水聲信號記錄電路設(shè)計

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1.設(shè)計思路

記錄電路是一種以標準卡板結(jié)構(gòu)為主的電路，這種電路一般會被放置于電子組件機器內(nèi)部，通過接插件和地板進行有效的連接。通過前置放大器的端口接受數(shù)據(jù)并且輸出串行數(shù)字流信號，將信號進行串并轉(zhuǎn)換操作后，存入到一個大容量的存儲器中，而記錄電路在這個過程中作用在于讀出記錄，并顯示到計算機上，或者通過串行接口進行回放輸出。記錄電路在實際使用的過程中信號速率會達到400kByte/s，同時需要進行FIFO緩沖，并且對多個線路、接口、芯片進行設(shè)計，包括：CAN總線、IIC總線、串行數(shù)字信號接口以及FLASH芯片。綜合考慮記錄電路的工作原理以及需要設(shè)計的內(nèi)容，本文選擇了FPGA可編程邏輯器件，對水聲信號記錄電路進行設(shè)計。這是因為FPGA可編程邏輯器件的應(yīng)用較為靈活，很多記錄電路都選擇其進行設(shè)計。在數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)的選擇上，選擇了FLASH芯片，這種芯片本身的存儲密度較高、可靠性也相對較高、同時價格也較為便宜。此外，在記錄電路設(shè)計中，還要對電源管理電路進行設(shè)計，電源管理電路是電路中最為重要的環(huán)節(jié)，承擔著電源自檢、上電控制、復(fù)位控制等方面的功能。

2.硬件設(shè)計

在設(shè)計電路的過程中，首先要設(shè)計的是電路硬件部分，電路硬件設(shè)計也是電路設(shè)計工作中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，在這個環(huán)節(jié)中主要應(yīng)用的就是FPGA，包括接口電路、存儲電路、數(shù)據(jù)交換等部分。FPGA可編程邏輯器是一種以FPGA嵌入式處理器為核心的電路結(jié)構(gòu)，就是在FPGA芯片中內(nèi)嵌了MICROBLZE軟內(nèi)核，而這一內(nèi)核作為獨立的微處理器通過被FPGA電路調(diào)用來完成不同的電路功能。記錄電路的硬件可以分為四個部分，分別為電源管理、EPGA電路、存儲器、通信。

2.1電源管理電路

首先是電源管理電路設(shè)計，電源管理電路的主要功能是向整個電路板提供電力，此外，還要承擔起控制上電順序和復(fù)位管理的責任。電路整體采用的供電模式為+24VDC輸入，并且在電路中加入了51系列單片機，以此保證電路可以根據(jù)不同的需求對上電順序進行控制，在實際運行的過程中，+24VDC會通過DC/DC轉(zhuǎn)換為+5VDC，繼而直流電源轉(zhuǎn)換的任務(wù)就會由+5VDC來完成。電源控制功能則是利用DC/DC開關(guān)電源芯片實現(xiàn)，利用單片機控制開關(guān)電源芯片上的“SS/ENA”腳，來達到電源控制的目的，單片機選擇的是的F206單片機，這種單片機本身的體積相對較小，雖然內(nèi)部資源不多，但是電源管理的需要完全可以滿足，此外，電壓檢測中的芯片選擇的是LM87芯片。復(fù)位功能則是通過IIC串行總線，控制LM87檢測電路，以此保證檢測電路各組電源的供電情況，如果單片機在檢測的過程中，溫度或者供電出現(xiàn)異常，那么就會對電源進行復(fù)位操作。

2.2存儲器電路設(shè)計

其次是存儲器電路設(shè)計，在設(shè)計存儲器電路的過程中選擇的存儲介質(zhì)為1G×8bitNANDFlashMemory。考慮到存儲容量和存儲速度的問題，因此在選擇芯片規(guī)格的時候，選擇了6片的記錄最常時間為40分鐘Flash芯片，從而保證可以存儲數(shù)據(jù)長達4小時，如果想要延長記錄時間，可選擇更大容量的Flash芯片。Flash芯片采用了8位復(fù)用的地址、7個控制引腳以及數(shù)據(jù)線完成接口，分別為：R/B、RE、CE、CLE、ALE、WE、WP。而在MICROBLZE軟內(nèi)核的中通過I/O口將FLASH芯片的8位復(fù)用的地址、7個控制引腳以及數(shù)據(jù)引腳連接到一起，并且讀取相應(yīng)的數(shù)據(jù)記錄，其中6片F(xiàn)lash芯片采用并聯(lián)的方式，而除了片選信號CE之外，其余引腳均為復(fù)用。

