一种多通道的水声信号同步采集系统及其方法

1.本发明涉及信号处理、接口逻辑设计等技术领域，尤其是一种信号同步采集系统及其方法。


背景技术：

2.水下信号采集就是通过换能器将水声信号转化为电信号，然后将模拟的电信号通过一系列的处理，得到时间和幅度都离散的数字信号，最后将到的数字信号进行存储或通过微处理器处理分析的过程。
3.多通道信号采集系统在海洋工程开发、航天航空、医疗生物以及自然灾害等领域得到了广泛的应用。由于国家加快发展海洋强国战略，为了深入研究海洋科学技术，多通道信号采集系统在海洋开发领域受到了研究者们的高度重视。然而在复杂的海洋环境中，对测量精度、同步性、实时性以及系统功耗的要求不断提高，使用之前单通道信号采集系统采集到的数据精度远远不能满足如今的要求。
4.采用多通道信号采集系统获取更多有用的信息，但多通道信号采集不能保证不同通道在同一时刻采集到，因此多通道信号同步采集系统成为了海洋开发信号采集的主要结构。传统的多通道水声信号同步采集系统，信号采集的通道数较少，主要是8通道、16通道和24通道，且对于复杂的海洋环境，换能器阵接收到的信号很微弱，导致采样到的数据精度低，同步性较差以及系统功耗较高。


技术实现要素：

5.为了克服现有技术的不足，本发明提供一种多通道的水声信号同步采集系统及其方法，旨在提供一种具有采样通道数多、精度高、同步性能好以及功耗低的多通道水声信号同步采集系统以及方法。
6.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
7.一种多通道的水声信号同步采集系统，包括电源管理模块、信号调理模块、数据采集模块、微处理器核心模块和数据传输模块，多通道的水声信号同步采集系统整体设计框图如图3所示，电源模块为信号调理模块、数据采集模块、微处理器核心模块、数据传输模块提供不同的供电电压，保证各个模块正常工作；采集系统处于工作状态时，微弱的水声信号以差分形式输入信号调理模块，并将调理后的差分信号传输到数据采集模块，通过微处理器核心模块中微处理器驱动数据采集模块将模拟的水声信号转换为离散的数字信号，并以串行形式传输到微处理器核心模块，经过微处理器核心模块的计算与处理后，微处理器驱动数据传输模块将所有通道处理好的数字信号通过usb2.0接口或以太网接口传输到计算机中，并保存到本地大容量sd存储卡，实现数据的双备份。
8.所述电源管理模块从外部直流电压源引入3.2v-40v的直流电压，实现对输入电压的管理；信号调理模块包括差分输入、低通滤波和差分输出三个模块，系统工作时，水声信号以差分的形式输入，信号调理模块对输入的水声信号进行滤波和放大后，再以差分形式
输出；数据采集模块包括差分转单端、模数转换和串行输出，将信号调理模块中经过调理后的差分信号先通过差分转单端，再对单端信号进行模数转化，最后将数据采集模块转换后的数字信号以串行形式输出到微处理器核心模块；微处理器核心模块包括晶振电路、flash和微处理器，晶振电路为微处理器提供系统时钟，flash为微处理器存储系统测试程序，系统在采集时，微处理器驱动数据采集模块对水声信号进行采集，并驱动数据存储模块将处理好的数字信号进行传输和存储；数据传输模块包括usb2.0接口、以太网接口、sd卡存储，将处理好的数字信号通过usb2.0接口或以太网接口实时传输至计算机，同时将处理好的数据存储于sd卡中，对数据进行备份。
9.所述数据采集模块采用6片24bit、8个通道数的ads1278模数转换器。
10.所述信号调理模块需要提供5v的供电电压，数据采集模块需要提供3.3v、2.5v和1.8v的电压，其中3.3v为驱动a/d芯片io引脚的驱动电压，2.5v为采集时为a/d提供的参考电压,1.8v为a/d芯片的供电电压。
11.本发明还提供一种多通道的水声信号同步采集系统的实现方法，具体包括以下步骤：
12.步骤一：启动电源管理模块；
13.电源管理模块为信号调理模块、数据采集模块、微处理器核心模块、数据传输模块提供所需的供电电压，保证信号调理模块、数据采集模块、微处理器核心模块、数据传输模块正常工作；
14.电源电路是整个系统正常工作的首要条件，它为整个系统提供了不竭的动力。因此，设计一个布局合理、分配有序的电源电路对整个硬件系统而言是至关重要的。本发明采用具有噪声低至和转换效率大于85％的电源转换芯片，nv为纳伏，hz为赫兹，防止噪声纹波影响采集的精度，并通过微处理器控制各个模块电源的使能端口，仅在系统采集信号时，使能各个模块的电源使能端口，使各个模块能够正常工作，从而降低系统的整体的功耗。
