阵列式MEMS矢量水听器的信息采集系统设计-AET-电子技术应用

阵列式MEMS矢量水听器的信息采集系统设计

2014年电子技术应用第11期

申辉1，2，张国军1，2，郭靖1，2，张文栋1，2

（1.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原030051； 2.中北大学电子测试技术重点实验室，山西太原030051）

摘要： 设计了一种应用于阵列式MEMS矢量水听器的水下信息采集系统，用于采集水声信号和水听器姿态信息；采集信息经编码后通过RS422接口输出。设计了一种低噪声前置放大电路来对模拟信号进行调理；对于时统信号和姿态信号，采用抽样判决进行消抖，保证了信号接收的准确性。将采集系统与水听器封装一体后进行了测试，结果表明，系统工作稳定，可准确采集水听器的水下信息。

关键词： 数据采集信号调理阵列式矢量水听器

中图分类号： TP274+.2
文献标识码： A
文章编号： 0258-7998(2014)11-0088-04

Design of array type MEMS vector hydrophone data acquisition system

Shen Hui1，2，Zhang Guojun1，2，Guo Jing1，2，Zhang Wendong1，2

1.Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement，Ministry of Education，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.Science and Technology on Electronic Test & Measurement Laboratory，North University of China，Taiyuan 030051，China

Abstract： The underwater information acquisition system is designed for the acquisition of the array type MEMS vector hydrophone′s signal and attitude information. The system outputs the coded information through the RS422 interface. A circuit of low-noise preamplifier is designed to process the analog signal. A sampling judgment jitters elimination method is applied to ensure the accuracy of time-uniform system signal and attitude signal. After the system integrated with sensor has been tested, results show that the system runs stably and acquires underwater information accurately.

Key words : data acquisition；signal conditioning circuit；array type；MEMS；vector hydrophone

0 引言

随着对海洋及水下环境探索的不断深入，水听器基阵在声纳设备中应用越来越广，同时对水听器的一致性和阵列孔径的要求也越来越高。基于单个MEMS仿生矢量水听器原理设计的集成阵列式水听器具有成本低、体积小、一致性好的优点[1-2]，可以很好地满足工程应用，图1为2×2敏感单元的阵列微结构。本文针对阵列式MEMS矢量水听器设计了一种低功耗、低噪声、多通道采集系统，其可与水听器封装一体，便于传感器的组阵及应用。

1 系统总体设计

　　整个数据采集系统主要由FPGA控制器、A/D转换器、信号调理电路、电源供电电路、RS422接口电路等组成。系统以FPGA为控制核心对传感器信息进行采集、编码、传输。

　　水听器的输出信号经预处理电路滤波、放大后，传输至ADC转换为数字信号；姿态传感器(三维电子罗盘)用于采集传感器的水下姿态信息，其输出数据为RS232格式，经电平转换电路后送入FPGA与数字化的水声信号进行整合编码，之后通过RS422接口电路输出，上位机也可通过该接口检测信号和发送命令。系统结构框图如图2所示。

2 硬件电路设计

　　2.1 电源电路设计

　　根据任务要求，为采集系统提供的供电电源为24 V，考虑到系统散热、芯片功率等问题，先将24 V通过电源芯片LM2576稳压到7 V，实现一级稳压。由于一级稳压后的电压噪声较大，故采用低噪声的线性稳压器LT1965将7 V稳压到5 V给系统供电。LT1965的输出电压噪声为40 ?滋VRMS，最大输出电流为1.1 A。根据LM2576的输出电压公式：

　　取R1=1 kΩ，R2=4.7 kΩ，则VOUT1=7.01 V；LT1965的输出电压公式为：

　　其中IADJ为芯片ADJ管脚的偏置电流，设计中IADJ=1.3 ?A，取R3=15 kΩ，R4=4.7 kΩ，则VOUT2=5.05 V，两级稳压电路均满足设计要求。

　　2.2 信号调理电路设计

　　2.2.1 恒压源和放大电路设计

　　由于电源噪声对水听器的最优性能有很大影响，所以又另外选用了噪声更低的线性稳压器LT1761，其输出电压噪声为20 VRMS，将一级稳压后的7 V电压稳压到5 V，来为传感器和信号调理电路供电。

　　水听器内部的敏感单元可等效成惠斯通电桥结构，输出差分信号，输出阻抗的特征值为1 kΩ，最大值1.2 kΩ[3]。水听器差分信号在进入放大电路之前先经过一个无源低通滤波器滤除高频噪声，取R5=R6=300 Ω，C9=C10=0.1 F，则截止频率为：fp=1/(2πRC)=5.3 kHz。放大电路设计中选用低噪声、低功耗、高共模抑制比的仪表放大器AD8421，其最大输入电压噪声为3.2 nV/√Hz，只需通过单个外接电阻RG便可设置增益，增益范围1~10 000。RG选用200 Ω电阻，则放大电路的增益为：G=1+9.9 kΩ/RG≈50。设计中运放AD8421采用单电源+5 V供电，输出摆幅为+1.2 V~+3.4 V，根据水声传感器输出信号的动态范围：-15 mV~+15 mV，经放大后变为-0.75 V~+0.75 V，加上运放的参考电压+2.5 V，则最终信号调理的输出范围为+1.75 V~+3.25 V，在运放的输出摆幅之内[4]。水听器的恒压源激励和放大电路如图3所示。

