（水声工程专业论文）声学释放器数字电路设计与实现.pdf

哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：魑务 日期：加c o 年弓月斗日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 日在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：虿丢 日期：铆io 年3 月纠丑 导师( 签字) ：么内气 加一年岁月坪日 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 摘要 本论文应课题“高可靠性声学释放器”的需要设计了一套用于水下分机 的数字电路系统并在此基础上为水下分机增加了数据存储的功能。 本论文内容涉及水下分机数字控制板和数据存储板的电路设计、调试以 及相关软件的编写：其中数字控制板硬件上包括电源管理模块、漏水欠电报 警模块、采样电路的硬件设计与调试，软件上包括a g c 算法、检测算法以 及水下分机的各种控制任务的实现。数据存储板包括硬件平台搭建和采集存 储软件功能的实现。该数据存储板采用大容量s d h c 卡作为存储介质，本论 文根据实时数据存储的特点，对f a t 3 2 文件格式进行了相应的优化，并设计 了f a s t f a t 3 2 文件系统，在此基础上编写了相应的应用程序，完成了数据存储 的功能。 经过实验室长时间试验、多次水池试验以及松花湖试验验证，本文所设 计的水下分机数字电路系统系统和数据存储系统性能优良，工作稳定。 关键词：自动增益控制；正交接收机；f a t 3 2 文件系统；s d h c 哈尔滨工程大学硕十学位论文 a bs t r a c t a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to f ”h i g hr e l i a b l ea c o u s t i cr e l e a s es y s t e m ”，t h i s p a p e rd e s i g n e dd i g i t a lc i r c u i t f o rt h eu n d e r w a t e rd e v i c e ，a n da l s or e a l i z e da l l a d d i t i o n a lf u n c t i o nf o ra c q u i s i t i o na n ds a v et h er e c e i v e ds i g n a l t h i sp a p e rw a sc o m p r i s e do ft h ec i r c u i td e s i g n ，d e b u g ，a n dt h er e a l i z a t i o no f c o r r e s p o n d i n gs o f t w a r ef o rd i g i t a lc o n t r o lb o a r da n dd i g i t a la c q u i s i t i o nb o a r d t h e d i g i t a l c o n t r o lb o a r di nh a r d w a r ec o n t a i n st h ed e s i g na n dd e b u go fp o w e r m a n a g e m e n tm o d u l e ，t h el e a k a g ea n dl o w - p o w e ra l a r mm o d u l e ，a n dt h es i g n a l d e t e c t i o nm o d u l e i ns o f t w a r e ，t h ep a p e rc o n t a i n st h er e a l i z a t i o no fa g c a l g o r i t h m ，t h e d e t e c t i o na l g o r i t h ma n da l lk i n d so fc o n t r o lt a s k sf o rt h e u n d e r w a t e rd e v i c e t h et a s kf o rd i g i t a la c q u i s i t i o nb o a r dc o n t a i n st h e e s t a b l i s h e m e n to ft h eh a r d w a r ep l a t f o r ma n dt h es o f t w a r er e a l i z a t i o n i tu s e sh i g h c a p a c i t ys d h cc a