂、海洋生物等。人为产生的来源一般为海洋水声通信设备、声纳、海底爆破、重大事件、海底施工作业等。

在水声通信中提出了提高测试的准确度和满足长时间采集的需求。传统的采集设备能耗高、体积大、采样频率不高、不能持续采集和记录、累计误差较大、不能满足对高频短脉冲的采集。

实用新型内容

基于上述问题，本申请提供一种声脉冲信号能量密度检测装置和方法，解决的技术问题是克服现有声采样技术精度的不足，解决了声脉冲信号能量密度检探测和计算问题，该装置具有多通道采样、检测分辨率高、集成度高、功耗底、接口兼容性好的优点。也同样适用于其它用来探测信号能量密度和脉冲计数的应用场合。其技术方案为，

一种声脉冲信号能量密度检测装置，包括信号分路器模块、FPGA模块、RS232通信接口模块、时钟模块和电源管理模块；所述时钟模块、信号分路器模块、电源管理模块分别与FPGA模块连接，所述FPGA模块通过RS232通信接口模块与外部PC机连接，所述信号分路器模块通过BNC接口与声电转换模块连接；所述信号分路器模块将输入的单根信号分成4路与原信号相同信号，并将信号同步传送到FPGA上。

优选的，所述信号分路器模块输出的4路信号从分支点到FPGA的IO口的阻抗和线长都是相等的。

优选的，所述的FPGA模块包括PLL、移相计数模块、累加器和UART收发控制器，

PLL将低速时钟信号倍频成高速时钟信号并将倍频之后的高速信号分成4路相位不同的时钟信号，4路信号的相位依次偏差90°；

移相计数模块对输入待测信号的高电平进行采样计数；

累加器负责将采样计数进行累加并在设定的时间段内将数据发送给UART收发控制器。

优选的，所述的时钟模块用于给FPGA模块提供工作时钟，保证FPGA内部PLL、累加器、UART控制器能够正常工作。

优选的，时钟模块持续输出频率为50Mhz的方波信号为FPGA提供工作时钟，时钟进入FPGA之后分成两路，一路50MHz时钟供给FPGA内部累加器和UART收发控制模块使用，另一路供给PLL做倍频、分频和相位偏移使用。

优选的，所述的电源管理模块的外部直流供电电压范围为+5V～+40V。

有益效果

(1)本发明采用FPGA芯片作为主控制器对声脉冲信号进行探测和能量密度计算。具有很高的实时性与和并发性。采用单一FPGA芯片做控制器其集成度高可靠性好，更加有利于在高速采集声脉冲信号和能量密度采集中应用。

(2)本发明采用了移相检测方法，可以实现在低功耗下达到1ns的采样频率和检测精度，采样频率高，误差小，信号采样失真度小。

(3)本发明检测的装置供电电压为+5V～+40V，供电电压范围广，适用于实验室内、室外场地、车载、舰载等声学测试系统中。同样可以适用于其它电信号高速采集与能量密度检测场合。

(4)一种声脉冲信号能量密度检测的装置，该装置包括信号分路器模块、FPGA模块、RS232通信接口模块、时钟模块和电源管理模块。本发明可实时处理声脉冲信号和完成能量密度的检测，具有硬件集成度高、硬件结构简单、功能可扩展、功耗低的特点。

附图说明

图1为本发明的装置组成示意图。

图2为本发明的移相计数模块工作原理图。

具体实施方式

为使本申请的上述目的、优点和特点更加显而易懂，下面结合附图的形式对本发明实施例做详细的说明。需说明的是附图采用简化的形式且非精准的比例，以达到更加方便的辅助说明本申请实施例的目的。

