基于FPGA的96路AD信号采集装置的制作方法

本实用新型涉及海洋环境监测领域，具体地，涉及一种基于FPGA的96路AD信号采集装置，尤其是涉及一种用于水声探测数据处理的高速信号采集装置。

背景技术：

21世纪是“海洋世纪”，是人类一致的认识、开发利用和保护海洋的新世纪。海洋研究开发不只是关系到一个国家的资源战略问题，而且与国家的安全息息相关，这个安全涵盖一个国家的政治、经济权益。“实施大洋开发”，是顺应时代潮流的科学决策。海洋是人类社会可持续发展的宝贵财富和最后空间，是能源、矿物、食物和淡水的战略资源基地。20世纪70年代以来，世界海洋产业总产值十年左右翻一番。因此在对未知海洋环境的探索以及已知水域的监测中，水声探测的重要性愈加明显。

专利文献CN207832229U及一种水下水文探测系统，包含：密封外壳，固定安装在水下工程装备上；水下水文监测装置，设置在密封外壳中，实时采集水下工程装备周围一定区域内的水文信息，并转换为电信号输出；水上数据处理装置，接收并处理水下水文监测装置输出的电信号，为相应的观测站提供水文信息。借助水下工程设备固定安装于海底，实现在固定点对一定范围内的海洋水文信息的实时稳定监测，且采集到的水文数据更精确和实时有效。但是上述专利文献在硬件结构以及器件选择上还需要进一步改进。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本实用新型的目的是提供一种基于FPGA的96路AD信号采集装置。

根据本实用新型提供的一种基于FPGA的96路AD信号采集装置，包括FPGA芯片、信号发射器、换能器、信号采集器、有源带通滤波器；

FPGA芯片分别与信号发射器的控制端、信号采集器的触发端连接；

信号发射器的输出端与换能器的输入端连接，换能器的输出端输出至水声环境；

信号采集器包括第一信号处理板、第二信号处理板、第三信号处理板、第四信号处理板；

第一信号处理板、第二信号处理板、第三信号处理板、第四信号处理板形成四个数据通道电路；

第一信号处理板、第二信号处理板、第三信号处理板、第四信号处理板上均设置有6块AD芯片，共24块AD芯片；

FPGA芯片通过连接器分别与24块AD芯片的数字信号端连接；

有源带通滤波器的输出端分别连接24块AD芯片的模拟信号端；

有源带通滤波器的输入端采集水声环境信号。

优选地，所述有源带通滤波器采用8阶巴特沃兹有源带通滤波器。

优选地，所述FPGA芯片采用Xilinx公司A7系列芯片。

优选地，所述AD芯片采用LTC2344-16AD芯片。

优选地，有源带通滤波器为中心频率100kHz，带宽15kHz，通带起伏＜3dB，带外衰减≥40dB的滤波器。

与现有技术相比，本实用新型结构合理，易于实现。

通过应用本实用新型提供的作为硬件平台的基于FPGA的96路AD信号采集装置，有助于实现如下的有益效果：

1、利用高速AD芯片进行特定频率的信号采集，实时监测水下环境；

2、采用FPGA对96路AD信号的差分数据采集接收，信号采集前对其进行八级滤波，通过换能器将发射机信号放大输出，保证输出信号稳定，减少发射信号的传播损耗。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本实用新型的装置结构示意图。

图中示出：第一信号处理板1；第二信号处理板2；第三信号处理板3；第四信号处理板4。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制本实用新型。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本实用新型的保护范围。

根据本实用新型提供的一种基于FPGA的96路AD信号采集装置，包括FPGA芯片、信号发射器、换能器、信号采集器、有源带通滤波器；FPGA芯片分别与信号发射器的控制端、信号采集器的触发端连接；信号发射器的输出端与换能器的输入端连接，换能器的输出端输出至水声环境；信号采集器包括第一信号处理板1、第二信号处理板2、第三信号处理板3、第四信号处理板4；第一信号处理板1、第二信号处理板2、第三信号处理板3、第四信号处理板4形成四个数据通道电路；第一信号处理板1、第二信号处理板2、第三信号处理板3、第四信号处理板4上均设置有6块AD芯片，共24块AD芯片；FPGA芯片通过连接器分别与24块AD芯片的数字信号端连接；有源带通滤波器的输出端分别连接24块AD芯片的模拟信号端；有源带通滤波器的输入端采集水声环境信号。

