陳鴻志，徐功慧，崔華義，江國進(jìn)

（1.91388部隊(duì)95分隊(duì)，廣東 湛江 524022；2.國家海洋技術(shù)中心，天津 300112）

基于ARM和北斗通訊的水聲浮標(biāo)技術(shù)應(yīng)用研究

陳鴻志1，徐功慧1，崔華義2，江國進(jìn)1

（1.91388部隊(duì)95分隊(duì)，廣東 湛江 524022；2.國家海洋技術(shù)中心，天津 300112）

水聲浮標(biāo)是進(jìn)行海洋聲學(xué)調(diào)查的重要設(shè)備，傳統(tǒng)的浮標(biāo)采用基于計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)采集方式和短波通信方式，其可靠性較差。文中介紹了基于ARM的數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)和北斗通訊方式的浮標(biāo)工程技術(shù)應(yīng)用設(shè)計(jì)方案，結(jié)合傳統(tǒng)浮標(biāo)系統(tǒng)對(duì)比分析了其系統(tǒng)集成的實(shí)用性、先進(jìn)性、適應(yīng)性，并提出了進(jìn)一步的改進(jìn)措施。

水聲浮標(biāo)系統(tǒng)；工程應(yīng)用；ARM；北斗通訊

海洋聲學(xué)要素調(diào)查是海洋觀測的重要內(nèi)容，它包括海水聲速測量、海洋環(huán)境噪聲、海洋聲傳播損失測量、混響和海底聲特性調(diào)查。水聲浮標(biāo)系統(tǒng)是獲取海洋環(huán)境噪聲及聲傳播損失的主要測量設(shè)備，具有海上測量時(shí)間長、錄取數(shù)據(jù)質(zhì)量高等特點(diǎn)，在實(shí)際作業(yè)中應(yīng)用廣泛、頻繁。因此水聲浮標(biāo)的選取是數(shù)據(jù)獲取與提高功效的關(guān)鍵，經(jīng)實(shí)踐探索、驗(yàn)證，基于ARM的數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)技術(shù)和北斗通訊的水聲浮標(biāo)工程技術(shù)應(yīng)用是目前的最佳選擇之一，其效果顯著，海上作業(yè)更加便捷，易于推廣使用?；贏RM數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)技術(shù)在海洋調(diào)查儀器和水聲測量數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域的應(yīng)用還是首次，大大提高了獲取數(shù)據(jù)的質(zhì)量，而北斗通訊在水聲浮標(biāo)系統(tǒng)的應(yīng)用較傳統(tǒng)浮標(biāo)提升了系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性。

1 工程技術(shù)方案分析

傳統(tǒng)的浮標(biāo)系統(tǒng)在通信及定位上主要采用短波電臺(tái)與GPS定位系統(tǒng)，數(shù)據(jù)獲取方面采用基于工控機(jī)的數(shù)據(jù)采集卡為平臺(tái)，該浮標(biāo)的主要特點(diǎn)是系統(tǒng)功耗大、輻射干擾大、通信不夠穩(wěn)定、可靠性不高；系統(tǒng)易自激和死機(jī)，造成水聲浮標(biāo)丟失和數(shù)據(jù)缺失?；贏RM的數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)和北斗通訊的水聲浮標(biāo)采用以ARM和FPGA為核心的嵌入式系統(tǒng)，設(shè)計(jì)開發(fā)了8通道數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)，脫離工控機(jī)環(huán)境，獨(dú)立完成數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)；采用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的短報(bào)文傳輸功能進(jìn)行通訊，提高了水聲浮標(biāo)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

基于ARM數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)和北斗通訊的水聲浮標(biāo)系統(tǒng)，由北斗/GPS衛(wèi)星通訊系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、控制單元、電源管理單元、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換單元和存儲(chǔ)單元等組成。

1.1 通訊系統(tǒng)

傳統(tǒng)的浮標(biāo)通訊系統(tǒng)由電臺(tái)、調(diào)制解調(diào)器、天線調(diào)諧器和天線等部分組成，其靜態(tài)功耗約20 W，發(fā)射瞬間功耗達(dá)到200 W。由于短波電臺(tái)的散熱問題經(jīng)常導(dǎo)致工控機(jī)損壞或死機(jī)；而且電臺(tái)器件老化后會(huì)引起電源尖刺，影響采集數(shù)據(jù)質(zhì)量；短波電臺(tái)通訊數(shù)據(jù)傳輸速度較慢，傳輸10個(gè)字符需要十幾秒時(shí)間，而且電臺(tái)輻射會(huì)造成系統(tǒng)控制器復(fù)位。采用短波電臺(tái)通信，電臺(tái)天線長度2.6 m，增加了浮標(biāo)布放回收的難度，同時(shí)較長的電臺(tái)天線，極大地影響了浮標(biāo)在水中姿態(tài)的穩(wěn)定性，且在海上易出現(xiàn)電臺(tái)天線被風(fēng)浪折斷現(xiàn)象。

