基于DSP和MSP430的水声应答器设计
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t l orl I n c in rJ c fTg jato m lL l
0 引 言
水 声应答器是水 声定 位系统 的关 键部件 之一 ,它为 水 下待定 位 目标提 供测试 数据 ,应答定 位信 号 ,完成 对水 下 目标 的定位 。国外在 水声定 位领 域起 步较早 ,在海 上勘 探 作业 中,S n ry e o ad n 、Ko g br i a n seg Smrd和 Na to i urnx等公
拟信号 的处理 流程 和设计方 法 ;同时 ,扩 频通 信方式 的应 用 ,使得水声 应答 器拥 有 了较 强 的抗 干 扰 、抗 衰减 能 力 ,
实 现 了多 目标 定 位 功 能 。
1 系统 组成 与技 术指标
应答器采用模块 化设计 ,图 1 出 了应答 器 的结构 组 给 成 ,分 为水声换 能器 、电子舱 、电池舱三大部分 。
中 图 法 分 类 号 :T 38 1 文 献 标 识 号 :A 文 章 编 号 : 0 07 2 (0 2 1 8 70 P 6 . 1 0 0 4 2 1 ) 03 1—4
De i n o c u tcr s o d rb s d o P a d M S 3 sg fa o s i e p n e a e n DS n P4 0
器距离小 于 1 0m,水下待机时 间不低于 4个月 。 50
完成信号 的前置 和后置放 大 。AD 67采 用正 负 电源 供 电, 81
具有 2 n √ Hz 2 V/ 的噪声参数 和 3t 的超低静 态 电流 ,略 8A  ̄ 显不足的是其 Se R t 参 数偏低 ,导致较 高放大倍 数 时, l w ae 信号有一定 程度 的畸变。 2 1 3 窄带带通滤波器 .. 带通滤波 电路对应答 器 的信号 调理有 着极 其重要 的作
功ll D C A
益带宽 的 A 4 9 — DA 6 24集成运放搭建成 四阶的带通 巴特沃斯
滤 波器 ,其 由 四 阶 高 通 和 四 阶 低 通 滤 波 器 组 成 , 图 3为 响
瑚 o
合
至
应 曲线在 Fl r r ieP o软件 中的截图 ,显示 了滤波器 的实际增 t
2 系统硬 件设 计与 实现
应答 器采 用超 低 功耗 单 片机 MS 4 0 5 3 P 3F 4 8为主 控 制 器 、数字信 号处 理 器 TMS 2 VC 5 9 为协 处 理器 。图 2 30 50 A 给出了应答器硬件 系统 的功能框 图 ,主体 由模 拟接 收预处
理单元 、MC U控制及 值守单 元 、数字 信号协 处理 器单 元 、 功率放大单元和 电源管理单元五大模块组成 。
M ATLAB- a e i u a in n x e i n s a e c r id o t Th e u t h w h t t e r s o d rh s a g o e f r n e a b sd s m lt sa d e p r o me t r a re u . e r s l s o t a h e p n e a o d p ro ma c t s
换
能
电子 舱 电 池 舱
司提供 的水声定 位产 品代表 了此 领域 的先进 水平 ,但 它们
大 都 价 格 昂 贵 、通 用 性 弱 ;国 内此 项 研 究 才 起 步 不 久 ,并
没有成熟 、完善 的产 品面世 ,民用水 声定 位市 场更是 被外 国垄断[3。传统 的水 声定位通信方式 多采用频 分复用 ,在 i] - 窄带宽 、高噪声 、严 重多径 衰落 的水 声信道 _ 中具有 定位 4
Ab ta t Be a s ft e l t t n fs o tp st n n i a c ,u a l l a g tp st n d t a h o e t c u t o i src : c u eo h i a i s o h r o ii i g d s n e n b e mu t t r e o i o e h t e d m si a o s i p s— mi o o t i i t c c t n n y t m a n s a lw e i e p o a in,t e d sg n mp e n a in o c u t e p n e a e n M S 3 co i i g s s e h s i h l o o s a o l x lr t o h e i n a d i lme t t f a o s i r s o d r b s d o P4 0 mir o c c n r l ru i M CU)a d dg t l i n l r c s o DS )i r p s d Th a d r s d a lw- o rd sg ,a d t eg l e o to l n t( e n i i g a p o e s r( P sp o o e . as eh r wa eu e o p we e i n n h o d s —
・
31 ・ 88
Байду номын сангаас
计 算机 工程与 设计
2 1 2 多 级 前 置 和 后 置 放 大 电路 ..
