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多普勒計(jì)程儀信號(hào)處理設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

發(fā)布日期： 2016-06-13 發(fā)布：  

  2015年29期目錄       本期共收錄文章20篇

　　【摘要】依據(jù)多普勒效應(yīng)原理，通過(guò)水下聲波進(jìn)行測(cè)速的一種精密儀器即多普勒計(jì)程儀。這種儀器不僅能夠測(cè)量船相對(duì)于地的絕對(duì)速度，而且能夠測(cè)出相對(duì)于水層的速度。即使船速較低時(shí)，測(cè)速依然非常準(zhǔn)確。這種設(shè)備信號(hào)處理系統(tǒng)中的硬件電路非常穩(wěn)定，軟件具有非常好的運(yùn)行情況，適合各種復(fù)雜的水質(zhì)環(huán)境。
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　　【關(guān)鍵詞】多普勒計(jì)程儀；信號(hào)處理；相控陣
　　多普勒計(jì)程儀又名測(cè)速聲吶，是艦船自主導(dǎo)航的重要設(shè)備。不僅能夠測(cè)量船相對(duì)于地的絕對(duì)速度，而且能夠測(cè)出相對(duì)于水層的速度。由于其具有非常高的測(cè)速精度，因此，在艦船上應(yīng)用非常廣。其原理主要是：依據(jù)多普勒效應(yīng)，聲源與接收器處于相對(duì)徑向運(yùn)動(dòng)時(shí)，，接收器得到信號(hào)頻率的變化，通過(guò)相對(duì)運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系，進(jìn)而計(jì)算出載體的矢量速度。物體在極低速度情況下，這種系統(tǒng)也具有非常準(zhǔn)確的測(cè)速效果。然而，大深度海底跟蹤系統(tǒng)運(yùn)用這種設(shè)備時(shí)，由于波束窄與頻率低的原因，會(huì)形成很大的誤差。相控陣多普勒計(jì)程儀的研制成功，不僅解決了這一弊病，而且使安裝要求與硬件復(fù)雜度得到了進(jìn)一步的降低。今天，多普勒計(jì)程儀不僅減少了聲速測(cè)量導(dǎo)致的誤差，而且也減少了換能器安裝與參數(shù)不同引起的誤差。
　　一、多普勒計(jì)程儀發(fā)展趨勢(shì)分析
　　多普勒計(jì)程儀其測(cè)速準(zhǔn)確的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)得到非常廣泛應(yīng)用。然而，很多研究人員仍在不懈的進(jìn)行研究，以及對(duì)其缺點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)。相控陣技術(shù)的研究成功，多普勒測(cè)速系統(tǒng)受聲速的影響逐漸得到了改善，使多普勒測(cè)速系統(tǒng)的測(cè)速性能得到了更好的發(fā)揮。同時(shí)，多波束系統(tǒng)的應(yīng)用，不僅使船舶搖擺起伏的影響得到了改觀，而且還能夠測(cè)出艦船垂直運(yùn)動(dòng)的速度。
　　過(guò)去，以模擬硬件為主的多普勒計(jì)程儀，設(shè)備非常復(fù)雜，測(cè)速準(zhǔn)確率較低。現(xiàn)在，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)在多普勒計(jì)程儀的應(yīng)用，使其硬件保持不變的情況下，其測(cè)速準(zhǔn)確率得到了極大的提高。目前，數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）軟件編程的使用，使多種測(cè)頻算法得到了實(shí)現(xiàn)。頻率測(cè)量算法中，復(fù)相關(guān)法具有運(yùn)算量小、精度高的優(yōu)勢(shì)；快速傅氏變換方法（FFT）在對(duì)窄帶信號(hào)的分析方面具有很大優(yōu)勢(shì)。
　　二、多普勒測(cè)速系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的分析
　　多普勒測(cè)速系統(tǒng)工作原理是，依據(jù)發(fā)射信號(hào)和海底反射信號(hào)之間的多普勒頻移，對(duì)船舶的運(yùn)行速度進(jìn)行測(cè)量。發(fā)射、接收以及信號(hào)處理構(gòu)成了多普勒測(cè)速系統(tǒng)。其工作過(guò)程是：首先，相控陣向水中發(fā)射單頻脈沖信號(hào)；然后，對(duì)接收的回波信號(hào)的偏差進(jìn)行分析，對(duì)艦船的速度進(jìn)行計(jì)算；第三，主機(jī)接受數(shù)字信號(hào)處理器傳輸?shù)慕Y(jié)果，船舶的速度及深度通過(guò)顯控軟件得到顯示。數(shù)字信號(hào)處理板是測(cè)速系統(tǒng)的關(guān)鍵，也是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心。
