一种潜标水声处理装置及系统的制作方法

本发明涉及水声信号检测技术领域，尤其涉及一种潜标水声处理装置及包括该潜标水声处理装置的潜标水声处理系统。

背景技术：

我国是一个海洋大国，有着18000公里长的海岸线，海域面积达到了300万平方公里。海洋资源的开发利用的前提是对海洋资源的探测，当前海洋资源探测最有效的手段是采用水声探测的方式，潜标水声系统能够实现对海洋信息连续采集、监测，除此之外，潜标水声系统具有隐蔽性好、独立功能能力强、长期稳定工作等优点，也能够通过水声通信接口实现水下组网，因而潜标水声系统目前广泛的应用在海洋探测中。潜标水声处理电路作为潜标系统的核心处理模块，能够实现对接收到的声学信号采集、水声通信、数据存储、数据通信、潜标工作状态控制等功能。

传统的潜标水声处理电路主要存在以下几个方面的缺点：

（1）数据存储空间小：潜标系统的供电主要是依靠潜标系统中的锂电池来供电，锂电池的电能储存有限，为了提高潜标系统的持续工作时间，电路系统的设计必须采用低功耗方案设计，在存储介质上选用的是低功耗存储方案，选用tf卡或者cf卡作为存储介质，存储容量最大为256gb；

（2）存储数据单一：为降低系统功耗，传统的潜标系统主要是采用fpga（现场可编程门阵列）+mcu（微控制器）方案，fpga主要负责对接收换能器调理后的模拟阵元域信号进行模数转换，再将转换后的数字信号传输给mcu来进行处理、存储，由于mcu信号处理能力较弱，不具备进行多阵元实时波束形成处理功能，因而传统潜标水声处理电路只存储原始阵元域数据。

（3）信号处理能力弱：传统的潜标水声处理电路由于采用的是fpga+mcu的低功耗处理方案，因此不具备在潜标水声处理电路上进行窄带波束形成、宽带波束形成、线谱检测、mvdr自适应波束形成等处理。

（4）调试手段单一，无法在线更新程序：传输的潜标水声处理电路是安装在潜标电子舱内部，调试时主要是通过拆卸潜标水声处理电路中的存储卡，通过pc机读取来验证功能，当需要更新程序时，需要拆卸电子舱，将fpga、mcu下载器与fpga芯片、mcu芯片连接后才能更新程序。

（5）工作模式单一：传统的潜标系统主要是依靠预先定时、设定任务的方式来进行工作。这种工作方式没有水声通信接口，会导致潜标系统在某段时间进行无效工作，所采集、存储的数据也都是无效的，导致整个潜标系统在无效工作，造成锂电池电能浪费、数据存储空间的浪费。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供了一种潜标水声处理装置及包括该潜标水声处理装置的潜标水声处理系统，以解决现有技术中的问题。

作为本发明的第一个方面，提供一种潜标水声处理装置，其中，包括：控制模块、处理模块、电源模块、采集模块和存储模块；

所述控制模块用于与上位机建立通信连接，并根据所述上位机的控制指令控制所述电源模块和所述处理模块的工作；

所述电源模块用于为所述控制模块和所述处理模块的工作提供电源供应；

所述采集模块用于采集声学信号，并对所述声学信号进行模数转换；

所述处理模块用于根据所述控制指令对所述采集模块和所述存储模块进行参数配置，以及能够控制所述采集模块和所述存储模块的工作，并实现对所述声学信号进行多种数据形式的处理；

所述存储模块用于将所述处理模块处理后的数据存储为多种数据形式。

进一步地，所述处理模块包括：zynq架构处理器。

进一步地，所述zynq架构处理器包括：fgpa和arm，所述fpga和arm通信连接，所述fpga用于控制所述采集模块和所述存储模块的工作，所述arm用于实现对所述声学信号进行多种数据形式的处理。