r da ss t o r a g em e d i a ，i to p t i m i z e dt h ef a t 3 2f i l es y s t e mb a s e d o nt h ec h a r a c t e r i s t i co fa c q u i s i t i o nd e v i c e ，a n dd e s i g n e dan e we m b e d d e df a t 3 2 f i l es y s t e m ，f a s t f a t 3 2f i l es y s t e m t h es o n g h u a h ue x p e r i m e n tp r o v e st h a tt h ew h o l es y s t e ma r es t a b l ea n dw i t h e x c e l l e n tp e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：a u t o m a t i cg a i nc o n t r o l ；q u a d r a t u r er e c e i v e r ；f a t 3 2 f i l es y s t e m ； s d h c 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 目录 第1 章绪论1 1 1 课题背景及立题意义l 1 2 国内外声学释放器的发展现状”1 1 3 数字存储系统简介_ 2 1 4 水下分机简介一4 1 5 本文研究的主要内容一5 第2 章数字控制板的软硬件设计6 2 1 数字控制板的结构及功能一6 2 2 主要芯片一7 2 3 数字控制板的硬件设计1 2 2 3 1 电源电路的设计“1 2 2 3 2 漏水、欠电报警电路设计15 2 3 3 电机控制电路设计”1 7 2 3 4 采样电路设计”l8 2 4 数字控制板的软件实现1 9 2 4 1 单片机与d s p 之间的通信2 0 2 4 2a g c 算法2 2 2 4 3 正交接收机的实现“2 4 2 5 本章小结2 7 第3 章数据存储系统设计2 8 3 1 设计指标2 8 3 2s d 卡简介及其驱动的编写2 8 3 2 1s d h c 卡硬件结构与s d 协议2 8 3 2 2 四线s d 模式2 9 3 2 3s d h c 卡寄存器3 0 3 2 4 命令和回应“31 3 2 5s d h c 底层驱动编写3 2 哈尔滨工程大学硕十学位论文 3 3f a s t f a t 3 2 文件系统3 4 3 3 1f a t 3 2 文件系统简介3 5 3 3 2f a s t f a t 3 2 文件系统的分层结构”3 8 3 ：3 3f a s t f a t 3 2 文件系统软件实现”3 9 3 45 5 0 9 d s p 应用程序编写4 7 3 5 本章小结4 8 第4 章松花湖试验4 9 4 1 松花湖水声环境4 9 4 2 松花湖试验介绍5 0 4 3 实验数据及结论5 2 4 4 本章小结5 5 结论”5 6 参考文献5 7 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果6 0 致 射61 附录一6 2 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景及立题意义 本论文源于国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 中的课题“高可靠性 声学释放器”，为水下分机设计了数字电路系统，它属于遥控系统的控制机构。 遥控技术1 作为自动化技术的重要分支，在微电子技术、信号处理技术和现 代通信技术的基础上不断的完善和发展，在科研和军事等领域有着极其广泛 的应用。对于那些远距离、分散或无法接近的系统，均可采用遥控技术来实 现控制。 水声遥控是水声通信的一种应用，它采用声波作为遥控指令的载体，利 用水声通信的方式传递控制命令。水声遥控通道分为遥测信道、远程信号信 道、遥控信道和双向信道等圆。还可以按功率的大小或信息容量的大小进行 分类。水声遥控系统一般包括甲板发射机、水下声指令接收机和相应的控制 机构。这种遥控技术，应用非常广泛，在水下工程、地震测量、石油探测、 水文分析等方面都有应用，例如现在比较热门的水下机器人等都采用了水声 遥控技术。 声学释放器是水声遥控系统中的一种常用设备。声学释放器在海洋救助 打捞、海洋工程、水下作业中得到了大量应用，在军事上也大量使用声学释 放器。深海声学释放器是海上搜寻、救助和打捞的重要设备，虽然单台价格 仅几十万元，但它关系到几百万甚至上千万海试设备及试验数据能否可靠回 收的重要问题。