一种声信号多通道同步采集及集中存储系统及方法与流程

本发明属于水中兵器试验测试技术领域，也可推广应用于具备相似条件的民用领域，具体为一种声信号多通道同步采集及集中存储系统及方法。

背景技术：

在利用活动靶标对水中兵器进行脱靶量、电磁引信等考核试验时，需要对分布广泛的电磁、声等多个通道进行同步采集并集中存储。与gps信号进行同步，使所有的通道都以一个时间为基准。

脱靶量测量是利用目标声信号到达接收换能器的时延来计算目标与靶间的距离。当使用合作信标3d段进行脱靶量测量时，通过计算3d段发出的声信号到达活动靶脱靶测量系统的接收换能器的延时就可以计算出目标的距离。因此3d信号的时间基准与脱靶测量的时间基阵必须严格同步，这样测量出的脱靶量才精确。脱靶量测量系统安装在活动靶航行体上，其换能器、前放等模拟组件安装在航行体上。当使用多种方法进行脱靶量测量时，其物理通道将成倍提高。根据项目实际使用情况，声信号共有10个通道。对电磁引信的考核，为使得电磁的接收作用距离与实际潜艇尺寸尽量一致，在活动靶的拖缆上除了声发射和接收，还等间距安装了4个电磁接收传感器。每个电磁传感器有x/y/z三个方向，即有3个模拟采样通道，则在电磁引信系统上共有12个接收通道。

对22个通道的数据进行集中存储主要是使用计算机存储。如何对分布广泛在航行体和拖缆上的22个通道进行同步采样及集中存储是一技术难题。当前实现同步采集和存储主要是针对单板电路或是针对物理位置相对集中的系统。

技术实现要素：

为解决上述现有技术存在的不足和缺陷，发明人经过研发，现提供了多通道同步采集及集中存储技术，对分布广泛、距离相距较远的多个采样点进行同步采集并且利用计算机进行数据集中存储。在传输和存储的过程中不发生数据错位，对多个通道每个时刻形成的数据快拍保存完好。利用计算机存储数据，数据存储容量大。用户读取数据及分析数据十分便捷。硬件通道扩展性良好，具有较高的通用性、可靠性、可集成性和可扩展性。

具体的，本发明是这样实现的：一种声信号多通道同步采集及集中存储系统，包括拖缆组件内的电磁接收组件和第一声接收组件，其特征在于，还包括置于外部的3d同步设备，置于航行体上的同步电路板、第二声接收组件、数字流转换电路板模块、信号处理模块、存储模块；其中：3d同步设备连接至同步电路板，用于对同步电路板进行同步，将其与装在参加试验的产品上的3d段统一到同一时间基准；同步电路板，用于将产生的同步信号传输给第一、二声接收组件、电磁接收组件及数字流转换电路板；第一、二声接收组件、电磁接收组件，用于根据接收到的同步信号对各自所接收的声信号、电磁信号进行同步采样；并将采样的数字信号传输给数字流转换电路板模块；数字流转换电路板模块，用于对所接收的数字信号进行整理打包，并传输给信号处理模块，信号处理模块，用于将接收的数据存储在固定的缓冲区；存储模块，用于对相应的缓冲区进行读取并存储。

进一步的，所述同步电路板，将产生的同步信号传输给第一、二声接收组件、电磁接收组件及数字流转换电路板，所用的传输形式为rs485形式传输；所述第一、二声接收组件、电磁接收组件，将采样的数字信号传输给数字流转换电路板模块，所用的传输形式为rs485串口形式；所述数字流转换电路板模块将数字信号进行整理打包，传输给信号处理模块的传输协议使用ts101的link传输协议。

进一步的，所述信号处理模块和所述存储模块，还用于将数据存储在开放的数据缓存地址区间，由计算机通过cpci总线对相应的缓存地址进行读取，并存储在计算机硬盘，完成多路信号同步采集及集中存储。

