专利名称：一种水下声波采集系统的制作方法
技术领域：
本实用新型属于水下声波采集领域，更为具体地讲，涉及到某试验基地一种水下超声波采集系统的数字化改造项目。
背景技术：
某试验基地水下声波采集系统改造之前，用磁带记录的方式记录水下声波信号，记录完成之后拿出磁带对声波信号进行回放、分析。随着数字化技术的发展，这种记录方式的缺点暴露越来越严重，比如磁带所占的空间体积很大，不能重复利用，记录的数据容易受损，很难长时间保存等等。在这样的背景下，水声采集系统数字化改造项目应运而出。
发明内容本实用新型从某实验基地水下声波采集的实际出发，研制出来了一种实用性强、采集信号还原精度高、控制稳定的水下声波采集系统。根据该基地项目实际情况，首先提出改造中的关键指标，即水下声波数字化前和数字化后的误差，其误差在±0.5dB，传感器输出信号最小为百yV级，实际应用中大信号没有多少实用价值，关键在于保护好小信号。为了达到这些要求，在水下声波采集系统设计中，首先要考虑合适的电路架构，然后是模、数混合电路中的布局、布线。一种水下声波采集系统，主要采取主-从控制模式，当采集系统接收到命令OxCAOX, FPGA就控制ADC按2MHz采样率采集数据，采集时间由OxCAOX中的X来确定，FPGA接收到0xC5XX，FPGA就通过DAC回放存储在FLASH中的数据，0xC5XX中的第一个X表示从第几分钟开始回放，第二个X表示回放的时间长度，FPGA接收到OxCOXX，FPGA就通过USB接口把数据输出，OxCOXX中的第一个X表示从第几分钟开始输出，第二个X表示输出的时间长度。水下声波采集系统电路由信号调理电路，模数转换电路，FPGA控制逻辑及数模转换电路组成，信号调理电路主要包括信号放大，巴特沃斯低通滤波器，双极性单端信号转直流差分信号；信号放大部分将最小为百P V级放大到mV级，放大之后的信号送入巴特沃斯低通滤波器，巴特沃斯低通滤波器的截止频率点设计为IOOkHz，滤波器阶数设计为3阶，经过低通滤波器之后，将IOOkHz以上的信号衰减，滤波之后的双极性单端信号再转换成直流差分信号，满足ADC模拟输入条件。模数转换电路主要器件为模数转换器(ADC)，本设计中ADC选用分辨率为18位高精度ADC，采样率设计为2MHz，采集控制逻辑都由FPGA完成；数模转换电路提供模拟信号还原和再现，实际上水下声波数字化之后，一方面可以通过DAC还原声波信号，另一方面也可以通过USB 口将数字信号输出，供进一步试验处理分析所用。水下声波采集系统属于数模混合电路，做好这种电路除了要有正确的电路架构之夕卜，最重要的是电路板的布局和布线。首先区分模拟部分和数字部分，模拟部分包括模拟输入接口，信号调电路及部分ADC和DAC，数字部分包括数字接口，FPGA，晶振及部分ADC和DAC, ADC和DAC是模拟和数字的分界点；其次区分模拟部分中需要重点保护的模拟信号，在本项目中需要重点保护的模拟信号就是传感器输入的声波信号，有了这个认识就能很好的完成电路布局，光有好的布局也不一定能正确的完成项目，还必须有至关重要的布线，本项目中模拟信号和数字信号布线不能交叉，模拟信号线应尽量远离数字信号线，输入声波信号线所经过区域不能有别的信号线对其形成干扰。
图1是本实用新型一种水下声波采集系统的原理框图；图2是图1所不的/[目号调理电路原理框图；图3是图1所示FPGA中的控制逻辑流程具体实施方式