我国目前在海洋工程、海洋救助和海洋打捞中使用的高性能 深海声学释放器几乎全靠进口，每年耗费外币上千万美金，且国外正逐渐收 紧向我国出口这类设备的口子，因此大力研究具有我国知识产权的深海声学 释放器已刻不容缓p 1 。随着国内海洋科研和海上活动的增加，对声学释放器 的需求量也将大大增加，在国内尽早开展这方面的研究工作，为占领这方面 的市场做准备，也可以取得较好的社会效益和经济效益。 1 2 国内外声学释放器的发展现状 目前国外有多家公司生产各种类型的声学释放器，市场竞争异常激烈， 生产的声学释放器种类齐全。如i n t e ro c e a n 公司、s o n a r d y n e 公司、m a r i n e 哈尔滨：l = 程人学硕士学位论文 公司、b e n t h o s 公司都有声学释放器的系列产品，如图1 1 所示。其中美国 b e n t h o s 公司在水下工程仪器设备的研制和开发处于世界领先水平，先后开发 出一系列适用于不同水深的声学释放器，比较典型的有b e n t h o s 8 6 5 a 型声学 释放器等，实用水深高达1 2 0 0 0 米，能承受和释放4 5 4 0 k g 的负载，标准配置 至少可进行2 5 0 0 0 0 次应答，在海上作业时，从回收到重新布放所需时间少于 2 0 分钟。国外其他众多公可也生产了多种多样的声学释放器，像英国 s o n a r d y n e 公司是国外另一个著名的声学释放器生产商，其声学释放器的工作 频段约为7 1 5 k h z ，但其释放执行机构有电机旋转方式，也有弹簧辅助释放 方式，还有主动分离释放方式等多种形式，水下释放器的材料采用不锈钢或 铝铜合刽引。 图饰 b e n t h o s 水下声学释b e n t h o s 浅海声学释8 2 4 2 x s 型水声释放i n t e r o c e a n 水声释放 放器放器器 器 图1 1 各种水声释放器 反观国内市场，目前研制出声学释放器的公司和研究所较少。国内研制 声学释放器的单位有国家海洋技术中心、中科院海洋所、中船重工7 1 5 所、 厦门大学、南京大学等。其中国家海洋技术中心长期开展声学释放器的技术 研究工作，具有一定的技术和工程基础。目前国内研制的释放器在工作水声、 应答距离、连续工作时间和可靠性方面与国外先进水平比较还有一定的差距。 1 3 数字存储系统简介 论文在完成声学释放器数字电路系统的基础上，为了配合水池实验和松 花湖实验的需要设计了一个适用于水声环境的数据存储系统。 随着计算机技术的飞跃和普及，目前数据存储设备广泛应用于科研、工 业自动化、医疗卫生、通信等各行业。现代工业对数据存储的要求日益提高， 2 一 墨垦 哈尔滨：l = 程大学硕士学位论文 在很多应用中均需要进行数据存储，这势必会带来数据的海量存储的问题。 数据存储技术的应用和普及已成为不可逆转的潮流，可应用在电子与通信系 统、雷达和军事等领域中。对于水下恶劣的环境，这种系统需要运行很长时 间后打捞，因此需要大容量的数据存储系统，所以大容量存储技术特别适合 于水声仪器p 1 。 目前，用于数据存储系统的存储介质有磁带，存储卡，硬盘以及f l a s h 芯片等。每种存储介质的特点都各不相同，其中存储卡中的s d h c 卡以其较 小的体积，相对较高的速度和较低的功耗，在较低速度的存储系统中脱颖而 出。表1 1 列出了各种存储介质的比较。可以看到，c f 卡速度高，容量大， 但尺寸也较大；x d 卡虽然体积较小，但容量小，传输速度也不高，再加上 内部没有控制芯片且不提供技术文档支持，开发难度过大；s d 卡由于容量较 小，不适合作为本电路的存储介质；而s d h c 卡不仅容量大、尺寸适中、速 度也满足应用要求，作为固态闪存卡，没有机械结构，对物理震动和温度的 变化不如微型硬盘敏感，功耗也较微型硬盘低，耗电量仅相当于磁盘驱动器 的5 口1 。本设计中正是采用了s d h c 卡作为数据存储系统的存储介质。 表1 1 各种存储介质的比裂3 7 1 优点缺点 s d h c 容量高，已有3 2 gs d h c 卡出售；体积小；只有部分技术文档支持 传输速率高，可达6 m b s ；功耗低； s d 体积小；传输速率高；功耗低；容量小，只有部分技术文档 支持 c f 容量高达1 0 0 g ；传输速率高，达5 0 m b s ；体积较大；功耗高 有完整的技术文档支持 微型硬盘容量高达1 t b ；传输速率高：成本低体积大；抗震性能差；功耗 极高；有噪音 f l a s h 容量高，传输速率快 容易出现坏块，需要用户编 写坏块处理程序 x d 容量大；速度快( h 型4 m s ) ；功耗低不提供技术文档支持，开发 难度大 哈尔溟： 程人学硕十学位论文 1 4 水下分机简介 声学释放器系统分为水上分机和水下分机两个子系统。其中水下分机又 分为电路系统和释放机构两部分。图1 2 为水下分机的结构图，水下分机由 密闭舱体、电子舱、释放机构、换能器组成。电子舱又可分为4 个舱段，分 别是：模拟电路舱段、数字电路舱段、电池舱段、电机舱段。