0 引言

        隨著對海洋及水下環(huán)境探索的不斷深入，水聽器基陣在聲納設(shè)備中應(yīng)用越來越廣，同時(shí)對水聽器的一致性和陣列孔徑的要求也越來越高?；趩蝹€(gè)MEMS仿生矢量水聽器原理設(shè)計(jì)的集成陣列式水聽器具有成本低、體積小、一致性好的優(yōu)點(diǎn)[1-2]，可以很好地滿足工程應(yīng)用，圖1為2×2敏感單元的陣列微結(jié)構(gòu)。本文針對陣列式MEMS矢量水聽器設(shè)計(jì)了一種低功耗、低噪聲、多通道采集系統(tǒng)，其可與水聽器封裝一體，便于傳感器的組陣及應(yīng)用。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由FPGA控制器、A/D轉(zhuǎn)換器、信號調(diào)理電路、電源供電電路、RS422接口電路等組成。系統(tǒng)以FPGA為控制核心對傳感器信息進(jìn)行采集、編碼、傳輸。

　　水聽器的輸出信號經(jīng)預(yù)處理電路濾波、放大后，傳輸至ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；姿態(tài)傳感器(三維電子羅盤)用于采集傳感器的水下姿態(tài)信息，其輸出數(shù)據(jù)為RS232格式，經(jīng)電平轉(zhuǎn)換電路后送入FPGA與數(shù)字化的水聲信號進(jìn)行整合編碼，之后通過RS422接口電路輸出，上位機(jī)也可通過該接口檢測信號和發(fā)送命令。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

　　2.1 電源電路設(shè)計(jì)

　　根據(jù)任務(wù)要求，為采集系統(tǒng)提供的供電電源為24 V，考慮到系統(tǒng)散熱、芯片功率等問題，先將24 V通過電源芯片LM2576穩(wěn)壓到7 V，實(shí)現(xiàn)一級穩(wěn)壓。由于一級穩(wěn)壓后的電壓噪聲較大，故采用低噪聲的線性穩(wěn)壓器LT1965將7 V穩(wěn)壓到5 V給系統(tǒng)供電。LT1965的輸出電壓噪聲為40 ?滋VRMS，最大輸出電流為1.1 A。根據(jù)LM2576的輸出電壓公式：

　　取R1=1 kΩ，R2=4.7 kΩ，則VOUT1=7.01 V；LT1965的輸出電壓公式為：

　　其中IADJ為芯片ADJ管腳的偏置電流，設(shè)計(jì)中IADJ=1.3 ?A，取R3=15 kΩ，R4=4.7 kΩ，則VOUT2=5.05 V，兩級穩(wěn)壓電路均滿足設(shè)計(jì)要求。

　　2.2 信號調(diào)理電路設(shè)計(jì)

　　2.2.1 恒壓源和放大電路設(shè)計(jì)

　　由于電源噪聲對水聽器的最優(yōu)性能有很大影響，所以又另外選用了噪聲更低的線性穩(wěn)壓器LT1761，其輸出電壓噪聲為20 VRMS，將一級穩(wěn)壓后的7 V電壓穩(wěn)壓到5 V，來為傳感器和信號調(diào)理電路供電。

　　水聽器內(nèi)部的敏感單元可等效成惠斯通電橋結(jié)構(gòu)，輸出差分信號，輸出阻抗的特征值為1 kΩ，最大值1.2 kΩ[3]。水聽器差分信號在進(jìn)入放大電路之前先經(jīng)過一個(gè)無源低通濾波器濾除高頻噪聲，取R5=R6=300 Ω，C9=C10=0.1 F，則截止頻率為：fp=1/(2πRC)=5.3 kHz。放大電路設(shè)計(jì)中選用低噪聲、低功耗、高共模抑制比的儀表放大器AD8421，其最大輸入電壓噪聲為3.2 nV/√Hz，只需通過單個(gè)外接電阻RG便可設(shè)置增益，增益范圍1~10 000。RG選用200 Ω電阻，則放大電路的增益為：G=1+9.9 kΩ/RG≈50。設(shè)計(jì)中運(yùn)放AD8421采用單電源+5 V供電，輸出擺幅為+1.2 V~+3.4 V，根據(jù)水聲傳感器輸出信號的動態(tài)范圍：-15 mV~+15 mV，經(jīng)放大后變?yōu)?0.75 V~+0.75 V，加上運(yùn)放的參考電壓+2.5 V，則最終信號調(diào)理的輸出范圍為+1.75 V~+3.25 V，在運(yùn)放的輸出擺幅之內(nèi)[4]。水聽器的恒壓源激勵(lì)和放大電路如圖3所示。

