水声信号记录电路设计研究.doc

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1、水声信号记录电路设计研究1引言进行水声研究需要进行大量的测量工作，并对测量数据进行比对、分析。因此对测量到的原始信号进行记录就显得格外重要。行业内存储水声信号主要使用的是磁带机，保存经放大处理的模拟信号。虽然磁带机有可靠性高、容量大、速度快等诸多优点，但是对数据再次使用时需要再次把模拟信号转换成数字信号，这给数据分析带来了不便。而且磁带机受体积、抗冲击性能等方面因素的影响，通常配置于地面设备，无法搭载于水下航行体中，这使磁带机的应用受到了很大的限制。因此，设计一种体积小，环境适应性强，可置于水下设备中的记录电路，替代传统的数

2、据记录设备，以满足行业内特殊条件下水声信号记录的需要，具有重要的实践意义和实用价值。2记录电路功能及设计思路记录电路以标准板卡的结构置于电子组件机箱内。通过接插件与底板连接。接收数字前置放大器输出的串行数字流信号，将其进行串并转换操作后，存入大容量存储器当中。记录电路可将记录数据读出到计算机或通过串行接口回放输出［1］。记录电路所处理的信号速率达到400kByte/s，需要FIFO进行缓冲，同时要针对CAN总线、IIC总线、串行数字信号接口以及FLASH芯片等开展多种接口设计［2］。FPGA作为目前最流行的可编程逻辑器件，具

3、有应用灵活的特点，成为记录电路硬件构架的首选。数据存储介质选择了普通U盘所使用的FLASH芯片，该类芯片具有存储密度高、可靠性高、价格便宜等优点。电路还内置电源管理电路，用于电源的自检、上电控制和复位控制功能。同时还配有CAN总线接口，便于接收上级系统的命令并将自检信息上报。3电路硬件设计记录电路的硬件设计主要围绕FPGA电路设计展开，同时进行接口电路部分设计、存储电路部分设计和数据交换电路部分的设计。FPGA电路是以FPGA嵌入式微处理器为核心的电路结构。所谓嵌入式微处理器是FPGA芯片内嵌了MICRO⁃4学海无涯BLZE

4、软内核，内核作为独立的微处理器被FPGA逻辑电路调用以完成和其它处理器一样的功能。整个电路分为电源管理、FPGA电路、存储器和通信几大部分。几部分的连接关系如图1所示。3.1电源管理电路设计。电源管理电路的主要功能是向整个电路板供电。除了供电作用外，还具有控制上电顺序和复位管理功能。电路中设有小的51系列单片机，可按需要对各个电源的上电顺序进行控制，同时实时检测电路板的各组供电电压情况和FPGA电路工作情况。电压情况异常或者FPGA电路工作异常时，对电源进行复位操作。电路采用+24VDC输入的供电模式，通过DC/DC转变成+

5、5VDC。电路板用到的其它直流电源由+5VDC转换提供。为了实现电源控制的功能，电源芯片选用了TI公司生产的TPS5461X系列DC/DC开关电源芯片。可通过单片机控制电源芯片上的“SS/ENA”脚实现对各组电源的控制［3］。完成电源管理的单片机选用了C8051系列的F206单片机，该单片机体积较小、资源不多，但完全可以满足电源管理的需要。电压检测芯片则选用了国家半导体公司的LM87芯片。单片机通过IIC串行总线控制LM87检测电路的各组电源供电情况和主控芯片的温度信息，当电源电压或者温度出现异常时对电源进行复位操作。3.2

6、存储器电路设计。记录电路选用了三星公司的1G×8bitNANDFlashMemory作为存储介质。需要记录数据的速率为400kByte/s，一片Flash芯片能记录的时间为40多分钟。考虑到存储容量的问题，选用了6片同规格的Flash芯片，可存储数据时间为4个小时。也可选择更大容量的FLASH芯片增加记录时间。Flash的接口相对简单，除了8位复用的地址、数据线以外，有7个控制引脚。它们分别为R/B、RE、CE、CLE、ALE、WE和WP。其中R/B引脚为状态指示输出脚，向处理器提供FLASH的工作状态；CE引脚为片选信号；

7、CLE和ALE分别为命令使能信号和地址使能信号；RE和WE分别为读写信号；WP为写保护信号。FPGA内部微处理器MiroBlaze通过通用I/O口连接FLASH芯片的8个地址、数据引脚和7个控制引脚，控制其内部寄存器完成对FLASH的读写操作，将数4学海无涯据记录到FLASH芯片上或者读出。6片FLASH芯片以并联方式与处理器相连，除片选信号CE外其余引脚均为复用。3.3通信电路设计。（CAN总线设计）CAN总线是一种全数字化双向和多主的现场总线，在汽车制造业应用非常广泛。现在水声领域应用方面，CAN总线的应用也已经较为普遍

8、。CAN总线采用双线传输方式，设备以节点的方式挂于总线上，通过设置帧ID控制数据的接收与发送。总线上的节点数可根据需要自行增加，应用非常方便。采用SJA1000CAN控制器结合驱动芯片PCA82C250的电路结构，实现CAN总线通信［4］。3.4FPGA电路设计。FPGA选用Xilinx公