将数字电路与 模拟电路置于不同舱段可以有效的降低数字电路对模拟电路的干扰，提高了 电路的性能。 图1 2 水下分机的结构 水下分机的所有电路板都位于模拟电路舱段和数字电路舱段，总共由5 块电路板组成，分别为前放板，信号调理板，发射板，数字控制板，数据存 储板。前三块板卡为电路系统的模拟部分，本论文所设计的两块板卡( 图1 3 虚线部分) 为数字控制板和数据存储板。数字控制板涉及a g c 1 程序、信号 检测p 1 程序以及各种控制任务，数据存储板作为该释放器的扩展功能，采集 和存储接收到的信号。 图1 3 水下分机电路框图 4 哈尔滨丁程大学硕七学位论文 图1 3 示出了水下分机各板之间的关系。前放板与换能器相连，从换能 器接收到的信号经模拟部分的放大滤波等预处理后送至数字部分进行进一步 的处理和实时存储。同时数字控制板实时监控水下分机的各板块，并判断是 否接收到释放指令。 1 5 本文研究的主要内容 论文研究的主要内容有：数字控制板的电路设计与调试、数据存储板的 电路设计与调试、a g c 软件实现、检测算法的软件实现、水下分机各种控制 任务的实现、f a t 3 2 文件系鲥卅研究、f a s t f a t 3 2 文件系统的设计与实现等。 本文的具体结构安排如下： 第一章、绪论首先介绍课题背景及立题意义，其次介绍了高可靠性水声 释放器水下分机的结构和工作流程，最后介绍了本文的主要内容。 第二章、数字控制板的软硬件设计，详细介绍了数字控制板的硬件设计 以及板上的m s p 4 3 0 单片机和d s p 的软件实现。 第三章、数据存储板设计，对f a s t f a t 3 2 文件系统的分层结构和设计方法 做了详细介绍，并在此基础上编写了实现数据存储功能的应用软 件。 第四章、松花湖试验，详细介绍了松花湖试验情况，并对实验数据进行 分析。 最后，对全文做了总结。 哈尔滨： 程大学硕+ 学位论文 第2 章数字控制板的软硬件设计 本章的主要内容为水下分机数字控制板的软硬件设计与实现。数字控制 板是水下分机电路部分的重要板卡，它完成以下任务，电源控制、漏水和欠 电报警、释放机构驱动以及a g c 和检测算法。 数字控制板的主要设计要求有： 1 电源：+ 3 6 v 电池供电； 2 功耗：平均功耗小于8 0 m w ； 3 工作方式：间歇式工作，并且工作时间和休眠时间可调； 4 欠电报警电平：+ 3 2 v ； 5 释放机构驱动电路：采用电机驱动方式，能够获得电机的位置信息； 6 采样电路：采样频率1 0 0 k b p s ，有效数据位至少1 3 b i t 。 2 1 数字控制板的结构及功能 图2 1 示出了数字控制板的电路框图。整个硬件电路根据功能可分为六 个相对独立的单元：单片机主控单元、电源模块、漏水和欠电报警电路、电 机驱动电路、实时时钟电路、信号检测电路。从图2 1 可以看到，电路中的 各个模块间的信息交互都是通过1 2 c 总线h 和g p i o 来实现的。 6 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 单片机作为主控芯片是该板的核心，单片机既是其他各模块的控制中心， 也是信息交换的中转站。单片机通过1 2 c 总线和g p i o 口，监控各个模块的 运行，协调各模块之间的数据传输，使整个水下分机长时间稳定可靠的工作。 其主要功能有：执行释放操作、发送响应波形、时钟及参数信息读取、a g c 算法以及对各个模块电源的控制等。 漏水、欠电报警电路将欠电和漏水等异常情况，转换为输出电压的变化， 并通过g p i o 口通知单片机主控单元。 实时时钟哪可以为单片机和数据存储模块提供时间信息，控制系统的间 歇式工作，并为系统提供定时释放功能。 信号检测模块对模拟部分预处理后的信号进行进一步处理，判断是否含 有释放指令，当确认已收到释放指令，则通过i 2 c 总线发送执行释放操作的 请求给单片机。 2 2 主要芯片 数字控制板中包含一个微控制器和一个数字信号处理机，微处理器用来 完成各种控制任务以及一些对运算量要求不高的算法程序，数字信号处理机 则完成释放指令的检测任务。选择这两种芯片时主要考虑到以下几点： ( 1 ) 芯片处理速度。速度应保证能够完成任务并留有一定余量便于以后 的升级。 ( 2 ) 芯片的整体功耗。由于水下设备一般采用电池供电，且长时间工作， 因此芯片选型时，应在满足使用要求的前提下，尽量选择功耗低的芯片。 ( 3 ) 足够使用的外设。与片外扩展的外设相比较，片内外设降低了硬件 开发难度，提高了电路的集成度，使c p u 能够更好的对各个外设进行管理并 进一步降低了成本和功耗。而外设不应以多、全作为芯片选择的原则，因为 过多外设的芯片价格和功耗较高，最好能保证所有的外设都能被充分利用。 除了以上几点以外，价格，封装及货源充足程度等也是芯片选型需要考 虑的问题。本设计中的主控芯片选择m s p 4 3 0 f 1 6 1 l ，信号检测模块中的数 字信号处理器选择t m s 3 2 0 c 5 5 0 9 a ”。 