　　2.2.2 二階高通濾波器設(shè)計(jì)

　　通過對水聽器的輸出信號進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其低頻噪聲要大于高頻噪聲，為提高信噪比，需要設(shè)計(jì)一個(gè)高通濾波器進(jìn)行濾波。常用的高通濾波器有多重負(fù)反饋型和壓控電壓源型（VCVS）兩種，但考慮到多重負(fù)反饋型濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對復(fù)雜而且容易疊加高頻諧波[5]，故選用具有增益容易控制、同相輸出、對運(yùn)放要求較低等優(yōu)點(diǎn)的VCVS式濾波器。巴特沃茲濾波器在通頻帶幅值特性平坦，在阻頻帶則逐漸下降為零，是唯一的無論階數(shù)、振幅對角頻率曲線都保持同樣形狀的濾波器[6]，所以濾波器設(shè)計(jì)為VCVS二階巴特沃茲高通濾波器。根據(jù)水聽器所需檢測的信號范圍：20 kHz~3 kHz，設(shè)計(jì)高通濾波器的截止頻率f0=10 Hz，增益為1，濾波電路原理圖如圖4所示。

　　在設(shè)計(jì)過程中，令巴特沃茲濾波器的二項(xiàng)式系數(shù)α=0.707，β=1，則電阻R11、R12的阻值可根據(jù)以下公式計(jì)算：

　　其中?棕0為轉(zhuǎn)折角頻率，其值可由轉(zhuǎn)折頻率f0得出，0=2πf0；k為C11與C12的比例系數(shù)，設(shè)C11=kC12。為方便設(shè)計(jì)和器件匹配，設(shè)計(jì)中取k=1；然后根據(jù)轉(zhuǎn)折頻率、電容的標(biāo)準(zhǔn)系列值和保證電阻在中等大小范圍內(nèi)的經(jīng)驗(yàn)公式：

　　確定C12的取值范圍為1 F~100 F，取C12=10 F，則計(jì)算得C11=C12=10 F，R11=1.13 kΩ，R12=2.26 kΩ。經(jīng)Multisim仿真，濾波器的截止頻率為10.2 Hz，與設(shè)計(jì)相符。

　　2.3 RS422接口電路設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)通過RS422通信接口串行輸出。RS422接口是差模傳輸，抗干擾能力強(qiáng)，在其傳輸線上可連接多個(gè)接收節(jié)點(diǎn)，采用該接口便于水聽器組成觀測網(wǎng)。接口芯片選用MAX3462，其內(nèi)部有一個(gè)傳輸線驅(qū)動器和一個(gè)傳輸線接收器，可工作在全雙工模式，故該接口可發(fā)送數(shù)據(jù)和接收命令。MAX3462的上限通信速率可達(dá)20 Mb/s，具有1/4單位負(fù)載(48 kΩ)輸入阻抗的接收器，其通信總線上最大可允許連接128個(gè)收發(fā)器。MAX3462與FPGA的通信通過高速光電耦合器HCPL-0738來實(shí)現(xiàn)電氣隔離，HCPL-0738的速度可達(dá)15 MBd，該接口可滿足10 Mb/s的最大數(shù)據(jù)傳輸速率，接口電路如圖5所示，R15和R18的阻值應(yīng)根據(jù)通信速率選取，其中422R+和422R-為接收差分信號，422T+和422T-為發(fā)送差分信號。

3 邏輯設(shè)計(jì)