15.步骤二：对输入水声信号进行预处理；
16.预处理是在信号调理模块中对水声信号进行滤波和放大，从而滤除环境中的噪声、增强信号的强度；
17.水声换能器接收到的信号比较微弱，信号幅度在微伏级，在复杂的海洋环境下，噪声对信号采集系统影响很大，预处理电路直接与换能器连接的部件，如果性能不好，将会是引入系统噪声最主要的电路，所以本发明采用噪声低于的全差分运算放大器，对换能器接收到的信号进行预处理时，当换能器接收到48路水声信号x1(t)，
…
，x
48
(t),48路水声信号x1(t)，
…
，x
48
(t)以差分的形式输入分别为v
1in-(t)，
…
，v
48in-(t)和v
1in
(t)，
…
，v
48in
(t)，经过全差分运算放大器对48路信号进行带通滤波和放大，得到96路差分输出信号分别为v
1out-(t)，
…
，v
48out-(t)，v
1out
(t)，
…
，v
48out
(t)；
18.步骤三：对预处理后的差分信号进行a/d采集；
19.数据采集模块对预处理后的信号进行模数转换，获到数字信号；
20.首先设置a/d芯片采集模式，本发明将其工作模式设置在功耗低于31mw/ch，使系统功耗足够低且维持长于一周的持续工作时间，并设置芯片同步采集端口，对预处理得到
的96路差分信号同步进行采集；在采集时，将预处理96路差分信号v
1in-(t)，
…
，v
48in-(t)和v
1out
(t)，
…
，v
48out
(t)进行差分转单端的处理，得到单端48路模拟信号y1(t)，
…
，y
48
(t)，再对单端模拟信号进行模数转换，48路模拟信号y1(t)，
…
，y
48
(t)通过模数转换后，得到时间和幅度都离散的48路数字信号yb(n)，再将模数转换后的数字信号通过spi(serial peripheral interface)协议，得到48路通道串行输出数据a
48
(n)；
21.步骤四：对采样后的数字信号进行处理；
22.微处理器器模块为整个系统的主控制器，用于驱动数据采集模块和数据传输模块对采集到的数据进行传输和存储；
23.通过驱动数据采集模块，得到模数转换的数字信号a
48
(n)，由于采集到的数字信号以tmd(time-division multiplexed)模式将数据输出，对数字信号进行划分，得到各个通道的数据，微处理器接收到48个通道的串行输出数据形式是m位二进制补码的格式，m为adc的位数，将串行输出的数据转化为十进制格式，得到十进制表示的数据yo(n)，然后驱动usb2.0接口或驱动以太网rj45接口将数据yo(n)进行实时传输，同时驱动sd卡对数据yo(n)进行存储，对数据进行备份。
24.所述步骤三中，模数转换采用∑-δ(sigma-delta)型的adc进行模数转换，∑-δ型adc简要框图如图2所示，包括∑-δ调制器和数字信号处理模块，数字信号处理模块采用数字滤波器，对于∑-δ型adc不是直接根据抽样数据的每一个样值的大小进行量化编码，而是根据信号的前一量值与后一量值的差值，即增量的大小进行量化编码，从某种意义上讲，它是根据信号波形的包络线进行量化编码的，所以∑-δ型adc具有分辨率高、线性度好、成本低等特点。
25.本发明的有益效果在于所采用的多通道的水声信号同步采集系统以及方法，该系统采样通道数多、精度高、同步性好。本发明采用6片24bit、8个通道数的ads1278模数转换器，同时对48路微弱水声信号同步采集，而且ads1278采用差分形式输入，能够很好的抑制共模信号，并有四种模式：高速模式、高分辨率模式、低功耗模式、低速模式，本发明将其工作模式设置在低功耗状态，使系统功耗足够低且维持超长的持续工作时间。此外，电源模块采用具有超低噪声和高电源抑制比的电源芯片，保证a/d芯片数据采集的精度和系统的可靠性。信号调理模块选择超低噪声的运算放大器，由于水声换能器输出的电信号比较微弱，信号幅度一般在微伏级左右，在复杂的海洋环境下，噪声对信号采集系统的影响很大，前置放大器作为直接与换能器连接的部件，如果性能不好，将会是引入系统噪声最主要的器件。
附图说明
26.图1为本发明全差分放大器示意图。
27.图2为本发明∑-δ型adc的简要框图。