1 、m s p 4 3 0 系列单片机 m s p 4 3 0 系列是一个1 6 位、具有精简指令集、超低功耗的混合型单片机 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 ”。它具有以下特点： 1 ) 较快的运行速度引。 m s p 4 3 0 f 1 6 11 的运算速度能够满足本设计的需要。m s p 4 3 0 系列单片机 是二个1 6 位的单片机，采用了精简指令集( r i s c ) 结构，具有丰富的寻址 方式、简洁的内核指令、大量的模拟指令，以及高效的查表处理指令，使得 m s p 4 3 0 的程序编写相对容易。与其他低端单片机相比，m s p 4 3 0 有相对较高 的处理速度，大部分m s p 4 3 0 汇编指令都是单周期的。在8 m h z 晶体驱动下 指令周期为1 2 5 n s ，1 6 位的数据宽度、1 2 5 n s 的指令周期以及多功能的硬件乘 法器( 能实现乘加) 相配合，能实现数字信号处理的某些算法( 如f f t 等) 。 这些特点保证了可编制出高效率的源程序。 本论文所设计的a g c 算法是主控芯片所有任务中运算量最大的部分， 假设以l o o k 采样率采样输入信号，则该算法运算量为1 2 0 0 k 时钟周期秒， 对于以8 m 速度运行的m s p 4 3 0 来说，其运行速度完全满足算法要求。 2 ) 极低的功耗4 1 。 m s p 4 3 0 最大的特点就是超低功耗，而之所以有超低的功耗，是因为 m s p 4 3 0 在降低芯片的电源电压及灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之 处。 首先，m s p 4 3 0 系列单片机采用1 8 3 6 v 低电压供电，是目前世界上功 耗最低的单片机，其应用系统可以做到用一枚电池使用1 0 年训。表2 1 中列 出了m s p 4 3 0 x 1 x x 系列单片机与m c s 5 1 单片机别的功耗比较。 表2 1m s p 4 3 0 x l x x 系列单片机与m c s 5 1 单片机功耗比较 m s p 4 3 0 x l x xm c s 5 1 活动模式 2 5 0 p a m 1 p s 0 2 0 m a m l p s i o 端口漏电流 5 0 n a 1 1 0 p a r a m 数据保持状态 0 1 “a 其次，独特的时钟系统设计。在m s p 4 3 0 系列中有两个不同的系统时钟 系统：基本时钟系统和d c o 数字振荡器时钟系统。系统时钟系统产生c p u 和各功能所需的时钟，这些时钟可以在指令的控制下，打开或关闭，从而实 现对总体功耗的控制。在系统中共有一种活动模式( a m ) 和五种低功耗模 哈尔滨工程大学硕士学位论文 式( l p m o l p m 4 ) 卅，而系统运行时打丌的功能模块不同，即采用不同的 工作模式，芯片的功耗有着显著的不同，这对于我们这种采用间歇工作方式 的电路来说是非常重要的特性，这使得用户可以根据不同的需要，灵活的选 择时钟模块和省电模式，以便达到功耗和性能的完美平衡。在等待方式下， 该单片机耗电为o 7 p a ，在节电方式下，最低可达0 1 a 6 1 。图2 2 是 m s p 4 3 0 x l x x 系列单片机工作在不同模式下的功耗情况。 刍二0 o毫，苎 至 2 节： 罄 2 2 蠹 爱 鱿 基 t 3 萎 馨。 毒巷 赢m0 孵韬；0 扩l zt 。妒m 3l 妒酗毒 貔簪 壹 噶韬0 = ：整 图2 2m s p 4 3 0 各模式下的功耗 3 ) 丰富的片上外设。 m s p 4 3 0 f 1 6 11 单片机片上带有很多外设，本文所设计的数字电路系统使 用了以下外设： ( 1 ) 内部1 6 1 6 位乘法器。它有效降低乘累加运算所需的时钟周期数， 与c 语言标准库中的乘法运算相比，其处理速度提升了8 倍以上刀，同时也 减轻了c p u 的工作量，这对于需要大量乘累加运算的a g c 算法是非常有利 的。 ( 2 ) 3 通道的内部d m a ，它使c p u 从数据传输的任务中解放出来，减 轻了c p u 的负担，c p u 可以专注于运算，提高了程序执行效率。 ( 3 ) 2 个1 6 位定时器( t i m e r a 和t i m e r b ) ，功能十分强大，可以输出 p w m 波形，并具有捕获比较功能，本文用它们产生响应波形、自检时主时 钟频率的测量，以及各种延时操作。 ( 4 ) 具有较多的i o 端口，多达4 8 条i o 口线；其中p 0 、p 1 、p 2 端口 能够接收外部上升沿或下降沿的中断输入。 除此之外，m s p 4 3 0 f 1 6 1 1 的1 2 c 串行总线控制器为芯片间的通信带来了 9 墅圈 碧 、 您蘸k!