　　3.1 AD采集時(shí)序

　　ADC選用8通道的AD7606，其工作方式有3種：并行模式、串行模式和字節(jié)模式。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用字節(jié)模式，此時(shí)每個(gè)通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果通過接口DB[7:0]分為高低兩個(gè)字節(jié)輸出，高低字節(jié)輸出的先后順序可通過HBEN管腳設(shè)置。CS為低時(shí)，隨著RD下降沿的到來，DB[7:0]便輸出一個(gè)字節(jié)， 8個(gè)通道轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀取共需要16個(gè)RD下降沿。采集通道轉(zhuǎn)換完后，CS的下降沿使FRSTDATA變?yōu)榈?；RD的第1個(gè)下降沿到來后FRSTDATA變?yōu)楦?，表?通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果正被讀出；RD的第3個(gè)下降沿到來后FRSTDATA又變?yōu)榈碗娖?，表?通道的數(shù)據(jù)已被讀出。根據(jù)水聲傳感器所需檢測信號的頻率范圍，將采樣率設(shè)計(jì)為25 kHz，數(shù)模轉(zhuǎn)換器的采集時(shí)序如圖6所示。

　　3.2 信號消抖

　　系統(tǒng)在工作過程中，經(jīng)常受到復(fù)雜的電磁干擾，時(shí)統(tǒng)觸點(diǎn)的閉合以及羅盤信號的電平轉(zhuǎn)換都會出現(xiàn)尖峰脈沖干擾，當(dāng)信號為低電平有效時(shí)，便會影響到信號的準(zhǔn)確接收，所以采取了有效的消抖邏輯，確保系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。在信號接收過程中采用實(shí)時(shí)抽樣判決法對其進(jìn)行消抖。抽樣判決法即每隔時(shí)間t對信號進(jìn)行一次采樣，并將采樣結(jié)果存入一個(gè)n位移位寄存器中。每采樣一次，移位寄存器中的數(shù)據(jù)便右移1位并將此時(shí)采樣得到的數(shù)據(jù)存儲到第一位；n次采樣完成后便對寄存器中的信息進(jìn)行判斷，設(shè)寄存器中低電平的個(gè)數(shù)為m，判決系數(shù)λ=m/n×100%，若λ≥60%，便認(rèn)為接收到了低電平信號，否則認(rèn)為接收到了高電平信號[7]。對于寄存器的位寬n，要根據(jù)干擾脈沖的寬度而定，設(shè)干擾脈沖寬度為t，采樣時(shí)鐘周期為fosc，應(yīng)保證n×fosc>t，在設(shè)計(jì)中選用了10 bit的移位寄存器。

　　3.3 FIFO緩存模塊

　　FIFO存儲器是一個(gè)帶有控制邏輯模塊的先進(jìn)先出存儲陣列，本設(shè)計(jì)中通過配置FPGA內(nèi)部的兩個(gè)寬度為4 bit、深度為1 024的雙口RAM來實(shí)現(xiàn)寬度為8 bit、總?cè)萘繛? KB的FIFO緩存模塊。

　　系統(tǒng)工作后，將接收到的羅盤數(shù)據(jù)先存入FIFO1，當(dāng)其寫地址和讀地址的偏差大于一幀羅盤數(shù)據(jù)長度時(shí)，便從FIFO1中讀出該幀數(shù)據(jù)，并和ADC轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)整合編碼后存入FIFO2。當(dāng)FIFO2的寫地址與讀地址的偏差大于零時(shí)，便通過RS422接口發(fā)送數(shù)據(jù)。

4 測試結(jié)果

　　將信號采集系統(tǒng)和電子羅盤封裝進(jìn)水聽器管殼后，對水聽器進(jìn)行水下測試，并將采集到的信號進(jìn)行分析。圖7為水聽器在剛性固定情況下20 min內(nèi)的水下姿態(tài)變化圖；圖8為水聽器在駐波桶內(nèi)接收500 Hz信號時(shí)敏感單元X、Y通道的波形圖，根據(jù)波形可計(jì)算出傳感器X、Y通道輸出信號的峰值分別為3.32 mV、1.54 mV；圖9為500 Hz情況下Y通道的指向性圖，其凹點(diǎn)深度為28.9 dB，最大值不均勻性為0.7 dB，具有較好的“8”字形指向特性。

5 結(jié)論

　　本文根據(jù)陣列式MEMS矢量水聽器的應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)了一種信息采集系統(tǒng)。設(shè)計(jì)了低噪聲的微弱信號提取電路和高速的RS422接口電路；對于邏輯信號的接收采用了有效的消抖方式，提高了系統(tǒng)的可靠性。經(jīng)過多次水下實(shí)驗(yàn)測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分表明系統(tǒng)能準(zhǔn)確采集水聽器的水聲信號及其姿態(tài)信息，滿足采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

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