如图1所示，本实施例提供了一种声脉冲信号能量密度检测的装置，包括信号分路器模块、FPGA模块、RS232通信接口模块、时钟模块和电源管理模块。

本实施例所述的电源管理模块外部供电电压为+5V～+40V DC，由于供电电压的压值范围较广且一级电源对输出功率有较高的要求，本实施例中第一级电源选用CystechElectronics公司的LM2596S-5将+5V～+40V输入电源电压换为+5V电压，然后二级电源分别并联三路Sacpower Technology公司的DC/DC电源芯片RT8096CHGJ5，RT8096CHGJ5电源芯片的输出电压可通过调整芯片配置电阻的阻值来设定，设定后的三路二级电源输出电压分别为+3.3V、+2.5V和+1.2V。其中+3.3V为信号分路器模块、FPGA模块的IO Bank、EPCS Flash存储器芯片、RS232通信接口模块和时钟模块供电，+2.5V为FPGA内部的模拟PLL和JTAG调试器接口供电，+1.2V为FPGA内部的数字PLL和FPGA内核供电。

本实施例的时钟模块使用一颗C3225 50MHz输出的有源晶体振荡器为FPGA模块提供工作时钟。系统上电后，晶振会持续输出频率为50Mhz的方波信号为FPGA提供工作时钟，时钟进入FPGA之后分成两路，一路50MHz时钟供给FPGA内部累加器和UART收发控制模块使用，另一路供给PLL做倍频、分频和相位偏移使用。

本实施例的信号分路器模块采用输入端信号电平上拉形式以增加输入信号的驱动能力。输入信号线上还接了一块SRV05-4芯片用来做ESD防护，以防止静电串入装置内部而损坏内部的器件。串接SRV05-4芯片的另一个作用是做输入信号的过压保护，以防止输入信号峰值电压或高电平电压过高而损坏后一级电路的端口。分路器各路分支采用串阻的形式来调整各路的阻抗以及消除各分路内的串扰和回波信号。所述信号分路器模块将输入的单根信号分成4路与原信号相同信号，并将信号同步传送到FPGA上。所述信号分路器模块输出的4路信号从分支点到FPGA的IO口的阻抗和线长都是相等的，实现信号同步达到和同步采集，所述信号分路器模块通过BNC接口与声电转换模块连接。

采用MAX3232作为RS232的接口芯片接收PC上位机发送来的指令信息，并将FPGA内打包之后的数据传送给PC上位机。

本实施例的FPGA模块选用Intel(Altera)公司的Cyclone IV系列中EP4CE10F17C8N芯片来控制和实现对声脉冲信号的检测计数、数据的采集及累加和完成UART数据及指令的收发。

所述的FPGA模块包括PLL(锁相环)、移相计数模块、累加器和UART收发控制器，PLL的功能是将低速时钟(50MHz)信号倍频成高速时钟(250MHz)信号并将倍频之后的高速信号分成四路相位不同的时钟信号，四路信号的相位依次偏差90°。移相计数模块对输入待测信号的高电平进行采样计数。移相计数模块中包含有四个计数器，每个计数器分别采一路信号分路器分路之后的信号，并且每个计数器被分配一路相位偏移后的时钟。后续有累加器负责将四路计数器的数值进行累加并在设定的时间段内将数据发送给UART收发控制器。UART收发控制器负责接收和处理PC上位机发送过来的命令来让本发明装置完成相应的动作，UART收发控制器的另一个作用是将采样数据按照一定的格式打包之后发送给PC上位机；

所述的移相声脉冲信号能量密度检测方法为：PLL将时钟模块输入的50MHz系统时钟变换为四路频率相同且相位偏差为90°的采样时钟信号，四路时钟分别为250MHz频率0°相位、250MHz频率90°相位、250MHz频率180°相位、250MHz频率270°相位，四路时钟分别连接到四个计数器模块上，来控制对四路同步信号进行采样和计数，如图2。然后再通过检测采样码的跳变来确定在当前采样下是否有声脉冲信号，当检测到脉冲信号为高电平时各路计数器加一，并每隔4ns(1/250M秒)再重新检测一次，并重复检测到高电平就加一的步骤，每段计数过程的时间长度是由PC上位机通过RS232发送给装置启动采集指令时一并携带的分段采集时间长度指令信息来控制的。四路时钟分别接到四个计数器模块上来对四路同步信号进行采样计数，再将四路采样数据通过累加器累加得到结果，以此实现1GHz采样频率和1ns的采样精度误差。