　　（一）系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)分析
　　多普勒計(jì)程儀的聲信號(hào)主要是通過(guò)換能器發(fā)射的。多普勒計(jì)程儀的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是相控陣技術(shù)。多普勒測(cè)速系統(tǒng)運(yùn)用相控陣技術(shù)，具備完善的發(fā)射與接收裝置，在其不同的4個(gè)方向配置固定筆形的波束。同時(shí)，具備數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)以及速度解算裝置。換能器基陣、發(fā)射機(jī)與接收機(jī)、電源與DSP信號(hào)處理板共同構(gòu)成了相控陣多普勒計(jì)程儀。信號(hào)通過(guò)發(fā)射機(jī)發(fā)射，移相和放大濾波通過(guò)接收機(jī)實(shí)現(xiàn)，整個(gè)系統(tǒng)的電源由電源模塊提供。系統(tǒng)的控制和運(yùn)算中心是數(shù)字信號(hào)處理板。同時(shí)，控制發(fā)射機(jī)、計(jì)算速度以及主機(jī)通信都是由數(shù)字信號(hào)處理板完成。
　　（二）數(shù)字信號(hào)處理器及外圍模塊設(shè)計(jì)分析
　　多普勒計(jì)程儀測(cè)速系統(tǒng)中，起控制作用的是數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)。數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的任務(wù)有采集數(shù)據(jù)、搜索模式下與跟蹤模式下的檢波、解算、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)以及與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信等。
　　三片德州儀器公式的定點(diǎn)DSP TMS320VC5509A作為硬件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理中心。整個(gè)系統(tǒng)的邏輯控制由一片CPLD完成。DSP與主機(jī)的通信由一片TL16C752完成。模擬數(shù)字的轉(zhuǎn)換由兩片ADS8361完成。CF卡完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。一片并行FLASH存放系統(tǒng)的修正參數(shù)。同時(shí)，系統(tǒng)的工作時(shí)間由一片實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片進(jìn)行讀取。數(shù)字信號(hào)處理板包括：中央處理器、存儲(chǔ)設(shè)備、模擬信號(hào)接口、與主機(jī)和羅經(jīng)的接口以及系統(tǒng)時(shí)鐘。
　　1、數(shù)字信號(hào)處理器及模塊設(shè)計(jì)分析
　　TMS320C55x體系結(jié)構(gòu)：C55x德州儀器公式的新型產(chǎn)品，具有低功耗優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，C55x的總線(xiàn)寬度得到了增加，指令單元能夠取32位程序代碼，并具有指令高速緩沖器。數(shù)據(jù)吞吐率以及電耗得到了顯著降低，應(yīng)用系統(tǒng)的性能得到了最好的發(fā)揮。
　　主控DSP和從片DSP之間的通信，通過(guò)多通道緩沖串口（MCBSP）實(shí)現(xiàn)。TMS320VC5509A DSP與其他C55xDSP、數(shù)字信號(hào)編解碼器等外設(shè)的連接，通過(guò)三個(gè)高速多通道緩沖串口得到了實(shí)現(xiàn)。16位的外設(shè)總線(xiàn)與CPU和DMA控制器連接多通道緩沖串口。多通道緩沖串口的特點(diǎn)是：數(shù)據(jù)傳輸模式是全雙工；發(fā)送雙緩沖和接收三緩沖使數(shù)據(jù)流的連續(xù)性傳輸?shù)玫搅吮ＷC；時(shí)鐘和幀同步信號(hào)收發(fā)獨(dú)立；能夠向CPU發(fā)送中斷、向DMA控制器發(fā)送事件；具有128個(gè)收發(fā)通道；能夠控制通道的打開(kāi)或阻塞；能夠直接與具有串行接口的A/D或D/A設(shè)備連接等。
　　2、主控DSP與羅經(jīng)、PC機(jī)通信電路設(shè)計(jì)分析