21 年 02
水 声信 号由收发合 置换 能器转换 为相 应 的电信 号 ,为
了验证应答 器在 不 同开角下 的接 收响应 情况 ,水 声换 能器
采用了球形和圆柱形 两种设 计 。应答 器 内部 分 为电子 舱和 电池舱两个舱体 ,电子 舱 由高度集成 的核 心板 和功放 板组 成 ,完成应答信号 从接 收、处理 到发射 的整个 流程 ;电池 舱 内放置锂 电池组 成 的高性能 电池组 ,用 以满 足应答 器长 时间水下待机和大功率信号发射 的电源需求 。
水声换能器通常 具有很 高 的输 出 阻抗 ,为 了成 功拾 ]
取微弱信号 ,需要提高 接收调 理 电路的输 入阻 抗 以达 到阻
抗匹配 ,因此 ,放大 电路 由同相 比例放 大器组 成 ,总放大 倍数为 6 d 0 B左右 。实际应用 中,第一级放大 电路 的增益通
常 不 高 于 10倍 ,否 则 可 能 会 引起 电 路 的 振 荡 ,多 级 放 大 0
距 离短 、无 法多 目标 同时定 位 、作 业 效率 偏 低 等局 限性 。 本文论述 了一种采用 扩频 通信 方式 ,并 以 MS 4 0 5 3 P 3 F 4 8为
主控制器 、数字 信号处 理器 T 30 50 A 为协 处理器 MS 2 VC 5 9 的水声 应答器设计 ,较详 细地讨 论 了低功耗 原则 下微 弱模
将会带来更好 的处理 效果 。另 外 ,系统 的定位 误差 主要决 定于各通道应答信 号 间的相位 差 ,这也是 使用 同相 比例放 大 电路 的另一 个 因素 。系 统采用 AD 6 7系列 运算 放大器 81
应答 器的 主要 技术指标 :信号类 型为 C 脉 冲和扩频 W
信号 ,发射声源级 大于 10 B,工作水 深小 于 5 0 8d 0 m,应答
Ke r s a o si e p n e ;utalw o r ii lsg a rc so DS y wod : c u t r s o d r lr o p we ;dgt in lp o e s r( P),M S 4 0 mir o tolru i;s ra p c c a P 3 co c n rl nt p ed s e — e
收 稿 日期 :2 1—20 ;修 订 日期 :2 1—20 0 11 —1 0 20 —5
图 1 应 答 器 总体 结 构 框 架
作者 简介 :陈君 ( 9 7 ) 1 8 一 ,男 ,山西晋 中人 ,硕士研究生 ,研究方向为嵌入式系统 、信号处理 ;+通讯作者 :万洪杰 ( 9 6 ) 1 7 一 ,男 ,山东 青 岛人,博 士 ,讲 师 ,研 究方 向为声信号处理 ;王学伟 (9 8一 ,男 ,黑龙江牡丹 江人 ,l ,教授 ,博 士生导师 ,研究方 向为现代信号 15 ) g ̄ 处理 与嵌入 式信 息处理技术。Ema :wa h@malb c.d .n - i l nj i u teu c .
s p o tn li a g tp st n d i 5 0 m o u p ri g mu t t r e o i o e n 1 0 c mmu ia i n d s a c ,a d t es a d y q is e tc r e ti ls h n l - i n c to it n e n h t n b u e c n u r n s e st a mA.
C HE J n N u ,W AN n -e Ho gj +,W ANG Xu— i i ewe
( olg f nomainSinea dTeh oo y B in ies yo hmi l eh oo y e ig10 2 , hn ) C l eo fr t c c n c n lg , e i Unv ri f e c c n l ,B in 0 0 9 C ia e I o e jg t C aT g j
q e c ie t s q e c p e d s e t u i d p e n c mmu ia in s s e ,whc s s p o tn li s r c mmu ia i n u n e d r c e u n e s r a - p cr m s a o t d o o nct y tm o ih i u p ri g mu t u e o - nc t . o
扩频 ,支持 多应答 器同时应答。通过 Malb 真和消声水池 、湖泊的 实际测试 ,结果表明该应答器性能稳定可靠 ,待 机静 t 仿 a
态工 作 电 流 小 于 l mA, 实现 了水 下 10 m 作 用 距 离的 多 目标 应 答 器定 位 。 50
关键词 :水声应 答器 ;超低 功耗 ;数 字信 号处理器 ;MS 4 0微控制 器;扩频通信 P3
21 0 2年 1 O月
计 算机 工程与设计
COM P UTER ENGI NEE NG RI AND S GN DE I
Oc. 0 2 t2 1
第3 3卷
第1 O期
Vo . 3 No 1 13 .0
基 于 D P和 MS 4 0的水 声 应 答 器 设 计 S P3
陈 君 , 万 洪 杰+,王 学伟 ( 北京 化 工大 学 信 息科 学与技 术 学 院 ,北 京 102 ) 00 9
摘 要 :针 对 国产水声定位 系统在 浅海石 油勘探 中定位 距 离短 、无 法 多 目标 定位 等局 限性 ,设计 并 实现 了一种 以 MS 4 0 P3
为 主 控 制 器 、数 字信 号 处 理 器 为 协 处 理 器 的新 型 水 声应 答 器 。 系统硬 件 采 用低 功耗 设 计 ,水 下通 信 方 式 为 G l 直 接 序 列 od码