28.图3为本发明多通道的水声信号同步采集系统整体设计框图。
29.图4为本发明多通道的水声信号同步采集系统实物结构框图。
具体实施方式
30.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
31.下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细描述。
32.一种多通道的水声信号同步采集系统，包括电源管理模块、信号调理模块、数据采集模块、微处理器核心模块和数据传输模块，多通道的水声信号同步采集系统整体设计框图如图3所示，电源模块为信号调理模块、数据采集模块、微处理器核心模块、数据传输模块提供不同的供电电压，保证各个模块正常工作；信号调理模块需要提供5v的供电电压，数据采集模块需要提供3.3v、2.5v和1.8v的电压，其中3.3v为驱动a/d芯片io引脚的驱动电压，2.5v为采集时为a/d提供的参考电压,1.8v为a/d芯片的供电电压。采集系统处于工作状态时，微弱的水声信号以差分形式输入信号调理模块，并将调理后的差分信号传输到数据采集模块，通过微处理器核心模块中微处理器驱动数据采集模块将模拟的水声信号转换为离散的数字信号，并以串行形式传输到微处理器核心模块，经过微处理器核心模块的计算与处理后，微处理器驱动数据传输模块将所有通道处理好的数字信号通过usb2.0接口或以太网接口传输到计算机中，并保存到本地大容量sd存储卡，实现数据的双备份。
33.所述电源管理模块从外部直流电压源引入3.2v-40v的直流电压，实现对输入电压的管理；信号调理模块包括差分输入、低通滤波和差分输出三个模块，系统工作时，水声信号以差分的形式输入，信号调理模块对输入的水声信号进行滤波和放大后，再以差分形式输出；数据采集模块包括差分转单端、模数转换和串行输出，将信号调理模块中经过调理后的差分信号先通过差分转单端，再对单端信号进行模数转化，最后将数据采集模块转换后的数字信号以串行形式输出到微处理器核心模块；数据采集模块采用6片24bit、8个通道数的ads1278模数转换器；微处理器核心模块包括晶振电路、flash和微处理器，晶振电路为微处理器提供系统时钟，flash为微处理器存储系统测试程序，系统在采集时，微处理器驱动数据采集模块对水声信号进行采集，并驱动数据存储模块将处理好的数字信号进行传输和存储；数据传输模块包括usb2.0接口、以太网接口、sd卡存储，将处理好的数字信号通过usb2.0接口或以太网接口实时传输至计算机，同时将处理好的数据存储于sd卡中，对数据进行备份。
34.步骤一：启动电源管理模块
35.电源管理模块主要是为采集系统的各个模块提供所需的供电电压，保证各个模块正常工作。
36.电源电路是整个系统正常工作的首要条件，它为整个系统提供了不竭的动力。因此，设计一个布局合理、分配有序的电源电路对整个硬件系统而言是至关重要的。本发明电源管理模块从外部直流源引入3.2v-40v，通过超低噪声稳压芯片ltm8036稳压至5v，并通过微处理器控制各个模块电源的使能端口，仅在系统采集信号时，使能各个模块的电源使能端口，使各个模块能够正常工作，从而降低系统的整体的功耗。
37.本发明系统中包含的各个模块所需的供电电压各不相同，信号调理模块需要提供5v的供电电压，数据采集模块需要提供3.3v、2.5v和1.8v的电压，其中3.3v为驱动a/d芯片io引脚的驱动电压，2.5v为采集时为a/d提供的参考电压,1.8v为a/d芯片的供电电压。
38.步骤二：对输入水声信号进行预处理
39.换能器接收到的水声信号电压很微弱并且在微伏量级，然而环境中的噪声和干扰的信号强度都在毫伏级，所以在a/d采集前要对采样的信号进行滤波和放大，以滤除环境中的噪声、增强信号的强度，从而提高模拟信号转成数字信号时的精度。
40.所以要对水听器接收到的信号就行预处理，预处理电路主要由48个差分运算放大
器构成，水听器接收到48路通道的水声信号为x1(t)，x2(t)，
···
，x
48
(t)。以1路水声信号为例，以差分的形式输入得到两路差分信号分别为v
in-(t)、v
in
(t)，经过全差分运算放大器对水声信号进行滤波和放大，滤波和放大后的信号仍以差分形式输出，输出的模拟信号反向信号和正向信号分别为v
out-(t)、v
out
(t)，如图1所示。