　　2.2.2 二阶高通滤波器设计

　　通过对水听器的输出信号进行分析，发现其低频噪声要大于高频噪声，为提高信噪比，需要设计一个高通滤波器进行滤波。常用的高通滤波器有多重负反馈型和压控电压源型（VCVS）两种，但考虑到多重负反馈型滤波器的拓扑结构相对复杂而且容易叠加高频谐波[5]，故选用具有增益容易控制、同相输出、对运放要求较低等优点的VCVS式滤波器。巴特沃兹滤波器在通频带幅值特性平坦，在阻频带则逐渐下降为零，是唯一的无论阶数、振幅对角频率曲线都保持同样形状的滤波器[6]，所以滤波器设计为VCVS二阶巴特沃兹高通滤波器。根据水听器所需检测的信号范围：20 kHz~3 kHz，设计高通滤波器的截止频率f0=10 Hz，增益为1，滤波电路原理图如图4所示。

　　在设计过程中，令巴特沃兹滤波器的二项式系数α=0.707，β=1，则电阻R11、R12的阻值可根据以下公式计算：

　　其中?棕0为转折角频率，其值可由转折频率f0得出，0=2πf0；k为C11与C12的比例系数，设C11=kC12。为方便设计和器件匹配，设计中取k=1；然后根据转折频率、电容的标准系列值和保证电阻在中等大小范围内的经验公式：

　　确定C12的取值范围为1 F~100 F，取C12=10 F，则计算得C11=C12=10 F，R11=1.13 kΩ，R12=2.26 kΩ。经Multisim仿真，滤波器的截止频率为10.2 Hz，与设计相符。

　　2.3 RS422接口电路设计

　　系统采集的数据通过RS422通信接口串行输出。RS422接口是差模传输，抗干扰能力强，在其传输线上可连接多个接收节点，采用该接口便于水听器组成观测网。接口芯片选用MAX3462，其内部有一个传输线驱动器和一个传输线接收器，可工作在全双工模式，故该接口可发送数据和接收命令。MAX3462的上限通信速率可达20 Mb/s，具有1/4单位负载(48 kΩ)输入阻抗的接收器，其通信总线上最大可允许连接128个收发器。MAX3462与FPGA的通信通过高速光电耦合器HCPL-0738来实现电气隔离，HCPL-0738的速度可达15 MBd，该接口可满足10 Mb/s的最大数据传输速率，接口电路如图5所示，R15和R18的阻值应根据通信速率选取，其中422R+和422R-为接收差分信号，422T+和422T-为发送差分信号。

3 逻辑设计

　　3.1 AD采集时序

　　ADC选用8通道的AD7606，其工作方式有3种：并行模式、串行模式和字节模式。系统设计时采用字节模式，此时每个通道的转换结果通过接口DB[7:0]分为高低两个字节输出，高低字节输出的先后顺序可通过HBEN管脚设置。CS为低时，随着RD下降沿的到来，DB[7:0]便输出一个字节， 8个通道转换数据的读取共需要16个RD下降沿。采集通道转换完后，CS的下降沿使FRSTDATA变为低；RD的第1个下降沿到来后FRSTDATA变为高，表明1通道的转换结果正被读出；RD的第3个下降沿到来后FRSTDATA又变为低电平，表明1通道的数据已被读出。根据水声传感器所需检测信号的频率范围，将采样率设计为25 kHz，数模转换器的采集时序如图6所示。

　　3.2 信号消抖

　　系统在工作过程中，经常受到复杂的电磁干扰，时统触点的闭合以及罗盘信号的电平转换都会出现尖峰脉冲干扰，当信号为低电平有效时，便会影响到信号的准确接收，所以采取了有效的消抖逻辑，确保系统的可靠运行。在信号接收过程中采用实时抽样判决法对其进行消抖。抽样判决法即每隔时间t对信号进行一次采样，并将采样结果存入一个n位移位寄存器中。每采样一次，移位寄存器中的数据便右移1位并将此时采样得到的数据存储到第一位；n次采样完成后便对寄存器中的信息进行判断，设寄存器中低电平的个数为m，判决系数λ=m/n×100%，若λ≥60%，便认为接收到了低电平信号，否则认为接收到了高电平信号[7]。对于寄存器的位宽n，要根据干扰脉冲的宽度而定，设干扰脉冲宽度为t，采样时钟周期为fosc，应保证n×fosc>t，在设计中选用了10 bit的移位寄存器。

　　3.3 FIFO缓存模块

　　FIFO存储器是一个带有控制逻辑模块的先进先出存储阵列，本设计中通过配置FPGA内部的两个宽度为4 bit、深度为1 024的双口RAM来实现宽度为8 bit、总容量为1 KB的FIFO缓存模块。

　　系统工作后，将接收到的罗盘数据先存入FIFO1，当其写地址和读地址的偏差大于一帧罗盘数据长度时，便从FIFO1中读出该帧数据，并和ADC转换的数据整合编码后存入FIFO2。当FIFO2的写地址与读地址的偏差大于零时，便通过RS422接口发送数据。

4 测试结果

　　将信号采集系统和电子罗盘封装进水听器管壳后，对水听器进行水下测试，并将采集到的信号进行分析。图7为水听器在刚性固定情况下20 min内的水下姿态变化图；图8为水听器在驻波桶内接收500 Hz信号时敏感单元X、Y通道的波形图，根据波形可计算出传感器X、Y通道输出信号的峰值分别为3.32 mV、1.54 mV；图9为500 Hz情况下Y通道的指向性图，其凹点深度为28.9 dB，最大值不均匀性为0.7 dB，具有较好的“8”字形指向特性。