用 ,它是提高信 号 信噪 比和 防止应 答器 被误 唤 醒 的关 键。
由于静态 电流高达 mA级 的滤波芯 片并 不适合 采用 电池 供 ∞ u / 0
0 蛊l、高 电 的应 答 器 系 统 , 因 此 ,系 统 采 用 低 功 耗 、 低一】 声{ 增 噪 4
收
发
} H } } } 《 H I } } I
0 引 言
水 声应答器是水 声定 位系统 的关 键部件 之一 ,它为 水 下待定 位 目标提 供测试 数据 ,应答定 位信 号 ,完成 对水 下 目标 的定位 。国外在 水声定 位领 域起 步较早 ,在海 上勘 探 作业 中,S n ry e o ad n 、Ko g br i a n seg Smrd和 Na to i urnx等公
拟信号 的处理 流程 和设计方 法 ;同时 ,扩 频通 信方式 的应 用 ,使得水声 应答 器拥 有 了较 强 的抗 干 扰 、抗 衰减 能 力 ,
实 现 了多 目标 定 位 功 能 。
1 系统 组成 与技 术指标
应答器采用模块 化设计 ,图 1 出 了应答 器 的结构 组 给 成 ,分 为水声换 能器 、电子舱 、电池舱三大部分 。
中 图 法 分 类 号 :T 38 1 文 献 标 识 号 :A 文 章 编 号 : 0 07 2 (0 2 1 8 70 P 6 . 1 0 0 4 2 1 ) 03 1—4
De i n o c u tcr s o d rb s d o P a d M S 3 sg fa o s i e p n e a e n DS n P4 0
器距离小 于 1 0m,水下待机时 间不低于 4个月 。 50
完成信号 的前置 和后置放 大 。AD 67采 用正 负 电源 供 电, 81
具有 2 n √ Hz 2 V/ 的噪声参数 和 3t 的超低静 态 电流 ,略 8A  ̄ 显不足的是其 Se R t 参 数偏低 ,导致较 高放大倍 数 时, l w ae 信号有一定 程度 的畸变。 2 1 3 窄带带通滤波器 .. 带通滤波 电路对应答 器 的信号 调理有 着极 其重要 的作
功ll D C A
益带宽 的 A 4 9 — DA 6 24集成运放搭建成 四阶的带通 巴特沃斯
滤 波器 ,其 由 四 阶 高 通 和 四 阶 低 通 滤 波 器 组 成 , 图 3为 响
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应 曲线在 Fl r r ieP o软件 中的截图 ,显示 了滤波器 的实际增 t
2 系统硬 件设 计与 实现
应答 器采 用超 低 功耗 单 片机 MS 4 0 5 3 P 3F 4 8为主 控 制 器 、数字信 号处 理 器 TMS 2 VC 5 9 为协 处 理器 。图 2 30 50 A 给出了应答器硬件 系统 的功能框 图 ,主体 由模 拟接 收预处
理单元 、MC U控制及 值守单 元 、数字 信号协 处理 器单 元 、 功率放大单元和 电源管理单元五大模块组成 。
M ATLAB- a e i u a in n x e i n s a e c r id o t Th e u t h w h t t e r s o d rh s a g o e f r n e a b sd s m lt sa d e p r o me t r a re u . e r s l s o t a h e p n e a o d p ro ma c t s
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能
电子 舱 电 池 舱
司提供 的水声定 位产 品代表 了此 领域 的先进 水平 ,但 它们
大 都 价 格 昂 贵 、通 用 性 弱 ;国 内此 项 研 究 才 起 步 不 久 ,并
没有成熟 、完善 的产 品面世 ,民用水 声定 位市 场更是 被外 国垄断[3。传统 的水 声定位通信方式 多采用频 分复用 ,在 i] - 窄带宽 、高噪声 、严 重多径 衰落 的水 声信道 _ 中具有 定位 4
Ab ta t Be a s ft e l t t n fs o tp st n n i a c ,u a l l a g tp st n d t a h o e t c u t o i src : c u eo h i a i s o h r o ii i g d s n e n b e mu t t r e o i o e h t e d m si a o s i p s— mi o o t i i t c c t n n y t m a n s a lw e i e p o a in,t e d sg n mp e n a in o c u t e p n e a e n M S 3 co i i g s s e h s i h l o o s a o l x lr t o h e i n a d i lme t t f a o s i r s o d r b s d o P4 0 mir o c c n r l ru i M CU)a d dg t l i n l r c s o DS )i r p s d Th a d r s d a lw- o rd sg ,a d t eg l e o to l n t( e n i i g a p o e s r( P sp o o e . as eh r wa eu e o p we e i n n h o d s —
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计 算机 工程与 设计
2 1 2 多 级 前 置 和 后 置 放 大 电路 ..