进一步地，所述控制模块包括单片机。

进一步地，所述采集模块包括两个均与所述处理模块通信连接的模数转换电路。

进一步地，所述潜标水声处理装置还包括：

以太网通信接口，所述以太网通信接口设置在所述处理模块上。

进一步地，所述潜标水声处理装置还包括：

调理控制模块，所述调理控制模块与所述处理模块通信连接。

进一步地，所述潜标水声处理装置还包括：

罗经接口，所述罗经接口设置在所述处理模块上。

进一步地，所述潜标水声处理装置还包括：

水声通信接口，所述控制模块通过所述水声通信接口与所述上位机通信连接。

作为本发明的另一个方面，提供一种潜标水声处理系统，其中，包括：上位机和前文所述的潜标水声处理装置，所述上位机与所述潜标水声处理装置通信连接。

通过上述潜标水声处理装置，采用的处理模块能够实现对声学信号进行多种数据形式的处理，相应的存储模块也能够将处理模块处理后的数据存储为多种数据形式，从而解决了现有技术中系统数据存储单一的情况，另外，通过设置电源模块，能够提高处理模块以及控制模块的持续工作时间，且可以采用大存储容量的存储模块实现数据存储，从而解决了现有技术中的数据存储空间小的问题。因此，本实施例提高的潜标水声处理装置具有存储空间大以及存储数据多样性的优势。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明提供的潜标水声处理装置的结构框图；

图2为本发明提供的潜标水声处理装置的具体实施方式结构框图；

图3为本发明提供的ad7768的内部电路图；

图4为本发明提供的pth08080wad的硬件原理图；

图5为本发明提供的ddr3终端稳压器原理图；

图6为本发明提供的adp7118硬件原理图；

图7为本发明提供的adc参考电压源硬件原理图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为了使本领域技术人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包括，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本实施例中提供了一种潜标水声处理装置，图1是根据本发明实施例提供的潜标水声处理装置100的结构框图，如图1所示，包括：控制模块110、处理模块120、电源模块130、采集模块140和存储模块150；

所述控制模块110用于与上位机建立通信连接，并根据所述上位机的控制指令控制所述电源模块130和所述处理模块120的工作；

所述电源模块130用于为所述控制模块110和所述处理模块120的工作提供电源供应；

所述采集模块140用于采集声学信号，并对所述声学信号进行模数转换；

所述处理模块120用于根据所述控制指令对所述采集模块140和所述存储模块150进行参数配置，以及能够控制所述采集模块140和所述存储模块150的工作，并实现对所述声学信号进行多种数据形式的处理；

所述存储模块150用于将所述处理模块120处理后的数据存储为多种数据形式。

通过上述潜标水声处理装置，采用的处理模块能够实现对声学信号进行多种数据形式的处理，相应的存储模块也能够将处理模块处理后的数据存储为多种数据形式，从而解决了现有技术中系统数据存储单一的情况，另外，通过设置电源模块，能够提高处理模块以及控制模块的持续工作时间，且可以采用大存储容量的存储模块实现数据存储，从而解决了现有技术中的数据存储空间小的问题。因此，本实施例提高的潜标水声处理装置具有存储空间大以及存储数据多样性的优势。

下面结合图2对本实施例提高的潜标水声处理装置的结构及其工作过程进行详细描述。

如图2所示，作为所述处理模块120的具体实施方式，所述处理模块包括：zynq架构处理器。

进一步具体地，所述zynq架构处理器包括：fgpa和arm，所述fpga和arm通信连接，所述fpga用于控制所述采集模块和所述存储模块的工作，所述arm用于实现对所述声学信号进行多种数据形式的处理。

优选地，所述zynq架构处理器具体可以为xilinx公司的zynq架构列的zynq架构7020芯片，它由一个a7系列的fpga和双核a9的arm组成，对外接口包括采集模块、电源模块、调理板程控增益模块、存储模块sd卡、ddr3模块、罗经接口、水声通信接口、控制模块等功能。

具体地，arm端具有丰富的接口（千兆以太网、sd卡、wlan、can总线、uart、usb、spi、nandflash、norflash等），工作主频可以达到800mhz，内部也具有fpu（浮点处理单元）可以做一些简单的数字信号处理功能，arm主要是完成多任务管理，包括高阶声场传感器阵列的工作模式、数字信号处理任务管理、存储配置、通信控制等；fpga端主要是完成对12元传感器信息的采集、rs422通信、程控增益控制等功能。