进一步的，所述同步电路板，在总线的前端节点和后端节点各并联一个120欧姆的电阻，其他节点不接电阻。

进一步的，所述数字流转换电路板模块，用于对所有节点的数据进行排列，形成一个固定长度的一帧数据，并固定每个节点数据的相对位置。

本发明的另一方面，提供了一种多通道同步采集及集中存储方法，包括以下步骤：

步骤s1、3d同步设备与同步电路板同步，使3d段统一到同一时间基准，产生同步信号，并同步输出至各水声接收设备和数字流转换电路板模块；

步骤s2、各水声接收设备根据接收到的同步信号对各自所接收的声信号、电磁信号进行同步采样，并将采样的数字信号传输给数字流转换电路板模块；

步骤s3、数字流转换电路板模块对接收的所有节点的数据进行排列，形成一帧数据，固定每个节点数据的相对位置，并进行整理打包，传输给信号处理模块；

步骤s4、传输给信号处理模块将接收的数据存储在固定的缓冲区，并等待相应的读取并存储在存储介质。

进一步的，所述步骤s2中，所述各水声接收设备，包括：声磁复合拖曳线列阵组件、矢量水听器组件和\或水听器组件；传输形式选用rs458总线的驱动芯片sn65hvd23实现对接传输；所述步骤s3中，在数字流转换电路板模块总线前端节点和后端节点各并联一个120欧姆的电阻，其他节点不接电阻，使得网络电阻匹配，提高信号的稳定性。

进一步的，所述步骤s1还包括：3d同步设备与同步电路板通过gps提供基准时间，同步电路板跟3d同步设备同步后，按rs485的协议格式给各水声接收设备和数字流转换电路板输出同步信号。

进一步的，所述步骤s3包括：数字流转换电路板对所有的数据进行排列形成一帧数据，通过link传输给信号处理模块。

进一步的，所述步骤s4包括，信号处理模块按顺序存储接收到的数据到固定的缓冲区，计算机通过cpci总线读取固定缓冲区的数据，并建立数据文件存储数据。

本发明的工作原理及有益效果介绍：基于gps同步和rs485总线技术对分布广泛的多通道模拟信号进行同步采样技术，首先，gps提供基准时间，将所有需要同步的设备都同步到北京时间，同步电路板跟外部同步设备同步后，按rs485的协议格式给声接收、电磁接收及数字流转接电路输出同步信号，声接收和电磁接收节点接收同步信号，按同步信号进行a/d采样。这样所有采样节点都是按同步信号的时间基准进行采样，保证形成的数据快拍是严格意义上同时的，且rs485总线可以挂载多个节点，这样同步电路板可以对多个接收节点进行同步，其通用性、可扩展性高。本发明同时利用了计算机进行数据集中存储的技术，利用计算机硬盘存储数据，其容量是足够的，若是容量不足只需要更换更大的硬盘即可，设计灵活。数字流转接电路是对所有采样节点数据的汇总排列，其保证了数据不花生错位情况。数字流转接电路将接收到的数据排列为一帧数据，其将这帧数据按顺序传输给信号处理模块。信号处理模块按顺序将数据存放在固定的缓存区，计算机通过cpci总线读取该缓冲区，并建立数据文件进行数据存储。

附图说明

图1为本发明总体设计框图；

图2为集中存储数据流程图；

图3为具体数据流规划设计框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

实施过程经历了需求分析、初步设计、详细设计、模块编程、模块测试、系统测试、静态试验等过程。同步电路、数字流转换电路、电磁接收电路及声接收电路等软件都使用verilog编写。计算机软件使用c++编写。信号处理软件使用汇编语言编写。本实施例中所述的3d同步设备是一种通过天线获取gps信号，获得一个时间基准的设备。如有多个设备，需要使用同一个时间基准时，可以使用该设备，使得每个设备都是以gps信号的北京时间为基准，这样可以保证每个设备的时间基准是一致的。

3d段是装在参加试验的产品上的一个段体。其与3d同步设备联合使用。在试验开始前，利用3d同步设备对3d段进行同步，使得3d段的时间基准同步到gps的北京时间上，使参事设备都有共同的时间基准。

下面结合附图对本发明做更详细地描述：

实施例1：多通道同步采集及集中存储技术总体设计框图如图1所示。其航行体内部主要硬件构成有同步电路板、数字流转换电路板、信号处理模块、计算机、声接收及电磁接收。外部设备有3d同步设备，其作用是对航行体内的同步电路板进行同步，将其与装在产品上的3d段统一到同一时间基准。同步电路板产生同步信号，并将同步信号以rs485的形式传输给声接收组件、电磁接收组件及数字流转换电路板。声接收组件和电磁接收组件根据同步信号对接收的声信号和电磁信号进行同步采样。并将采样的数字信号以rs485串口形式传输给数字流转换电路板。由数字流转换电路板对数据进行整理打包，并按ts101的link传输协议传输给信号处理模块。信号处理模块将数据存储在开放的数据缓存地址区间，由计算机通过cpci总线对相应的缓存地址进行读取，并存储在计算机硬盘。这样就完成了多路信号同步采集及集中存储的过程。