待计数时间达到PC上位机设定的分段采集时间长度之后，FPGA内部移相计数模块的各路计数器中的数值传送到累加器做能量密度累加计算操作，而后移相计数模块的各路计数器中的数值全部清零以进入下一步计数操作。FPGA内部累加器得到的累加结果最终通过UART收发控制模块实时上传到PC上位机做进一步的数据处理、显示、存储等操作。

本发明已应用于一种水声通信设备的调试和测试中，该水声通信设备可发出经SDM调制之后最高频率可达1.3MHz的声脉冲信号。本发明在连接声脉冲信号接收模块(声电转换模块)之后可实时对脉冲信号进行高速采集、数据处理和能量密度计算。满足声脉冲信号能量密度检测和测试的应用需求。

一种声脉冲信号能量密度检测方法，该方法的步骤包括：

(1)装置通过串口与PC上位机连接好，信号输入口连接声脉冲信号接收模块，然后给装置供电口外接+5V～+40V直流电源，此时电源管理模块开始工作，为装置各个模块供电。时钟模块上电之后为FPGA模块提供50MHz的工作时钟，此时系统进入正常工作状态。

(2)PC上位机通过RS232发送启动采集指令以及分段采集时间长度指令后装置进入信号采集状态。声脉冲信号接收模块将声学脉冲信号转换成点脉冲信号，电脉冲信号通过信号分路器模块将单根信号分成四路与原信号同幅值同相位的信号，四个信号分别接到了FPGA上的四个不同IO上，以弥补单一IO口吞吐速率不够的问题。

(3)FPGA的移相计数模块中的各路计数器在接收到高电平信号时计数，低电平时保持原计数数值不变，待计数总时间达到PC上位机设定的分段采集时间长度之后，计数器中的数值将被传送到累加器并计数器自身数值清零。累加器在得到数据之后将四个数据进行加和，加和之后的数据就是所要得到的在设定采样时间段内的能量密度数据。最终FPGA将数据通过UART控制器做帧打包处理之后通过RS232接口传送的PC上位机。

(4)上位机对接收到的数据帧序列进行进一步反演，可得信号的能量密度信息。产品可在声学通信检测和测试领域应用。

Claims (6)

1.一种声脉冲信号能量密度检测装置，其特征在于，包括信号分路器模块、FPGA模块、RS232通信接口模块、时钟模块和电源管理模块；所述时钟模块、信号分路器模块、电源管理模块分别与FPGA模块连接，所述FPGA模块通过RS232通信接口模块与外部PC机连接，所述信号分路器模块通过BNC接口与声电转换模块连接；所述信号分路器模块将输入的单根信号分成4路与原信号相同信号，并将信号同步传送到FPGA上。

2.根据权利要求1所述的一种声脉冲信号能量密度检测装置，其特征在于，所述信号分路器模块输出的4路信号从分支点到FPGA的IO口的阻抗和线长都是相等的。

3.根据权利要求1所述的一种声脉冲信号能量密度检测装置，其特征在于，所述的FPGA模块包括PLL、移相计数模块、累加器和UART收发控制器，

PLL将低速时钟信号倍频成高速时钟信号并将倍频之后的高速信号分成4路相位不同的时钟信号，4路信号的相位依次偏差90°；

移相计数模块对输入待测信号的高电平进行采样计数；

累加器负责将采样计数进行累加并在设定的时间段内将数据发送给UART收发控制器。

4.根据权利要求1所述的一种声脉冲信号能量密度检测装置，其特征在于，所述的时钟模块用于给FPGA模块提供工作时钟，保证FPGA内部PLL、累加器、UART控制器能够正常工作。

5.根据权利要求1所述的一种声脉冲信号能量密度检测装置，其特征在于，时钟模块持续输出频率为50Mhz的方波信号为FPGA提供工作时钟，时钟进入FPGA之后分成两路，一路50MHz时钟供给FPGA内部累加器和UART收发控制模块使用，另一路供给PLL做倍频、分频和相位偏移使用。

6.根据权利要求1所述的一种声脉冲信号能量密度检测装置，其特征在于：所述的电源管理模块的外部直流供电电压范围为+5V～+40V。

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