优选地，本实施例采用的zynq架构芯片是zynq架构7020-csg484i。

应当理解的是，zynq架构7020-csg484i的具体电路结构为本领域技术人员所熟知，此处不再赘述。

作为所述控制模块110的具体实施方式，所述控制模块110包括单片机。

优选地，所述控制模块110可以采用型号为msp430的单片机。

作为所述采集模块140的具体实施方式，所述采集模块140包括两个均与所述处理模块通信连接的模数转换电路。

具体地，所述采集模块140的主要功能是对调理输出的模拟信号进行模-数转换，主要是通过adc模块来实现。adc选用的是adi公司的ad7768这块芯片，其具有8通道采集、24位分辨率，其最高采样率为256ksps,动态范围108db,总谐波失真（thd）为-120db,输入端峰峰值为且支持低功耗采样模式，在16kps采样率下，每通道功耗约10mv，其典型应用领域之一就是在声纳潜标领域，因此只需要两片ad7768即可满足本项目使用；ad7768的功能框图如图3所示。

从图3可知，输入端的8路模拟差分信号通过σ-δ型a/d转换器完成模-数转换，再通过低延迟的sinc5滤波器完成数字信号滤波，再通过偏移、增益相位校正接口、串行数字信号输出模块完成数字信号输出。

需要说明的是，ad7768在采集模式配置上支持gpio和spi这两种配置模式，在模-数转换主要是以spi总线协议来完成数据转换。spi控制接口、串行数据输出接口均和zynq架构处理器的fpga的i/o相连接。

应当理解的是，关于ad7768的外围电路结构为本领域技术人员所熟知，此处不再赘述。

作为电源模块130的具体实施方式，所述电源模块130的主要功能是将锂电池提供的电源通过电源模块转换成各个低压电压（1v、1.2v、1.5v、1.8v、2.5v、3.3v、5v）从而为各个功能模块提供稳定可靠电源，在采集处理模块中所用到的电源模块芯片主要有pth08080wad、tps51200drct、adp7118ardz、ada4841-1yrjz这四种电源模块。

具体地，图4所示的是pth08080wad的硬件原理图模块，pth08080wad是由ti公司所提供的一种模块集成电源，集成了功率电感、电容，在使用时只需要配置高精度电阻即可获得稳定的输出电压。

在图4中，输入供电电压为12v，由锂电池提供，通过高精度电阻r22a配置后，可以得到1v电压输出。

具体地，图5所示的是ddr3终端稳压器的硬件设计模块，在pcb布局中要让vttddr稳压模块要尽量靠近ddr3存储芯片。

具体地，图6所示的是adp7118电源模块转换得到的+5v电源，它主要是为调理板、前置放大板、i/o转换驱动模块提供供电电压。

adc模块需要提供一个精准的vref参考电压，具体可以通过高精度电压源adr444arz、ad4841来提供，参考电压源的硬件设计电路图如图7所，adr444arz输出端提供一个高精度电压源，通过ada4841进行放大后驱动两片ad7768。

作为存储模块150的具体实施方式，所述存储模块150的主要功能是完成对原始阵元域数据、波束形成处理数据、罗经传感器数据的存储。目前存储模块主要是有硬盘存储、sd卡存储、flash存储这几种主要模式，从体积、功耗、需求等角度进行综合考虑，本实施例优选闪迪公司的512gb的sd卡作为存储模块。在该存储模块中，存储模块的控制管脚与zynq架构处理器的arm端相连接，而arm端的i/o为1.8v，因此需要驱动转换芯片txs02612rtwr转换成3.3v后再对sd卡进行读写操作。

应当理解的是，关于该存储模块的电路原理图为本领域技术人员所熟知，此处不再赘述。

具体地，所述潜标水声处理装置还包括：

以太网通信接口，所述以太网通信接口设置在所述处理模块上。

可以理解的是，以太网主要是便于潜标系统的调试和程序软件升级，可以在波束形成算法验证过程中通过以太网完成将pc机端的模拟数据通过以太网传输到ddr3中，然后通过zynq架构处理器读取ddr3中数据进行波束形成相关算法处理，然后再将处理后结果通过以太网传输到pc机中进行结果显示，此外也可以通过以太网接口实现对zynq架构处理器中功能的远程更新。本实施例中的以太网传输采用的是gmii模式，通过以太网mac芯片88e1116r进行转换后，再通过网络变压器连接到以太网rj45接口。