(1)同步信号传输设计

同步电路板的核心功能使用fpga设计实现。fpga具有设计灵活高效的特点，可以很好的满足设计需要。同步信号的设计要求其稳定可靠地将同步信号传输到需要同步的所有节点。而需要同步的节点分布广泛、距离远，若仅仅使用fpga的io口进行信号传输则其驱动能力无法达到要求，拖缆上的节点将无法可靠地同步采集。因此，必须选择一种可以满足远距离并且同时可以挂载多个节点的传输方法。rs485能在远距离条件下以及电子噪声大的环境下有效传输信号，并且可以挂载多个节点。rs485的这些特点很好地满足了该项目的需求。在本设计中采用的rs458驱动芯片为sn65hvd23。其驱动能力强，在传输距离达到160米的条件下，传输数率可以达到25mbps，挂载的节点数量可以达到64个。在设计时，在总线前端节点的输出端和后端节点的输入端各并联一个120欧姆的电阻，其他节点不接电阻，使得网络电阻匹配，提高信号的稳定性。

(2)集中存储设计

因为数据都是同步采集，必须保证各个节点的数据在传输和存储过程中不发生错位的情况。否则在使用数据进行计算时结果误差会增大。所以集中存储23个通道的数据必须对数据帧格式进行设计规范，防止数据错位。

本实施例中，所有节点的数据都将汇总到数字流转换电路上，由该电路对数据进行排列，形成一帧数据。这样每个节点数据的相对位置就被固定下来。数字流转换电路通过ts101link口传输给信号处理模块。信号处理模块将接收到的数据存在固定的缓冲区，计算机再通过cpci总线读取该缓冲区的数据。这样每次数据读取都按顺序读取及存储就不会发生数据错位的情况。其中，每帧数据共有368位，格式如下所示：

图2为数据集中存储的数据流流程图。图中电磁节点数据、声节点数据和同步数据都汇总到数字流转换电路。数字流转换电路对所有的数据进行排列形成一帧数据，通过link传输给信号处理模块。信号处理模块按顺序存储接收到的数据到固定的缓冲区。计算机通过cpci总线读取固定缓冲区的数据，并建立数据文件存储数据。图3为该设计的具体的设计流程分布。通过该图可以看出各个节点间的数据流向及硬件设计实现方法。

实施例2：一种多通道同步采集及集中存储方法，包括以下步骤：

步骤s1、3d同步设备与同步电路板同步，使3d段统一到同一时间基准，产生同步信号，并同步输出至各水声接收设备和数字流转换电路板模块；步骤s2、各水声接收设备根据接收到的同步信号对各自所接收的声信号、电磁信号进行同步采样，并将采样的数字信号传输给数字流转换电路板模块；步骤s3、数字流转换电路板对接收的所有节点的数据进行排列，形成一帧数据，固定每个节点数据的相对位置，并进行整理打包，传输给信号处理模块；步骤s4、传输给信号处理模块将接收的数据存储在固定的缓冲区，并等待相应的读取并存储在存储介质。各水声接收设备，包括：声磁复合拖曳线列阵组件、矢量水听器组件和\或水听器组件；传输形式选用rs458驱动芯片为sn65hvd23的接口芯片通道实现对接传输；步骤s3中，在数字流转换电路板模块总线前端节点的输出端和后端节点的输入端各并联一个120欧姆的电阻，其他节点不接电阻，使得网络电阻匹配，提高信号的稳定性。所述声磁复合拖曳线列阵组件包括若干个电磁接收器、至少一个3d水听器，3d水听器传输声学信号至数字流转换电路板模块；声磁复合拖曳线列阵组件传输3d信号和电磁信号至数字流转换电路板模块；矢量水听器组件传输噪声信号、自导信号至数字流转换电路板模块；水听器组件包括左水听器和右水听器分别传输3d信号、噪声信号和自导信号至数字流转换电路板模块；传输形式选用rs458驱动芯片为sn65hvd23的接口芯片通道实现对接传输；

数字流转换电路板模块，通过cpc1转接板1pps同步连接至同步电路板；选用rs458驱动芯片为sn65hvd23的接口芯片通道实现与同步电路板的对接；并在总线前端节点的输出端和后端节点的输入端各并联一个120欧姆的电阻，其他节点不接电阻，使得网络电阻匹配，提高信号的稳定性。

优选地，3d同步设备与同步电路板通过gps提供基准时间，同步电路板跟外部同步设备同步后，按rs485的协议格式给各水声接收设备和数字流转换电路板模块输出同步信号。数字流转换电路板模块对所有的数据进行排列形成一帧数据，通过link传输给信号处理模块，信号处理模块按顺序存储接收到的数据到固定的缓冲区，计算机通过cpci总线读取固定缓冲区的数据，并建立数据文件存储数据。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。