21 年 02
水 声信 号由收发合 置换 能器转换 为相 应 的电信 号 ,为
了验证应答 器在 不 同开角下 的接 收响应 情况 ,水 声换 能器
采用了球形和圆柱形 两种设 计 。应答 器 内部 分 为电子 舱和 电池舱两个舱体 ,电子 舱 由高度集成 的核 心板 和功放 板组 成 ,完成应答信号 从接 收、处理 到发射 的整个 流程 ;电池 舱 内放置锂 电池组 成 的高性能 电池组 ,用 以满 足应答 器长 时间水下待机和大功率信号发射 的电源需求 。
水声换能器通常 具有很 高 的输 出 阻抗 ,为 了成 功拾 ]
取微弱信号 ,需要提高 接收调 理 电路的输 入阻 抗 以达 到阻
抗匹配 ,因此 ,放大 电路 由同相 比例放 大器组 成 ,总放大 倍数为 6 d 0 B左右 。实际应用 中,第一级放大 电路 的增益通
常 不 高 于 10倍 ,否 则 可 能 会 引起 电 路 的 振 荡 ,多 级 放 大 0
距 离短 、无 法多 目标 同时定 位 、作 业 效率 偏 低 等局 限性 。 本文论述 了一种采用 扩频 通信 方式 ,并 以 MS 4 0 5 3 P 3 F 4 8为
主控制器 、数字 信号处 理器 T 30 50 A 为协 处理器 MS 2 VC 5 9 的水声 应答器设计 ,较详 细地讨 论 了低功耗 原则 下微 弱模
将会带来更好 的处理 效果 。另 外 ,系统 的定位 误差 主要决 定于各通道应答信 号 间的相位 差 ,这也是 使用 同相 比例放 大 电路 的另一 个 因素 。系 统采用 AD 6 7系列 运算 放大器 81
应答 器的 主要 技术指标 :信号类 型为 C 脉 冲和扩频 W
信号 ,发射声源级 大于 10 B,工作水 深小 于 5 0 8d 0 m,应答
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收 稿 日期 :2 1—20 ;修 订 日期 :2 1—20 0 11 —1 0 20 —5
图 1 应 答 器 总体 结 构 框 架
作者 简介 :陈君 ( 9 7 ) 1 8 一 ,男 ,山西晋 中人 ,硕士研究生 ,研究方向为嵌入式系统 、信号处理 ;+通讯作者 :万洪杰 ( 9 6 ) 1 7 一 ,男 ,山东 青 岛人,博 士 ,讲 师 ,研 究方 向为声信号处理 ;王学伟 (9 8一 ,男 ,黑龙江牡丹 江人 ,l ,教授 ,博 士生导师 ,研究方 向为现代信号 15 ) g ̄ 处理 与嵌入 式信 息处理技术。Ema :wa h@malb c.d .n - i l nj i u teu c .
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扩频 ,支持 多应答 器同时应答。通过 Malb 真和消声水池 、湖泊的 实际测试 ,结果表明该应答器性能稳定可靠 ,待 机静 t 仿 a
态工 作 电 流 小 于 l mA, 实现 了水 下 10 m 作 用 距 离的 多 目标 应 答 器定 位 。 50
关键词 :水声应 答器 ;超低 功耗 ;数 字信 号处理器 ;MS 4 0微控制 器;扩频通信 P3
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基 于 D P和 MS 4 0的水 声 应 答 器 设 计 S P3
陈 君 , 万 洪 杰+,王 学伟 ( 北京 化 工大 学 信 息科 学与技 术 学 院 ,北 京 102 ) 00 9
摘 要 :针 对 国产水声定位 系统在 浅海石 油勘探 中定位 距 离短 、无 法 多 目标 定位 等局 限性 ,设计 并 实现 了一种 以 MS 4 0 P3
为 主 控 制 器 、数 字信 号 处 理 器 为 协 处 理 器 的新 型 水 声应 答 器 。 系统硬 件 采 用低 功耗 设 计 ,水 下通 信 方 式 为 G l 直 接 序 列 od码
用 ,它是提高信 号 信噪 比和 防止应 答器 被误 唤 醒 的关 键。
由于静态 电流高达 mA级 的滤波芯 片并 不适合 采用 电池 供 ∞ u / 0
0 蛊l、高 电 的应 答 器 系 统 , 因 此 ,系 统 采 用 低 功 耗 、 低一】 声{ 增 噪 4
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