应当理解的是，关于以太网的电路原理图为本领域技术人员所熟知，此处不再赘述。

具体地，所述潜标水声处理装置还包括：

调理控制模块，所述调理控制模块与所述处理模块通信连接。

具体地，所述潜标水声处理装置还包括：

罗经接口，所述罗经接口设置在所述处理模块上。

具体地，所述潜标水声处理装置还包括：

水声通信接口，所述控制模块通过所述水声通信接口与所述上位机通信连接。

关于本实施例提高的潜标水声处理装置的工作原理具体如下：

当控制模块110接收到水声指令信息后，对指令信息进行解析，然后输出电源使能信号，控制所述电源模块130中的多个电源电路按照默认顺序开启，当处理模块120启动以后，会将处理模块120正常工作的心跳信号通过串行总线发送给控制模块的处理器模块，控制模块msp430接收到处理模块120心跳信号后，再将潜标系统中的配置参数（采样率、信号处理方式、存储地址等）发送给处理模块120，处理模块120对这些命令进行解析后，开启配置adc、sd卡等外设接口，来实现潜标水声处理装置的正常工作，当控制模块接收到关闭潜标系统工作命令后，控制模块msp430会首先发送给处理模块120，处理模块120首先会关闭所有外设接口，例如停止adc数据采集、停止数据存储等，当外设全部关闭完成后，处理模块120会给控制模块msp430发送关闭外设成功的应答信号，控制模块在接收到应答信号以后，再控制电源模块的使能管脚，停止潜标系统的电源输出。

综上，本实施例提供的潜标水声处理装置，相对传统技术，取得的技术效果主要有以下几点：

（1）提高了潜标水声处理电路的存储空间，采用新型高速sd卡，能够实现512gb数据量的存储空间。

（2）在zynq架构平台上运行linux操作系统，通过多任务管理，实现了在sd卡不同片区实时存储潜标接收换能器的原始阵元域数据存储、波束域数据存储、罗经数据存储。

（3）处理模块选用的是zynq架构处理器，该处理器包括xilinx公司的7系列fpga，具有丰富的逻辑资源、存储资源、dsp资源，此外还包括双核a9-arm，fpga与arm之间通过内部axi-4总线进行通信，该处理器具有强大的浮点、定点处理及并行计算能力，能够在平台上运行linux操作系统，实现多任务管理窄带波束形成、宽带波束形成、线谱检测、mvdr自适应波束形成等处理能力。

（4）预留以太网通信接口，该接口连接到潜标电子舱的水密接插件上，当调试时可以通过外接网络插座实现潜标数据读取、处理以及程序网络烧写更新功能，当实际使用时，通过水密堵头将该水密接插件堵上即可。

（5）预留水声通信接口，通过低功耗的值班电路msp430f149实现去水声命令的解析，对潜标供电电源输出、工作模式配置，从而实现对潜标多任务处理方式的配置。

作为本发明的另一实施例，提供一种潜标水声处理系统，其中，包括：上位机和前文所述的潜标水声处理装置，所述上位机与所述潜标水声处理装置通信连接。

本实施例提供的潜标水声处理系统，通过采用前文的潜标水声处理装置，采用的处理模块能够实现对声学信号进行多种数据形式的处理，相应的存储模块也能够将处理模块处理后的数据存储为多种数据形式，从而解决了现有技术中系统数据存储单一的情况，另外，通过设置电源模块，能够提高处理模块以及控制模块的持续工作时间，且可以采用大存储容量的存储模块实现数据存储，从而解决了现有技术中的数据存储空间小的问题。因此，本实施例提供的潜标水声处理系统具有存储空间大以及存储数据多样性的优势。

应当理解的是，所述上位机具体可以为潜标水声处理的控制系统。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。