41.其中，水声信号采用差分输入是为了提高信号的共模抑制比和信号的抗干扰能力，而且差分输入可以减少偶次谐波失真。运算放大器电路的传递函数按照幂级数展开，v
out
和v
out-幂级数展开公式为：
[0042][0043][0044]
所以，差分输出的表达式的幂级数展开式为：
[0045][0046]
式中v
od
为差分输出电压，v
in
为输入信号电压，k1,k2,k3,
…
为常数。展开式中二次项导致二次谐波失真，三次项导致三次谐波失真。从式中可知，全差分放大器传递函数的幂级数展开式中，两个差分端各自奇数项保持反相极性，而各自偶数项恒为正，所以差分输出时偶数项被抵消，从而可以减少偶次谐波失真。
[0047]
本发明差分运算放大器采用的是ths4522，是一种具有超低噪声、双通道的轨对轨输出的全差分运算放大器。
[0048]
步骤三：对预处理后的差分信号进行a/d采集
[0049]
由于adc性能的好坏直接影响整个采样系统的精度，所以采用分辨率好、精度高以及具有8路采样通道的ads1278。该数据采样模块由6片ads1278构成48路的采样通道。
[0050]
ads1278是以差分形式输入，能够很好的抑制共模信号，并且有四种模式：高速模式、高分辨率模式、低功耗模式、低速模式，本发明将其工作模式设置在低功耗状态，使系统功耗足够低且维持超长的持续工作时间。
[0051]
当微处理器检测到ads1278的drdy引脚有下降沿时，通过spi接口协议驱动ads1278开始采集信号，为了减少微处理器i/o口的使用，将采集好的数据使用tmd(time-division multiplexed)模式将数据输出，即以串行格式通过公共引脚将所有通道的数据移出。此外，可以通过控制ads1278的sync引脚使多片芯片同步采集。
[0052]
其中ads1278是∑-δ(sigma-delta)型的adc，∑-δ型adc通常包括两个模块：∑-δ调制器和数字信号处理模块，后者通常为数字滤波器。对于∑-δ型adc不是直接根据抽样数据的每一个样值的大小进行量化编码，而是根据前一量值与后一量值的差值即所谓的增量的大小来进行量化编码，从某种意义上讲，它是根据信号波形的包络线进行量化编码的。所以∑-δ型adc具有分辨率高、线性度好、成本低等特点。
[0053]
步骤四：对采样后的数字信号进行处理
[0054]
微处理器器模块，为整个系统的主控制器，用于驱动数据采集模块和数据传输模块对采集到的数据进行传输和存储。
[0055]
综合考虑系统设计要求，选择具有主频较高、引脚较多的高性能处理器stm32h743，通过将模数转换后的数字信号yb(n)进一步处理。微处理器接收到的48n个通道串行输出数据a
48
(n)的形式是m(adc的位数)位二进制补码的格式，将串行输出的数据转化
为十进制格式，得到十进制表示的数据yo(n)，然后驱动usb2.0接口或以太网rj45接口对微处理器处理过的数据进行实时传输，或通过驱动sd卡对处理过的数据进行存储。
[0056]
当采样率较高时，将数字信号yb(n)直接通过以太网接口进行传输。当采样率比较低时，将串行输出的数据转化为十进制格式，并发送至串口，方便观察采样到的数据是否正确。将数字信号转为十进制时，首先判断输入信号电压的正负。
[0057]
输入正电压时，理论上的电压计算公式为：
[0058]
输入负电压时，理论上的电压计算公式为：
[0059]
多通道水声信号同步采集系统实物结构框图如图4所示。系统包括电源模块、信号调理模块、数据采集模块、微处理器模块、数据传输模块。电源模块按照需要为信号调理模块、数据采集模块、微处理器模块、数据传输模块提供不同的供电电压。信号调理模块采用差分接口接收到48路水声信号后，经过信号调理电路，实现对微弱信号的滤波和增强，将经过调理后的信号再以差分的形式传输到数据采集模块。数据采集模块以差分形式接收经过调理后的48路差分信号，ads1278芯片通过微处理器驱动后，对调理后的差分信号进行采样，使连续的模拟信号转换为离散的数字信号，并将离散的数字信号传输到微处理器进一步处理。微处理器模块通过spi协议驱动a/d芯片，设置它的采样频率和通道数，并使其工作在低功耗状态，从而使多片a/d芯片同步进行数据采集，同时驱动数据传输模块，将采样数据存储到sd卡中，并通过以太网实时高速传输。数据传输模块对采集到的数据实时传输和存储，可通过usb2.0接口传输到串口助手上，或通过以太网高速传输，以及将采样数据直接存储到sd卡。