|羹置 荔群驴彩致移臻辫i毯黪隧黪隧簿黪蒸 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 方便，并且由于只需要一根数据线和一根时钟线，极大的简化了电路设计。 其1 2 位a d 转换器，转换速度高达2 0 0 k b p s ，能够满足多数数据存储应用。 4 ) 方便高效的丌发环境4 1 。 由于m s p 4 3 0 f 系列芯片片内有j t a g 调试接口，还有可电擦写的f l a s h 存储器，因此m s p 4 3 0 有十分方便的开发调试环境。一般采用先下载程序到 f l a s h 内，然后再在器件内通过软件控制程序的运行，由j t a g 接口读取片内 信息的方法进行调试和开发。这种方式只需要一台p c 机和一个j t a g 调试 器，而不需要像d s p 那样需要仿真器和编程器的支持。这在系统设计、开发 调试及实际应用上都表现出较明显的优势。这种以f l a s h 技术与f e t 开发工 具组合的开发方式，具有方便、廉价、实用等优点，给用户提供了一个较为 理想的样机开发方式。 2 、t m s 3 2 0 c 5 5 0 9 数字信号处理芯片 对于检测模块，我们要求处理芯片要有较快的运行速度，尤其是较强的 乘累加运算能力。这里选择t m s 3 2 0 c 5 5 0 9 d s p 作为信号检测模块的处理芯 片，它是1 6 位定点d s p ，最适合便携式上网以及无线通信等低功耗应用， 如手机、p d a 、g p s 掣噶1 。该芯片有以下特点： 1 ) 较强的处理能力 t m s 3 2 0 c 5 5 0 9 a d s p 能够以较高的速度运行是由它的硬件结构卅保证的。 ( 1 ) c p u 结构 该d s p 的c p u 包括四个功能单元：指令缓冲单元( i 单元) ，程序流单 元( p 单元) ，数据计算单元( d 单元) 和地址数据流单元( a 单元) 。指令缓 冲单元，包括指令缓冲队列和指令译码器。该单元将获得的程序代码放入指 令缓冲队列，通过指令译码器译码后，再把数据传给其他单元来执行。程序 流单元，包括程序地址发生器，程序控制逻辑。该单元生成程序空间地址， 并传送至p a b 总线。数据计算单元，包括4 0 位桶形移位器，算术逻辑单元 a l u ，2 个乘加单元( m a c ) ，能够高速有效的完成移位、乘累加等算术运 算。地址数据流单元，包括数据地址发生单元，算术逻辑单元a l u 。该单元 可以产生读写数据空间地址。 ( 2 ) 地址总线和数据总线 t m s 3 2 0 c 5 5 0 9 a 共有1 2 条地址和数据总线：1 个3 2 位程序总线，5 个 l o 哈尔滨工程人学硕士学位论文 1 6 位数据总线和6 个2 4 位地址总线。这一并行结构使得在一个c p u 时钟周 期内可实现1 个3 2 位程序读，3 个1 6 位数据读和2 个1 6 位数据写操作。 ( 3 ) 指令流水线 c 5 5 系列d s p 的最大特点就在于其强有力的并行特性和方便用户编程的 流水线自动保护机制，而c 5 5 x 并行指令口卅口”的实现和指令的高效率执行，在 很大程度上都依赖于指令流水线的支持。其流水线分为两个分离的阶段，即 “取指阶段”和“执行阶段”。在取指阶段，将4 字节的指令包取入指令缓冲队 列，这罩面又包括提交地址、取指、预译码等4 个阶段；而在执行阶段，则 完成指令的译码执行，又可分为译码、取操作数、执行、写回结果等8 个阶 段。 2 ) 较大的存储空间和i o 空间 片内存储空间共有3 5 2 k b y t e s ( 1 7 6 kw o r d s ) ，其中包括3 2 k * 1 6 位双通道 r a m ( d a r a m ) ，9 6 k * 1 6 位单通道r a m ( s a r a m ) 。外部存储空间共有 8 m ( 1 6 b i t ) 最大寻址，由片选信号c e o 3 】来选择。存储区支持的类型有异步 s r a m ，异步e p r o m ，同步d r a m 和同步突发s r a m 。整个1 6 m b y t e s 存 储空间作为程序空间或数据空间均可寻址。 ( 1 ) 数据空间：数据空间分为1 2 8 个主数据页，每页有6 4 k 地址。访 问地址由7 b i t 主数据页值和一个1 6 b i t 偏移量构成。数据页o 的前9 6 个地址 ( 0 00 0 0 0 - - 0 00 0 5 f h ) 被保留用作内存映射寄存器。当程序从存储区或寄存 器读写数据时，需访问数据空间。c p u 用2 3 b r 寻址1 6 b f f 字的地址总线的 最低位为0 。 ( 2 ) i o 空间：它与程序数据空间分开。它仅在访问d s p 的片内外设 寄存器时有效。i o 空间的字地址为1 6 位宽，能访问6 4 k 地址。c p u 用数据 读地址总线读和数据写地址总线写。