曾景賢 陳子龍

（第七一五研究所，杭州，310023）

UUV低功耗小尺寸數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

曾景賢 陳子龍

（第七一五研究所，杭州，310023）

為了滿足UUV拖線陣數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)牡凸囊螅O(shè)計(jì)了一種低功耗的多通道數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，選用低功耗FPGA和低功耗、高精度的ADC芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)，通過RS-485接口發(fā)送節(jié)點(diǎn)的采集數(shù)據(jù)，使用曼徹斯特編碼保證串行碼流直流平衡，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性，最后給出了多通道數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)具體電路實(shí)現(xiàn)方法和軟件設(shè)計(jì)流程。

UUV拖線陣；低功耗；多通道數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)；FPGA；RS-485接口

近年來，隨著平臺(tái)、推進(jìn)器、導(dǎo)航和控制系統(tǒng)以及傳感器技術(shù)的發(fā)展，無人水下航行器（UUV：Unmanned Underwater Vehicle）在水下偵查、水下通信、反潛和反水雷等領(lǐng)域得到空前發(fā)展。UUV通常是由電池供電，受體積所限，攜帶電池電量有限，因此對其設(shè)備都有低功耗要求。拖曳線列陣聲吶是UUV重要的反潛、偵查設(shè)備之一，主要用于探測潛艇輻射噪聲，進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視、測向和識(shí)別。根據(jù)UUV拖線陣小尺寸、功耗低等要求，本文設(shè)計(jì)了一種多通道數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，由主控制芯片F(xiàn)PGA負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)低功耗、高精度的ADC芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，每個(gè)采樣周期結(jié)束后，通過RS-485數(shù)據(jù)接口將采集數(shù)據(jù)發(fā)送出去，數(shù)據(jù)傳輸采用RS-485接口標(biāo)準(zhǔn)，使用曼徹斯特編碼保證串行碼流直流平衡，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。與其它傳輸技術(shù)相比，RS-485具有抗干擾能力強(qiáng)（差分傳輸）、傳輸距離遠(yuǎn)（最遠(yuǎn)距離可達(dá)1 200 m）、傳輸速率高（最高傳輸速率可達(dá)50 Mbps）以及結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)。

1 硬件設(shè)計(jì)

多通道數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)主要由程控增益電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、FPGA控制電路、RS-485接口電路等構(gòu)成，采集節(jié)點(diǎn)組成框圖如圖1所示。采集節(jié)點(diǎn)主要是對經(jīng)前置模塊放大、濾波的水聽器信號進(jìn)行采樣，為確保各采集節(jié)點(diǎn)同步采樣，采集節(jié)點(diǎn)ADC器件所需的采樣主時(shí)鐘信號由采集傳輸系統(tǒng)上位機(jī)進(jìn)行控制發(fā)送。主要做法是上位機(jī)上電后，延遲一段時(shí)間（確保各采集節(jié)點(diǎn)FPGA程序加載完畢），打開采樣主時(shí)鐘信號，通過RS-485時(shí)鐘接口發(fā)送給各采集節(jié)點(diǎn)，采集節(jié)點(diǎn)在同一個(gè)采樣主時(shí)鐘信號作用下開始同步采樣。每個(gè)采樣周期結(jié)束后，采集節(jié)點(diǎn)對ADC器件輸出的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，然后通過RS-485數(shù)據(jù)接口發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)接收各采集節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)后按照以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理打包，通過百兆以太網(wǎng)接口發(fā)送給存儲(chǔ)模塊進(jìn)行保存，同時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)增益控制命令。采集節(jié)點(diǎn)通過RS-485命令接口接收上位機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)的增益控制下行命令，調(diào)整節(jié)點(diǎn)模擬信號放大倍數(shù)。

圖1 采集節(jié)點(diǎn)組成框圖

1.1 程控增益電路

程控增益電路主要作用是根據(jù)輸入信號的幅度大小，調(diào)整通道的放大倍數(shù)。如果輸入信號幅度較小時(shí)，就提高放大倍數(shù)，確保輸入信號進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器前有足夠高的信噪比；如果輸入信號幅度較大時(shí)，就降低放大倍數(shù)，確保輸入信號采樣時(shí)盡可能不被限幅。

采集節(jié)點(diǎn)程控增益芯片選用的是Linear公司的LTC6911-2，這是一款低噪聲、數(shù)字可編程增益的雙通道運(yùn)算放大器，單端輸入輸出，具有使用簡單、封裝尺寸小等特點(diǎn)。利用3根信號線控制運(yùn)放的放大倍數(shù)，主要有0、1、2、4、8、16、32、64這幾檔放大倍數(shù)，通道間增益放大倍數(shù)相差不超過0.1 dB[1]。對于前置模塊輸出的差分信號，首先需要經(jīng)過一級運(yùn)放將差分信號轉(zhuǎn)換成單端信號并對其進(jìn)行一階低通濾波處理，對帶外信號進(jìn)行衰減，程控增益電路如圖2所示。

圖2 程控增益電路

1.2 A/D轉(zhuǎn)換電路

A/D轉(zhuǎn)換電路主要作用是進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。該電路是采集節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，節(jié)點(diǎn)的主要指標(biāo)與ADC器件性能密切相關(guān)，其性能的優(yōu)劣對采集節(jié)點(diǎn)的功能起著至關(guān)重要的決定作用，要提高數(shù)據(jù)采樣的精度，就必須使用高精度的ADC器件。本采集節(jié)點(diǎn)A/D轉(zhuǎn)換電路所選用的ADC器件是TI公司的ADS1278，這是一款采樣率高達(dá)128 kHz的高精度24位△-∑模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有8通道同步采樣、采樣信噪比高（高速模式可達(dá)111 dB）、SPI和Frame-Sync兩種可供選擇的串行接口以及4種可供選擇的操作模式[2]。

