基于四路同步水聲信號記錄儀設計方案

該方案設計開發(fā)了一種水聲信號記錄儀，實現(xiàn)對水聲信號4路24bit同步采集與存儲，動態(tài)范圍高達 100dB，采樣率可達100kS/s.測試結果表明，該方案中所設計的記錄儀精度高、動態(tài)范圍大、功耗低、存儲容量大，工作穩(wěn)定可靠，可完成30kHz 以下的水聲信號采集記錄。

　　一、引言

　　水聲信號是實現(xiàn)水下探測、定位、導航、通信的主要信息載體，對水下目標回波及其輻射噪聲的原始信號進行分析、處理和研究可獲得大量的目標特性信息，這就需要一種多路同步的高精度水聲信號采集記錄裝置來采集記錄水下目標的原始信號。

　　傳統(tǒng)的水聲采集系統(tǒng)常采用單路16bit以下A/D轉(zhuǎn)換器和單片機為核心器件，采樣精度低，采集存儲速度慢，處理能力弱，通用性不強。因此，文中采用24bit高精度A/D轉(zhuǎn)換器ADS1274、超低功耗數(shù)字信號處理芯片 TMSVC5509A和CF卡為主存儲介質(zhì)，設計開發(fā)了一種四路同步水聲信號記錄儀。該記錄儀精度高、動態(tài)范圍大、功耗低、存儲容量大，工作穩(wěn)定可靠，通用性強，可完成30kHz以下的水聲信號采集記錄和分析處理。

　　二、記錄儀整體設計方案

　　水聲數(shù)據(jù)記錄儀需要長時間工作于水下，在功能上需要滿足大容量的存儲、低功耗、高保真、實時采集記錄的要求。鑒于水聲信號頻率一般不高，采樣率100kHz足以滿足大部分信號采集需求，四路24bit采集8個小時總的數(shù)據(jù)量不超過32G，因此采用容量為32G的Compact Flash（CF卡）就能滿足系統(tǒng)存儲要求。記錄儀采樣頻率100kHz時，要在10μs的采樣周期內(nèi)完成4路24bit水聲信號的采集存儲，實時性要求較高，這里選用TI超低功耗數(shù)字信號處理芯片TMS320VC5509A為主控處理器，其處理速度達到400MIPS，可滿足系統(tǒng)需求。根據(jù)系統(tǒng)的需要，系統(tǒng)硬件部分由四路信號調(diào)理（前置放大及濾波）、高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器（AD）、主控處理器（DSP）、數(shù)據(jù)存儲單元（CF卡）、PC機接口單元構成（USB），軟件部分由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊和數(shù)據(jù)讀取模塊構成。記錄儀總體結構圖如圖1所示。

　　三、記錄儀硬件設計與實現(xiàn)

　?。ㄒ唬┬盘栒{(diào)理部分

　　信號調(diào)理部分的主要的功能，是完成對水聽器接收到的弱信號進行放大、濾波、單端變雙端、電壓抬升以使接收到的水聽器信號經(jīng)過調(diào)理后能滿足A/D輸入信號的要求。

　　水聽器的信號是微弱信號，前置放大對抑制噪聲起到致關重要的作用。是否能有效抑制各種噪聲，是本系是否成功的關鍵，這里采用了成熟的商品化前放模塊。

　　前放模塊的技術指標為：輸入方式：差動與單端；共模抑制比：》100dB;輸入阻抗：200MΩ；噪聲電壓密度為3nV/ ;增益：10倍（20dB）。

　　（二）A/D接口電路

　　經(jīng)過反復論證和比較，以及考慮到系統(tǒng)性能、電路結構、系統(tǒng)功耗、可擴展性及片源等多方面的因素，本系統(tǒng)選用了美國TI公司的一款24位高精度AD轉(zhuǎn)換器ADS1274.該AD芯片內(nèi)部集成有多個獨立的高階斬波穩(wěn)定調(diào)制器和FIR數(shù)字濾波器，可實現(xiàn)4通道同步采樣，支持高速、高精度、低功耗、低速4種工作模式，具有6 2 K H z的帶寬，采樣頻率最高可達128KS/s.該芯片采用差動輸入方式，所以輸入端可直接與傳感器或微小的電壓信號相連；可通過設置相應的輸入/輸出引腳選擇工作模式，無需寄存器編程，其數(shù)據(jù)輸出