当c p u 读、写i o 空间时，将1 6 位地 址用高位为0 来扩展成2 4 位地址。 3 ) 较低的功耗 c 5 5 系列d s p 是为低功耗而专门设计的，每个c 5 5 xd s p 都有被称做空 闲域的段。为了减少功耗，在给定时间里，可以选择哪个域激活，哪个域空 闲。t m s 3 2 0 c 5 5 0 9 a 芯片中共有7 种域： ( 1 ) 空闲( i d l e ) 域：无论d s p 复位前这些域的状态为何值，d s p 硬 哈尔滨工程火学硕士学位论文 件复位后均激活。 ( 2 ) c p u 域：包括c p u 和c p u 总线 ( 3 ) d m a 域：d m a 控制器和d m a 总线 ( 4 ) 高速缓冲存储器( c a c h e ) 域 。 ( 5 ) 外设域：包括计时器、串口和a d c ( 6 ) 时钟发生器域：包括p l l 电路的时钟发生器 ( 7 ) 外部存储区接口( e m i f ) 域 4 ) 丰富的外设资源。 本文使用了该芯片内部的大部分外设资源。3 个全双工多信道缓冲串口 阱1 ，它们给许多种工业标准的串行设备提供无缝接口，并提供了与1 2 8 个独 立使能信道通信的能力，可以兼容a c 9 7 、s p i 、i i s 等多种串行协议，并能够 对数据进行“l a w 和a 1 a w 扩展，能够高速的完成芯片间的数据传输，本文 利用它与a d 转换芯片通信；两个m m c 控制器b 引，可与s d 卡及s d h c 卡 驱动无缝连接，相比使用单线s p i 模式和i o 仿真模式，大大提高了读写速度， 降低了程序的复杂度，减轻了c p u 的负载；带有6 个信道的直接存储器访问 ( d m a ) 控制器瞄1 可以在没有c p u 涉入的情况下，为6 个独立信道提供数 据活动，本文中通过d m a 将m c b s p 口的数据传送到内存中。可编程数字 锁相环时钟发生器，其时钟速率可达2 0 0 m h z ，最小机器指令周期为5 n s 。一 个指令高速缓冲存储器( c a c h e ) ，是一个可配置的2 4 k h y t e s 的存储器，可最小 化对外部存储区的访问，改善数据处理总量和维持系统能量，以减小功耗。 2 3 数字控制板的硬件设计 2 3 1 电源电路的设计 任何一个电路系统都离不开电源电路。电源电路是一个电路系统中极为 重要的组成部分。一个糟糕的电源电路设计轻则导致系统无法完成所要求的 技术指标，重则烧毁芯片，导致不可弥补的后果。 该部分电路的目的是为水下分机各部分提供电能，并为单片机提供电源 管理的接口，使其能够对整个水下部分的电源进行有效控制，实现间歇工作， 以便降低功耗。图2 3 示出了电源管理模块的框图。该电路板中除了信号检 测电路和电机电路外，其他部分的电路供电都来源于正负3 3 v 的电池组。图 1 2 哈尔滨下程火学硕士学何论文 中所示的上电开关可以通过外部磁铁打开或者关闭，这样就可以从外部对这 些部分的供电进行控制。直流电机需要相对较高的电压，使用电源芯片的方 案成本较高，因此直接将该电路与+ 1 2 v 电源相连。而信号检测电路，考虑到 该部分功耗较高，为了降低功耗，该部分应采用间歇运行方式，因此使用两 片电源管理芯片，实现对该部分电路的供电控制。 骝h 卉窦h 单片机i l - 警漏j 模k 块1 + 5 v 前放板电 源管理模 块 信号调理 板电i 1 6 ( 管 理模块 ：；：6 3 v v 卜+ 叫数字部分+ 1 1l 7 i 一 图2 3 电源电路的框图 ( 1 ) 电源管理芯片选型 信号检测电路的电源由单片机控制，这里通过单片机g p i o 管脚的高低 电平控制电源管理芯片的通断来实现该模块的电源控制。该电路的电源分为 数字部分和采集部分，数字部分采用3 3 v 和1 6 v 供电，采样部分采用+ 5 v 供电。 数字部分电源管理芯片选择t p s 7 3 h d 3 0 1 弘5 1 ，这是t i 公司为c 5 5 x 系列 d s p 推荐的电源芯片。它具有两路输出，一路为固定的+ 3 3 v ，另一路电压 1 5 5 5 v 可调，每路均可输出高达1 a 的电流，有较强的驱动能力，该芯片 还配有2 个使能端，分别用来控制两路的输出。图2 4 为该芯片的电路连接 图。 模拟部分需要选择一款升压芯片，将电压从+ 3 6 v 升至+ 5 v ，这里采用 了凌特公司的l t l 6 8 2 5 ，该芯输入电压范围为2 7 v 4 4 v ，可以提供3 3 v 和5 v 的固定电压和2 5 5 v 的可调输出电压，可以提供5 0 m a 的电流。该 哈尔滨工程大学硕七学位论文 芯片功耗很低，工作电流的典型值为1 5 0 衅，并设有外部可控的关断模式， 关断状态下的电流消耗仅为1 衅，非常适合于低功耗应用。 