　　主控DSP與羅經(jīng)、PC機(jī)之間實(shí)現(xiàn)異步通信，通過(guò)軟件異步通信方法與通過(guò)擴(kuò)展異步通信芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)高速串行通信。德州儀器公司的TLI6C752B作為異步通信芯片，具有以下特點(diǎn)：能夠獨(dú)立工作；具有64字節(jié)發(fā)送/接收FIFO，減少了CPU的中斷次數(shù)；軟件編程能夠?qū)崿F(xiàn)接收FIFO的啟動(dòng)和停止等級(jí)；具有軟件流控制模式與硬件流控制模式功能；內(nèi)部閉環(huán)等。
　　三、數(shù)字信號(hào)處理軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)分析
　　三片TMS320VC5509A DSP組成了數(shù)字板的信號(hào)處理部分。數(shù)字信號(hào)處理器的軟件設(shè)計(jì)在多普勒測(cè)速系統(tǒng)中具有非常重要的作用。一片DSP為主控DSP對(duì)另兩片DSP的處理結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行接收，通過(guò)處理后傳輸給PC機(jī)進(jìn)行終端顯示和存儲(chǔ)。
　　（一）主片DSP程序設(shè)計(jì)分析
　　接收PC機(jī)參數(shù)、讀取羅經(jīng)方位信息、控制發(fā)射板發(fā)射信號(hào)、下傳兩從片DSP參數(shù)信息并接收從片DSP的解算結(jié)果進(jìn)行速度以及深度的解算是主控DSP的功能。搜索模式與對(duì)底模式是主片DSP工作的兩種模式。主控DSP運(yùn)用中斷方式對(duì)程序的正常運(yùn)轉(zhuǎn)、高效率以及抗干擾能力進(jìn)行保障。主控DSP中，對(duì)某一塊數(shù)據(jù)緩沖區(qū)進(jìn)行定義后，數(shù)據(jù)緩沖區(qū)就會(huì)存放上傳數(shù)據(jù)。主控DSP在每個(gè)同步周期信號(hào)到來(lái)時(shí)，就會(huì)向TL16C752B的發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器中寫(xiě)入數(shù)據(jù)。
　�。ǘ⿵钠珼SP程序設(shè)計(jì)分析
　　從片DSP完成的功能是相同的，程序也是一致的。搜索模式和對(duì)底模式也是從片DSP工作的兩種模式。數(shù)據(jù)采集、信號(hào)檢波、測(cè)頻以及上傳結(jié)果數(shù)據(jù)給主控DSP是從片的功能。脈寬、采集起始位置以及工作模式是從片DSP接收的三個(gè)參數(shù)。實(shí)時(shí)檢波程序、數(shù)據(jù)采集程序以及測(cè)頻算法程序是其三個(gè)程序。
　　四、結(jié)語(yǔ)
　　數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與多普勒計(jì)程儀數(shù)字信號(hào)處理器應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)是多普勒計(jì)程儀信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。這種設(shè)備信號(hào)處理系統(tǒng)中的硬件電路非常穩(wěn)定，軟件具有非常好的運(yùn)行情況，適合各種復(fù)雜的水質(zhì)環(huán)境。在今后的研究中，實(shí)施硬件設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮DSP的自舉引導(dǎo)的擴(kuò)展性，應(yīng)解決DSP應(yīng)用軟件的某些不穩(wěn)定因素。目前，相控陣多普勒計(jì)程儀是艦船自主導(dǎo)航的重要設(shè)備。相控陣技術(shù)的推廣使用，聲速測(cè)量引起的誤差也得到了有效的避免。
　　參考文獻(xiàn)：
　　[1]付志霞. 多普勒計(jì)程儀海底回波信號(hào)模擬器設(shè)計(jì)[D].大連海事大學(xué)，2012.
　　[2]羅維. 多普勒計(jì)程儀的信號(hào)處理算法研究與系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)[D].杭州電子科技大學(xué)，2014.
　　[3]鄒海超. 多普勒計(jì)程儀測(cè)速研究及其顯示控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)[D].哈爾濱工程大學(xué)，2008.

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