以下结合附图，对本实用新型再作进一步说明一种水下声波采集系统，电路采用FPGA+ADC+DAC架构，输入信号首先经过信号调理，信号调理包括信号放大，三阶巴特沃斯低通滤波器和双极性单端信号转直流差分信号(参见图2)，信号调理完成之后直接送入模、数转换器(ADC)，由FPGA以2MHz的采样率控制采集ADC，采集数据的时间量由上位机发送命令来确定，采集的数据都要按统一格式存入高速FLASH中，这些采集的数据最终通过两种方式来还原分析，一种是通过系统中数模转换器，把采集的数字信号还原成模拟信号通过水声分析设备分析，另一种是通过USB接口将数据转移出来，以便进一步分析(参见图1)。在水下声波采集系统中，FPGA控制逻辑是这样的，首先系统上电复位，复位完成之后处于空闲(Idle)状态，等待上位机发送命令，上位机发送命令共三种，一种是OxCAOX，命令中CA表示对水下声波按2MHz进行采集，X表示采集的时间长度，单位为分钟，第二种命令是0xC5XX，命令中C5表示对存储在高速FLASH中的数据通过系统中模数转换器DAC进行还原，命令中第一个X表示从采集数据中的第X分钟开始还原，命令中第二个X表示还原数据的时间长度为X分钟，第三种命令是OxCOXX，命令中CO表示对存储在高速FLASH中的数据通过USB接口读取，命令中第一个X表示从采集数据中的第X分钟开始读取，命令中第二个X表示读取数据的时间长度为X分钟(参见图3)。在项目实施的数模混合电路布局布线中，首先要区分模拟部分和数字部分，模拟部分包括模拟信号输入接口、信号调理及ADC和DAC的模拟部分，数字部分包括数字输出接口、FPGA及ADC和DAC的模拟部分，ADC和DAC是模、数分区的中间点，模拟地和数字地在这个中间要单点连通。数字信号线尽量不要经过模拟区域，模拟信号线不要经过数字区域，模拟信号线中要对重点关注信号的输入信号进行保护，其它线尽量不要和它交叉或靠近，以免形成干扰。通过上述实施电路架构和逻辑控制，再结合数模混合电路布局布线，水下声波信号输入和还原输出的误差完全能达到±0. 5dB范围。
权利要求1.一种水下声波采集系统，其特征在于，信号调理部分电路采用:信号放大电路，巴特沃斯低通滤波器，双极性单端信号转直流差分信号电路；由传感器输出的水声信号直接接入信号调理部分，先对水声信号进行放大，信号由最低百μ V级放大至百mV级，放大之后的信号送入巴特沃斯低通滤波器，巴特沃斯低通滤波器采用3阶，频率截止点设计为100kHz，经过低通滤波之后，再将双极性单端信号转为直流差分信号，送入ADC，由上位机发送各种命令，FPGA接收并解析、执行命令；FPGA接收到命令OxCAOX，FPGA就控制ADC按2MHz采样率采集数据，采集时间由OxCAOX中的X来确定，FPGA接收到0xC5XX，FPGA就通过DAC回放存储在FLASH中的数据，0xC5XX中的第一个X表示从第几分钟开始回放，第二个X表示回放的时间长度，FPGA接收到OxCOXX，FPGA就通过USB接口把数据输出，OxCOXX中的第一个X表示从第几分钟开始输出，第二个X表示输出的时间长度。
专利摘要本实用新型公开了一种水下声波采集系统。在采集电路中，由传感器输入的水声信号先经过信号调理，使信号幅度在ADC采集范围之内，由FPGA控制ADC采集，并将采集的水声信号送入高速FLASH中存储，FPGA不但要完成数据采集与存储，而且要和上位机通讯，接收上位机命令并执行命令。水声信号幅度最低为百uV级，信号频率为100kHz以下，在信号调理电路中，设计有一个截止频率为100kHz的三阶巴特沃斯低通滤波器,信号主要频率段位于超声波40-80kHz范围，ADC采样率为2MHz，项目的关键指标为数据采集后误差在±0.5dB之内。本实用新型在水声采集中得到了应用，实际工作稳定可靠，指标满足要求，成功完成了某试验基地水下声波采集系统的改造项目。
文档编号G01H11/06GK202916002SQ201220515428
公开日2013年5月1日 申请日期2012年10月9日 优先权日2012年10月9日
发明者陈代见, 王继安, 唐毓尚 申请人:成都环宇芯科技有限公司