r 8 1 岂 _ 鎏 舌 ：= 霉 t p s 7 3 唧0 l 图2 4t p s 7 3 h d 3 0 1 的典型连接图 v oo xv o l t a g ev so u t p u tc u r r e n t ivo 皇曼j v 丁i = 2 5 ：e 、 、 。l e g b 2 5 飞 h 。 、 、。 、kl t c g b 2 3 3 、7 1 一i _ 。 l l a5 01 52 02 s3 33 5 互04 55 0 0 u 冲u _ c u r r f i , i tl 嫩 图2 5l t l 6 8 2 的输出电压与输出电路 图2 5 为该芯片输出电压与输出电流的关系。可以看到当输出为5 v 时， 该芯片能够提供的电流非常小，而当电压稍有下降时，该芯片的驱动能力大 大提高，考虑到模拟部分的功耗很低，电流不会超过l o m a ，因此输出电压 不会小于4 9 9 8 v 。这样的指标对于该模拟电路是完全可以接受的。 ( 2 ) 上电开关的设计 1 4 酷昭酊筠蛊泓；： 约站酊弱弱私 0 9 9 9 9 9 3 0 3 2 2 2 2 2 z 50毒二：4； 3 3 王童3 3 3 哈尔滨工程人学硕士学何论文 为了在外部对舱内电路的供电进行控制，设计了上电开关，图2 6 为上 电开关的结构，它使用两个干簧管和一个闭锁型继电器口7 1 组成，干簧管的一 端接电池组，另一端分别接继电器的两个控制端。当磁铁按上电方向滑动时， 干簧管a 闭合，与a 相连的继电器置位端置高，继电器开关打到与电池组相 连的一端，使水下分机电路系统上电；如果磁铁按下电方向滑动，干簧管b 导通，继电器开关达到另一端，完成下电功能。 i 磁铁i 坚 li 至单片机及 漏水报警系 统 i铝壳l l 磁铁l 当 图2 6 上电开关的结构 2 3 2 漏水、欠电报警电路设计 由于设备长时间在水下工作，为了防止由于渗水导致的设备损坏，设计 了漏水报警电路的功能。图2 7 为漏水报警部分的原理图。图中两个金属片 所央的为吸水性物质，该物质吸收水分后的电阻较干燥时减小很多。将该物 质与r 2 并联，并放置在舱体的可能渗水的位置，当没有渗水发生时，其电 阻非常高，可以认为是断路，当有渗水发生时，其电阻显著下降，取r 2 阻 值远大于r 1 ，r 1 远大于水电阻时，根据同相放大电耐2 町的输入输出关系式， 可以知道无渗水发生时的输出与基准电压大小相同为1 2 v ，有渗水发生时， 运放满幅输出，这里采用轨至轨运放，输出即为电源电压3 6 v 。将该输出电 哈尔滨一l 程大学硕十学位论文 宣i 宣置暑i 昌；宣i 高i i ；i i ；暑暑暑i i 暑暑昌萱i i 宣i i i i i i i i i i i ；置i 宣萱暑暑i i 昌置i i i ；i i i i ；暑暑昌宣置暑i ；昌i i i i 萱宣i i i 宣昌昌昌置宣暑 压经r 4 和r 5 分压后，再与1 2 v 基准电压进行比较便将电阻变化转换为电 压的变化。 欠电报警电路则采用了将电源分压后与1 2 v 基准电压比较的方法，由于 对精度要求较低，从降低功耗考虑，分压电阻可以选择较大的阻值。图2 8 为欠电报警电路的原理框图。当电压值小于3 2 v 时，该欠电报警电路对欠电 情况进行报警。 漏水、欠电报警所采用的运算放大器为a d 8 5 4 1 ，该芯片为a d 公司的 通用c m o s 轨至轨运放。其供电电流为4 5 “a ，增益带宽积为1 m h z ，其偏 置电压最大6 m v 。该芯片的1 f 噪声很高，非常不适合于低频信号的放大， 但由于该电路对精度要求不高，该芯片价格较低且功耗很低，因此选择使用 了该芯片。漏水及欠电报警电路所采用的比较器为t i 公司的l m v 3 9 3 ，该芯 片采用2 7 v 5 5 v 电压供电，其供电电流仅为1 0 0 1 t a ，对于这种要求不高的 低功耗应用非常合适。使用的1 2 v 基准电压则采用了极低功耗的a d r 2 8 0 ， 其供电电流仅有1 6 “a 。 图2 7 漏水报警原理图 图2 8 欠电报警电路原理 欠电报警和漏水报警的通道数较多，如果每个通道都与单片机连接的话， 一是会增加单片机的处理量，另一方面会占用过多的单片机管脚，考虑到各 1 6 哈尔滨t 程火学硕士学位论文 通道之间是逻辑或的关系，即只要有一个通道检测出异常就应该进入异常处 理状态，因此将所有漏水通道的输出和所有欠电报警通道的输出经过一个或 门后再输出给单片机。 2 3 - 3 电机控制电路设计 水下分机的电机舱是释放机构的组成部分，通过控制电机按一定方式转 动，可以实现释放机构的释放。由于单片机的g p i o 管脚驱动能力有限并且 直流电机在运行过程中单片机无法知道电机的当前位置信息，因此需要通过 设计电机驱动电路来控制电机的转动。 电机电源的上电和下电是通过单片机g p i o 管脚控制继电器的通断来实 现。由于m s p 4 3 0 单片机i o 管脚的最大输出电流仅为6 m a ，而继电器需要 6 2 m a 左右的电流才能驱动，一般采用三极管电路增强驱动能力，