北斗通訊水聲浮標(biāo)通訊系統(tǒng)采用北斗/GPS雙模通訊定位模塊，該模塊兼容北斗和GPS兩種導(dǎo)航定位系統(tǒng)。具有高靈敏度信號(hào)捕捉能力、穩(wěn)定高效率的信號(hào)發(fā)射能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)3顆北斗衛(wèi)星信號(hào)和12個(gè)通道GPS信號(hào)的實(shí)時(shí)跟蹤處理。支持寬范圍的直流電源供電。設(shè)備具有尺寸小、功耗低、安裝方便、性能可靠、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，適合用戶二次開發(fā)，嵌入到其他產(chǎn)品中。模塊采用全屏蔽設(shè)計(jì)，具有優(yōu)良的電磁兼容特性和抗沖擊振動(dòng)的能力。

北斗通訊水聲浮標(biāo)通訊系統(tǒng)由微控制器、指令收發(fā)控制軟件、電源系統(tǒng)、北斗/GPS雙模通訊定位模型塊、天線等組成，如圖1所示。通訊系統(tǒng)主要在微控制器的控制下完成與浮標(biāo)的通訊，實(shí)現(xiàn)對(duì)浮標(biāo)的遙控遙測，其設(shè)計(jì)原理圖如圖1所示。浮標(biāo)控制指令經(jīng)控制器編碼通過北斗通訊系統(tǒng)發(fā)射出去。水聲浮標(biāo)通過北斗接收終端接收船臺(tái)控制指令，再通過浮標(biāo)值守模塊完成控制指令檢測、數(shù)據(jù)采集、指令接收發(fā)送通訊等功能。

1.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

傳統(tǒng)的水聲調(diào)查浮標(biāo)內(nèi)部采集存儲(chǔ)系統(tǒng)采用基于PCI總線的微型工控機(jī)，采集系統(tǒng)工作時(shí)功耗大于70 W，又因無法在密封殼體內(nèi)的狹小空間里安裝熱傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)，所以，其產(chǎn)生的熱量只能通過密封殼體的筒壁與海水進(jìn)行交換，大量無法散出的熱量使得密封殼體內(nèi)的溫度快速上升。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)后，密封殼體內(nèi)的空氣溫度在2 h內(nèi)就超過58℃，主板和芯片的溫度則更高，該溫度已經(jīng)接近甚至超過浮標(biāo)內(nèi)部采集卡、硬盤和短波通信系統(tǒng)的使用環(huán)境溫度，且在此溫度下部分元器件會(huì)加速老化，性能變差，甚至造成工控機(jī)死機(jī)或損壞。

圖1 水聲浮標(biāo)通訊系統(tǒng)組成框圖

為解決采集系統(tǒng)過熱問題，在分析權(quán)衡采取散熱措施和降低系統(tǒng)功耗兩種技術(shù)途徑后，決定采用降低系統(tǒng)功耗的方式從根本上解決系統(tǒng)過熱的問題。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用以ARM和FPGA為核心的數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)，脫離工控機(jī)環(huán)境，獨(dú)立完成數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)，降低了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)功耗。購買基于ARM的8通道采集存儲(chǔ)系統(tǒng)，進(jìn)行二次開發(fā)，每個(gè)通道采用24位A/D轉(zhuǎn)換芯片，8個(gè)通道的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換由一片F(xiàn)PGA控制完成，包括轉(zhuǎn)換啟動(dòng)，轉(zhuǎn)換同步，轉(zhuǎn)換停止，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出等。8通道數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換單元可以直接輸出轉(zhuǎn)換完成的8通道24位數(shù)據(jù)，整個(gè)過程無需CPU的參與。

1.3 數(shù)據(jù)記錄和轉(zhuǎn)存方式

原水聲浮標(biāo)采用普通筆記本硬盤，由于溫度條件和自身的機(jī)械結(jié)構(gòu)在使用中會(huì)影響系統(tǒng)的性能，隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，市場上可以采購到低功耗、高可靠性、大容量的電子硬盤，可以有效地解決浮標(biāo)晃動(dòng)造成的磁針定位錯(cuò)誤。為了提高浮標(biāo)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力，對(duì)浮標(biāo)記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行了壓縮處理。

1.4 控制單元

控制單元是整個(gè)系統(tǒng)的值班電路，考慮其長期處于加電狀態(tài)，因此對(duì)可靠性和功耗要求較高，采用低功耗單片機(jī)，其主要功能如下：（1）對(duì)數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)模塊和水聽器陣進(jìn)行電源控制；（2）系統(tǒng)布放前與水上機(jī)通訊，完成參數(shù)設(shè)置；（3）系統(tǒng)測量過程中與數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)模塊的信息交換。控制單元設(shè)計(jì)示意圖如圖2所示。