具体地，所述有源带通滤波器采用8阶巴特沃兹有源带通滤波器。

具体地，所述FPGA芯片采用Xilinx公司A7系列芯片。

具体地，所述AD芯片采用LTC2344-16AD芯片。

具体地，有源带通滤波器为中心频率100kHz，带宽15kHz，通带起伏＜3dB，带外衰减≥40dB的滤波器。

下面通过优选例，对本实用新型提供的作为硬件平台的基于FPGA的96路AD信号采集装置的具体应用进行说明。

本实用新型利用高速AD芯片进行特定频率的信号采集，以达到实时监测水下环境的目的。

如图1所示，基于FPGA的96路AD信号采集装置，包括FPGA芯片、信号发射器、换能器、信号采集器；

FPGA芯片分别与信号发射器、信号采集器连接，FPGA芯片驱动信号发射器产生发射机信号；

信号发射器与换能器连接，发射机信号通过换能器转换后，形成频率声源级放大信号，频率声源级放大信号输出至水声环境；

FPGA芯片触发信号采集器启动，FPGA芯片接收信号采集器经采集获取的采样数据。

具体地，所述信号采集器采用96路AD信号采集；

信号采集器包括第一信号处理板1、第二信号处理板2、第三信号处理板3、第四信号处理板4；

FPGA芯片通过连接器分别与第一信号处理板1、第二信号处理板2、第三信号处理板3、第四信号处理板4相连，形成4个数据通道，第一信号处理板1、第二信号处理板2、第三信号处理板3、第四信号处理板4并行通过数据通道传输采样数据；

第一信号处理板1、第二信号处理板2、第三信号处理板3、第四信号处理板4上分别设置有6块AD芯片，所述AD芯片用于采集水声环境模拟信号。

具体地，FPGA芯片接收采样数据，所述采样数据以差分形式返回。

具体地，所述的基于FPGA的96路AD信号采集装置，还包括8阶巴特沃兹有源带通滤波处理器，所述8阶巴特沃兹有源带通滤波处理器的输出端与信号采集器相连接，8阶巴特沃兹有源带通滤波处理器的输入端用于采集信号，经8阶巴特沃兹有源带通滤波处理器处理后，得到固定频率区间的采集信号。优选地，在数据被采集之前进行8阶巴特沃兹有源带通滤波处理，中心频率100kHz，带宽15kHz，通带起伏＜3dB，带外衰减≥40dB，使AD芯片能采到特有的频率。

具体地，所述AD芯片将采集到的水声环境模拟信号转换为差分数字信号。

具体地，所述FPGA芯片采用Xilinx公司A7系列芯片，检测采样数据的实时上传，使用其现场可编程技术及在线逻辑分析IP核，对水声环境数据能否实时上传作了监测。

具体地，所述FPGA芯片用于发射信号、采集数据、缓存数据、上传数据。采用FPGA作为开发环境，96路AD数据通道作为外设，进行了一系列数据采集及处理操作

具体地，所述AD芯片采用LTC2344-16AD芯片，AD芯片可实现将采集到的水声环境模拟信号转换为高速差分数字信号。

在一个优选例中，首先通过上位机发送指令给FPGA模块，同时调用数据采集和信号发射模块，发射2组方波，其中方波有1ms单频，20ms单频，以及20ms变频模式，可根据不同工作模式自行选择，中心频率100k。随后数据采集模块启动，开始96路信号采集，96路AD分别在24块AD芯片上，每六块AD芯片又同时在同一信号板上，四块信号板都通过连接器连接到IO板的FPGA芯片，因此可通过FPGA芯片配置24块AD芯片，使得每块AD芯片都依次返回4个通道的数据，此时24块AD并行返回数据，可达到每块AD芯片有四路通道数据返回后，FPGA就接收到96路通道数据，数据以差分形式返回，此时通过FPGA内源语，将其转换为双沿信号，并通过时钟变换抓取数据信号，再将其组成16位数据存储到fifo，并对fifo进行排序，通过管脚约束，对应到相应接收通道(接收通道以角度排序，96路对应360度)，该步骤中数据采样率为80k，采集11904次数据，再将数据上传到上位机，利用相应算法进行数据处理，可得到300米内水下环境信息。

在令一个优选例中，以FPGA为核心机制，利用FPGA对上位机信号进行实时分析，并驱动相应外设，做好信号发射以及数据采集，并进行对上位机所需要处理的数据进行存储和上传。FPGA可以保证精确的发射机信号发射，稳定的80k采样率采集数据，足够大的RAM空间对数据进行缓存式的存储操作，采用LTC2344系列AD芯片，采用了差分输入，可以使数据采集速率达到单端输入的两倍；采用8阶巴特沃兹有源带通滤波处理，使得到的信号为固定的频率区间；采用FPGA芯片对AD芯片进行配置，可保证输出信号稳定，达到标准的80k采样率；FPGA芯片内部系统时钟达到125M，8ns即可采一次数据，AD芯片返回的Bit数据可持续30ns以上，可确保数据的稳定性；利用FPGA产生两组发射信号，并通过换能器放大声源级信号，经测试，可达207DB，在水声环境传播损耗后返回仍可作算法处理。

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变形而不脱离本实用新型的精神和范围。这样倘若本实用新型的这些修改和变形属于本实用新型的权利要求及其等同技术的范围内，则本实用新型也意图包涵这些改动在内。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本实用新型的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本实用新型并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本实用新型的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。