2.3通信電路設(shè)計

通信電路是的記錄電路中的核心部分，也可以稱為CAN總線設(shè)計，作為一種全數(shù)字化、雙向、多主的現(xiàn)場總線，這種CAN總線設(shè)計在汽車制造業(yè)也得到了廣泛的應(yīng)用。CAN總線設(shè)計通過雙線傳輸?shù)姆绞剑尮?jié)點掛在總線上，以此控制數(shù)據(jù)接收發(fā)送?；谶@種方式，可以根據(jù)實際需要自行增加總線上的節(jié)點數(shù)，在實際應(yīng)用中非常方便，此外，在通信電路中包括了SJA1000CAN控制器、驅(qū)動芯片PCA82C250。

2.4FPGA電路設(shè)計

在設(shè)計FPGA電路設(shè)計的過程中，選擇了XC2VP20FG676芯片，F(xiàn)PGA電路設(shè)計中的芯片是整個電路的核心，因為要在芯片上內(nèi)嵌軟內(nèi)核，以此保證電路的正常使用。此外，F(xiàn)PGA電路中配置芯片選擇的是一種大容量的存儲芯片，為：XCF08P芯片，根據(jù)數(shù)據(jù)手冊的要求，將兩個芯片設(shè)置完畢，根據(jù)實際需求配置電源、晶振、復(fù)位芯片和JTAG接口。

3.軟件設(shè)計

在完成硬件設(shè)計后，還要進行軟件設(shè)計其中軟件設(shè)計包括兩個部分，分別為：單片機軟件和FPGA軟件。

3.1單片機軟件

單片機軟件的主要功能在于電源管理，通過單片機軟件模擬IIC總線，以此監(jiān)測電源和FPGA電路的實際情況。如果電源或者FPGA電路出現(xiàn)了不正常的情況，就會對電源芯片進行服務(wù)操作，整體軟件過程采用的是C語言進行編寫，功能也較為簡單。

3.2FPGA軟件

FPGA軟件的核心部分是內(nèi)嵌微處理器MICROBLZE軟內(nèi)核的設(shè)計，同樣是采用C語言進行設(shè)計，F(xiàn)PGA軟件的主要作用是記錄和回放串行數(shù)字流信號，因此必須要保證FPGA軟件可以正確讀取存儲緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)。FPGA軟件中的數(shù)據(jù)讀寫功能以頁為單位，在讀取之前，必須要明確指出讀寫頁地址，然后發(fā)送準確的讀寫命令，每一頁為1056個字，需要注意的是，F(xiàn)PGA軟件在讀寫過程中，每頁的1056字必須要一次性連讀出或者寫入（朱明駿,孫現(xiàn)有.基于FPGA的水聲信號記錄電路設(shè)計,艦船電子工程,2018）。

4.應(yīng)用情況

經(jīng)過軟硬件設(shè)計后，就可以將記錄電路投入到實際應(yīng)用中，為了驗證本文為設(shè)計出來的水聲信號記錄電路情況，本文將設(shè)計出來的記錄電路應(yīng)用于某水下航行器上，并且展開具體的實驗分析，觀察試驗數(shù)據(jù)判斷該電路的實際應(yīng)用效果。在九分鐘的水聲信號圖形中可以看出，在兩次放大中都可以得到十分清晰數(shù)據(jù)記錄。可見本文設(shè)計出來的電路抗干擾性較強，漂移失真較小，得到的結(jié)果可以滿足水聲信號實時準確采集要求，且應(yīng)用效能較好。

總結(jié)：

綜上所述，本文基于FPGA提出了一種全新的水聲信號記錄電路設(shè)計思路和設(shè)計方案，經(jīng)過實際的研究分析，通過具體的實驗驗證了本文設(shè)計出來的電路可以高效準確的完成水聲信號的記錄工作，還可以保證擁有穩(wěn)定的工作狀態(tài)。重點針對電路中的復(fù)位、濾波、接收機等模塊進行研究設(shè)計，而實驗結(jié)果也證明，本文設(shè)計出來記錄設(shè)備具有著較高的應(yīng)用價值，并且可以取代傳統(tǒng)的模擬記錄設(shè)備，滿足新時期水聲信號的記錄需求。

作者：應(yīng)海龍 單位：中國船舶重工集團公司第七一五研究所