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船舶数据采集系统设计研究

摘要:设计多通道的船舶数据采集系统,提高船舶数据的实时采集和信息处理能力,提出基于DSP技术的船舶数据采集系统设计方案。数据采集系统采用声呐传感器进行船舶的声信息、振动数据以及混响数据采集,采用TMS320C50DSP芯片作为船舶数据采集系统的核心处理芯片,数据采集系统包括传感器模块、滤波模块、信号检波模块以及PCI总线传输模块,在集成开发环境下进行船舶数据采集系统的硬件模块化设计。最后进行系统测试,本文设计的数据采集系统的增益放大倍数为12dB,数据采集的时钟频率为33MHz,总线传输速率可达到264MB/s,性能指标表现优越。

关键词:DSP;高速信号处理;船舶数据采集;系统设计

船舶数据采集是通过传感器等敏感元件对船舶的环境信息、自身信息以及海洋周边信息进行采集和信息处理的集成系统,船舶数据采集系统采集的船舶数据主要包括船舶的振动噪声数据、机械数据、电机数据、海洋混响数据以及目标声呐数据等,通过对船舶数据进行准确实时采集,实现对船舶的运行工况和运行状态监测,提高船舶的稳定运行能力。同时,进行船舶数据的优化采集,在船舶目标识别、水下探测识别、船舶故障诊断以及船舶工况评估等领域具有很好的应用价值[1]。随着高速信号处理芯片的运用和发展,采用集成的DSP芯片进行船舶数据采集系统设计具有可行性,DSP是专门用于信号处理的微处理器,通过敏感传感器进行船舶数据的原始信息采样,对采样的船舶数据进行自适应滤波和信息融合处理,利用DSP芯片进行系统设计,实现船舶采集数据的信号分析和滤波检测,提高船舶数据的集成分析和处理能力[2],本文提出基于DSP技术的船舶数据采集系统设计方案,采用TMS320C50DSP芯片作为船舶数据采集系统的核心处理芯片,数据采集系统包括传感器模块、滤波模块、信号检波模块以及PCI总线传输模块,首先进行系统的硬件总体设计构架,然后进行船舶数据采集系统的功能模块化设计,最后进行实验分析,展示了本文方法在提高船舶数据采集能力方面的优越性。

1系统总体设计构架

1.1系统设计指标及器件选择。本文设计的船舶数据采集系统能实现船舶回波检测、水声测量和信号滤波检测功能,采集的船舶数据主要包括船舶的噪声信息、振动数据以及混响数据,系统具有信号检波滤波和频谱分析功能,在船舶数据采集系统设计中,数据采集与信号处理系统设计是船舶数据采集系统的核心,在DSP中对接收的船舶数据进行FFT处理,分析船舶数据的频谱信息,在原始数据采集中,采用水声换能器基阵组成船舶传感器网络,传感器基阵采用均匀线列阵布置,传感器分为振动传感器、声传感器和压电磁场传感器,船舶数据采集系统采用前向和后向双通道数据采集模式设计,最后通过PCI集成总线进行多通道数据传输和物理信息转换,提高船舶数据的集成处理能力[3]。1.2系统总体设计构架及功能模块组成。本文设计的船舶数据采集系统分为3个主要模块,分别为传感器控制模块、数据处理模块、船舶数据是输出模块,根据上述技术指标和功能结构分析,得到本文设计的船舶数据采集系统的总体结构和模块组成如图1所示。根据上述总体设计构架,得出本文设计的船舶数据采集系统的功能模块主要包括传感器模块、滤波模块、信号检波模块以及PCI总线传输模块[4]。根据上述功能分析,得到本文设计的船舶数据采集系统的功能模块组成如图2所示。

2系统硬件模块化开发设计

本文设计的基于DSP技术的船舶数据采集系统以TMS320C50DSP芯片作为船舶数据采集系统的核心处理芯片[5],在集成开发环境下进行船舶数据采集系统的硬件模块化设计,其中DSP信号处理器对船舶传感数据进行合理采样,设定合理的采样率,本文设计的船舶数据采集系统的硬件模块主要包括传感器模块、滤波模块、信号检波模块以及PCI总线传输模块,对各个功能模块组件的硬件设计具体描述如下:1)传感器模块。传感器模块采用传感器基阵接收船舶及周围环境产生的噪声信号和振动信号,并通过信号处理器进行检测和频谱分析,通过PCI总线将采集的传感器信息输入到信号检波器中进行包络放大和数据滤波处理,传感器的输出电压信号在0~4.55V之间,宽带阻抗匹配滤波增益为12dB,数据采集基阵的传送率可达132MB/s,系统的数据传输速率通过ISA,EISA及MCA总线实现自适应控制,传感器模块的PCI9054LOCAL总线支持主模式(DirectMaster)和从模式(DirectSlave)的2种数据采集协议。2)滤波模块。滤波模块是船舶数据采集的噪声滤波功能,由Mux101多路ADSP21160处理器对船舶数据采集系统的滤波电路进行单周期控制,采用自适应均衡处理方法进行船舶数据输出通道的自适应均衡处理,考虑到输入信号的倍频特征,在滤波器的末端加入阻抗电容进行信号增益控制,使用一个5阶开关电容低通滤波器进行级联滤波,用DSP控制PPI_CLK周期,降低电路之间的相互干扰。4)信号检波模块。信号检波模块采用通用PPI模式进行船舶数据采集后的信号检波和增益放大处理,采用DSP作为信号处理器进行集成信号处理,采用并行外设接口(PPI)进行交流耦合处理,实现信号检波和时序逻辑控制,信号检波模块的电路设计如图3所示。5)PCI总线传输模块。PCI总线传输模块利用PCI建立船舶数据采集系统的桥接芯片,在每个功能模块中进行多通道的船舶数采集,船舶数据采样的总线时钟由CLKBUF给出,采用CAN总线驱动器实现1.15~5.5V电平的自由转换,得到船舶数据采集系统的总线传输模块电路设计如图4所示。根据上述设计,在PCB中进行船舶数据采集系统的集成开发设计。

3仿真实验与结果分析

为了测试本文方法在实现船舶数据采集系统实现船舶数据优化采集的性能,进行仿真实验,对船舶数据采集的实验平台建立在VisualDSP++开发环境基础上,数据采集的初始采样频率设定为200kHz,采样时间间隔为12ms,船舶数据采样时长为1024,数据采样转换脉冲频谱增益为24dB,得到数据采集输出如图5所示,分析可知,采用本文方法进行船舶数据采集,接收信号具有较高的频谱增益,输出信噪比较高,测试结果表明,本文方法进行数据采集增益放大倍数为12dB,数据采集的时钟频率为33MHz,总线传输速率可达到264MB/s,具有卓越的指标性能表现。

4结 语

通过对船舶数据进行准确实时采集,实现对船舶的运行工况和运行状态监测,提高船舶的稳定运行能力。本文提出基于DSP技术的船舶数据采集系统设计方案,采用TMS320C50DSP芯片作为船舶数据采集系统的核心处理芯片,数据采集系统包括传感器模块、滤波模块、信号检波模块以及PCI总线传输模块。对船舶数据采集系统进行硬件设计,研究表明,本文设计的数据采集系统能准确采集船舶数据,输出信噪比较高,抗干扰能力较强。

作者:李欣 单位:南充职业技术学院

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