圖3 A/D轉(zhuǎn)換電路

本文多通道數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)采樣率為6 kHz，因此ADC器件ADS1278工作在采樣率10 kHz以下的低速模式，該模式下ADS1278具有非常低的功耗（每通道僅7 mW），同時(shí)采樣信噪比也較高（可達(dá)107 dB），一塊芯片即可滿足節(jié)點(diǎn)8通道數(shù)據(jù)同步采樣的要求。ADS1278是一款差分輸入的A/D轉(zhuǎn)換器，對于程控增益電路輸出的單端信號需要一級運(yùn)放將單端信號轉(zhuǎn)換成差分信號并對其進(jìn)行一階低通濾波處理，對帶外信號再次進(jìn)行衰減，減小帶外干擾。A/D轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。圖中，ADS1278的MODE0、MODE1管腳接高電平，選擇低速工作模式；FORMAT0管腳接高電平，F(xiàn)ORMAT1、FORMAT2管腳接低電平，選擇SPI串行接口。

1.3 FPGA控制電路及RS-485接口

FPGA控制電路主要作用是在同步時(shí)鐘作用下驅(qū)動(dòng)ADC芯片ADS1278進(jìn)行數(shù)據(jù)同步采樣，每個(gè)采樣周期結(jié)束后，按照曼徹斯特編碼規(guī)則對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼。曼徹斯特編碼中每一位的中間有一跳變，不存在直流分量，具有良好的抗干擾性能，從低到高跳變表示‘0’，從高到低跳變表示‘1’。將編碼后的數(shù)據(jù)通過RS-485數(shù)據(jù)接口發(fā)送給上位機(jī)，同時(shí)通過RS-485命令接口接收上位機(jī)下發(fā)的增益控制命令，調(diào)整節(jié)點(diǎn)輸入信號的放大倍數(shù)。

采集節(jié)點(diǎn)FPGA芯片選用的是Microsemi公司IGLOO nano系列的AGLN250，這是一款擁有25萬門資源、內(nèi)嵌36 kbits雙端口RAM的flash型FPGA，時(shí)鐘頻率最高可達(dá)250 MHz。IGLOO nano系列是業(yè)界功耗最低的FPGA，擁有3 mm×3 mm的小封裝尺寸，基于flash技術(shù)的IGLOO nano系列FPGA具有上電速度快且無需外部配置芯片等特點(diǎn)[3]。RS-485接口芯片采用的是MAXIM公司的MAX3362和MAX3283；時(shí)鐘和命令輸入接口使用MAX3283；數(shù)據(jù)輸出接口使用MAX3362。這兩款芯片具有封裝尺寸小、數(shù)據(jù)傳輸速率高等特點(diǎn)。

2 軟件設(shè)計(jì)

多通道數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的FPGA軟件采用硬件描述語言編寫，主要由ADC數(shù)據(jù)采集、RS-485接口數(shù)據(jù)發(fā)送和增益控制下行命令接收等組成。

數(shù)據(jù)采集程序主要功能是在采樣時(shí)鐘作用下驅(qū)動(dòng)ADC器件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，在啟動(dòng)ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換之前，首先要對ADC內(nèi)部數(shù)字濾波器計(jì)數(shù)器進(jìn)行復(fù)位然后在采樣時(shí)鐘作用下同時(shí)啟動(dòng)ADC以確保各節(jié)點(diǎn)同步采集，數(shù)據(jù)采集程序流程如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集程序流程圖

數(shù)據(jù)發(fā)送程序的主要功能是每次采樣周期結(jié)束后，對數(shù)據(jù)采集程序接收、緩存的節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)按照曼徹斯特編碼規(guī)則進(jìn)行編碼、發(fā)送，數(shù)據(jù)發(fā)送程序流程圖如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)發(fā)送程序流程圖

下行命令接收程序主要功能是接收上位機(jī)發(fā)送的下行增益控制命令，根據(jù)命令調(diào)整節(jié)點(diǎn)程控增益芯片的放大倍數(shù)，下行命令接收程序流程圖如圖6所示。

圖6 下行命令程序流程圖

3 結(jié)論

本文基于flash型FPGA和ADS1278設(shè)計(jì)的UUV拖線陣多通道數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，具有低功耗（單個(gè)采集節(jié)點(diǎn)所需的模擬和數(shù)字電流總和約為100 mA）、低噪聲（通道增益36 dB情況下各通道短路噪聲不大于0.4 mV）、小尺寸（采集節(jié)點(diǎn)印制板尺寸為100 mm×17 mm）等特點(diǎn)。經(jīng)過多次湖試驗(yàn)證，該采集節(jié)點(diǎn)各指標(biāo)均滿足系統(tǒng)要求，因而具有良好的應(yīng)用前景。另外本文采集節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸使用曼徹斯特編碼具有良好的抗干擾性能，但每一個(gè)碼元被調(diào)制成兩個(gè)電平，數(shù)據(jù)傳輸速率只有調(diào)制速率的1/2，如果遇到數(shù)據(jù)量較大的場合，可能無法滿足傳輸帶寬要求，這時(shí)可以考慮使用8B/10B、HDB3這種效率更高的編碼代替曼徹斯特編碼。

[1] Linear.LTC6911-1 datasheet[M].2004

[2] TI.ADS1278 datasheet[M].2007

[3] Microsemi.IGLOO nano Low Power Flash FPGAs datasheet[M].2013