圖2 控制單元設(shè)計(jì)示意圖

1.5 電源管理單元

水聲調(diào)查浮標(biāo)采用鋰電池長期給微控制器供電，在測量時(shí)通過電源控制開關(guān)給水聽器陣和數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)模塊供電，電壓適應(yīng)范圍2.8～4.2 V，電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理如圖3所示。

圖3 電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理框圖

2 應(yīng)用效果分析

2.1 北斗通訊系統(tǒng)性能穩(wěn)定、使用便捷

采用北斗通訊系統(tǒng)后，降低了供電功耗和干擾；整機(jī)功耗不大于3.6 W，散熱少，改善了采集系統(tǒng)的使用環(huán)境；通信天線不受方位搖擺的影響，提高了通信的穩(wěn)定性與可靠性；天線短小，安裝簡捷，整體高度較傳統(tǒng)浮標(biāo)減少了1/2，提高了布放回收的便利性。

2.2 采集系統(tǒng)可靠性

以ARM和FPGA為核心的數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)有效降低了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)功耗和自噪聲，提高了接收信號(hào)的信噪比，增加了聲傳播試驗(yàn)中水聲浮標(biāo)的測量距離。

2.3 系統(tǒng)功耗

北斗通訊水聲探測浮標(biāo)系統(tǒng)功耗不到短波電臺(tái)通訊水聲浮標(biāo)的1/10，延長了浮標(biāo)海上有效工作時(shí)間。

2.4 系統(tǒng)工作環(huán)境

系統(tǒng)工作環(huán)境得以改善，技術(shù)工況良好、穩(wěn)定，數(shù)據(jù)錄取完整、有效，無干擾，數(shù)據(jù)信號(hào)質(zhì)量較之傳統(tǒng)浮標(biāo)顯著提升。

2.5 控制單元

控制單元片內(nèi)資源和外圍接口豐富，減少了外圍電路的搭建，硬件實(shí)現(xiàn)方便；同時(shí)，其構(gòu)建的硬件系統(tǒng)功耗較低，應(yīng)用軟件也容易實(shí)現(xiàn)，這為日后軟硬件的擴(kuò)展提供了良好的基礎(chǔ)。

3 設(shè)計(jì)改進(jìn)建議

經(jīng)海上實(shí)驗(yàn)，應(yīng)在如下方面進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)：

電子系統(tǒng)的水下儀器艙容積率不宜太小，設(shè)計(jì)時(shí)內(nèi)部應(yīng)留有充裕的散熱空間，確保與海水的散熱接觸面，利于進(jìn)一步降低內(nèi)部工作環(huán)境溫度；

北斗系統(tǒng)天線宜采用剛性保護(hù)罩，以避免碰撞造成的損壞。

4 結(jié)束語

基于ARM的數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)和北斗通訊在水聲浮標(biāo)系統(tǒng)的工程技術(shù)應(yīng)用，經(jīng)海上多次驗(yàn)證取得了良好的科研實(shí)驗(yàn)成效，屬于經(jīng)濟(jì)實(shí)用的新型系統(tǒng)集成，全系統(tǒng)性能優(yōu)良、適應(yīng)性好、電磁兼容匹配，工作穩(wěn)定、可靠，數(shù)據(jù)錄取有效率及信號(hào)質(zhì)量大大提高，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

[1]李佳.ARM系列處理器應(yīng)用技術(shù)手冊(cè)[M].北京：人民郵電出版社，2006.

[2]沈建華.ARM嵌入式系統(tǒng)開發(fā)：軟件設(shè)計(jì)與優(yōu)化[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

[3]中華人民共和國交通運(yùn)輸部.JT/T767-2009.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)船舶監(jiān)測終端數(shù)據(jù)交換協(xié)議[S].北京：交通出版社，2010.

Application Research of the Acoustic Buoy Technology Based on ARM and COMPASS Satellite Communication

CHEN Hong-zhi1,XU Gong-hui1,CUI Hua-yi2,JIANG Guo-jin1
(1.Unit 95,Navy Force 91388,PLA.Zhanjiang Guangdong 524022,China;2.National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China)

Acoustic buoy is a vital equipment for ocean acoustic survey.Traditional buoy uses the computer-based data collection and short-wave communication with poor reliability.An application design of acoustic buoy engineering based on ARM data collecting storage system and COMPASS satellite communication technology was introduced.The practicability,advancement and applicability of this system integration were analyzed comparing to the traditional buoy system.The further improvements were provided finally.

acoustic buoy system;engineering application;ARM;COMPASS satellite communication

P715.2，TN927

B

1003-2029（2012）01-0024-03

2011-09-09

軍內(nèi)科研資助項(xiàng)目（HJ2009-04-05-01）

陳鴻志（1966－），男，高級(jí)工程師，主要從事海洋環(huán)境測量與研究。