水声信号记录电路设计

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1.设计思路

记录电路是一种以标准卡板结构为主的电路，这种电路一般会被放置于电子组件机器内部，通过接插件和地板进行有效的连接。通过前置放大器的端口接受数据并且输出串行数字流信号，将信号进行串并转换操作后，存入到一个大容量的存储器中，而记录电路在这个过程中作用在于读出记录，并显示到计算机上，或者通过串行接口进行回放输出。记录电路在实际使用的过程中信号速率会达到400kByte/s，同时需要进行FIFO缓冲，并且对多个线路、接口、芯片进行设计，包括：CAN总线、IIC总线、串行数字信号接口以及FLASH芯片。综合考虑记录电路的工作原理以及需要设计的内容，本文选择了FPGA可编程逻辑器件，对水声信号记录电路进行设计。这是因为FPGA可编程逻辑器件的应用较为灵活，很多记录电路都选择其进行设计。在数据存储介质的选择上，选择了FLASH芯片，这种芯片本身的存储密度较高、可靠性也相对较高、同时价格也较为便宜。此外，在记录电路设计中，还要对电源管理电路进行设计，电源管理电路是电路中最为重要的环节，承担着电源自检、上电控制、复位控制等方面的功能。

2.硬件设计

在设计电路的过程中，首先要设计的是电路硬件部分，电路硬件设计也是电路设计工作中至关重要的环节，在这个环节中主要应用的就是FPGA，包括接口电路、存储电路、数据交换等部分。FPGA可编程逻辑器是一种以FPGA嵌入式处理器为核心的电路结构，就是在FPGA芯片中内嵌了MICROBLZE软内核，而这一内核作为独立的微处理器通过被FPGA电路调用来完成不同的电路功能。记录电路的硬件可以分为四个部分，分别为电源管理、EPGA电路、存储器、通信。

2.1电源管理电路

首先是电源管理电路设计，电源管理电路的主要功能是向整个电路板提供电力，此外，还要承担起控制上电顺序和复位管理的责任。电路整体采用的供电模式为+24VDC输入，并且在电路中加入了51系列单片机，以此保证电路可以根据不同的需求对上电顺序进行控制，在实际运行的过程中，+24VDC会通过DC/DC转换为+5VDC，继而直流电源转换的任务就会由+5VDC来完成。电源控制功能则是利用DC/DC开关电源芯片实现，利用单片机控制开关电源芯片上的“SS/ENA”脚，来达到电源控制的目的，单片机选择的是的F206单片机，这种单片机本身的体积相对较小，虽然内部资源不多，但是电源管理的需要完全可以满足，此外，电压检测中的芯片选择的是LM87芯片。复位功能则是通过IIC串行总线，控制LM87检测电路，以此保证检测电路各组电源的供电情况，如果单片机在检测的过程中，温度或者供电出现异常，那么就会对电源进行复位操作。

2.2存储器电路设计

其次是存储器电路设计，在设计存储器电路的过程中选择的存储介质为1G×8bitNANDFlashMemory。考虑到存储容量和存储速度的问题，因此在选择芯片规格的时候，选择了6片的记录最常时间为40分钟Flash芯片，从而保证可以存储数据长达4小时，如果想要延长记录时间，可选择更大容量的Flash芯片。Flash芯片采用了8位复用的地址、7个控制引脚以及数据线完成接口，分别为：R/B、RE、CE、CLE、ALE、WE、WP。而在MICROBLZE软内核的中通过I/O口将FLASH芯片的8位复用的地址、7个控制引脚以及数据引脚连接到一起，并且读取相应的数据记录，其中6片Flash芯片采用并联的方式，而除了片选信号CE之外，其余引脚均为复用。

2.3通信电路设计

通信电路是的记录电路中的核心部分，也可以称为CAN总线设计，作为一种全数字化、双向、多主的现场总线，这种CAN总线设计在汽车制造业也得到了广泛的应用。CAN总线设计通过双线传输的方式，让节点挂在总线上，以此控制数据接收发送。基于这种方式，可以根据实际需要自行增加总线上的节点数，在实际应用中非常方便，此外，在通信电路中包括了SJA1000CAN控制器、驱动芯片PCA82C250。

2.4FPGA电路设计

在设计FPGA电路设计的过程中，选择了XC2VP20FG676芯片，FPGA电路设计中的芯片是整个电路的核心，因为要在芯片上内嵌软内核，以此保证电路的正常使用。此外，FPGA电路中配置芯片选择的是一种大容量的存储芯片，为：XCF08P芯片，根据数据手册的要求，将两个芯片设置完毕，根据实际需求配置电源、晶振、复位芯片和JTAG接口。

3.软件设计

在完成硬件设计后，还要进行软件设计其中软件设计包括两个部分，分别为：单片机软件和FPGA软件。

3.1单片机软件

单片机软件的主要功能在于电源管理，通过单片机软件模拟IIC总线，以此监测电源和FPGA电路的实际情况。如果电源或者FPGA电路出现了不正常的情况，就会对电源芯片进行服务操作，整体软件过程采用的是C语言进行编写，功能也较为简单。

3.2FPGA软件

FPGA软件的核心部分是内嵌微处理器MICROBLZE软内核的设计，同样是采用C语言进行设计，FPGA软件的主要作用是记录和回放串行数字流信号，因此必须要保证FPGA软件可以正确读取存储缓冲区中的数据。FPGA软件中的数据读写功能以页为单位，在读取之前，必须要明确指出读写页地址，然后发送准确的读写命令，每一页为1056个字，需要注意的是，FPGA软件在读写过程中，每页的1056字必须要一次性连读出或者写入（朱明骏,孙现有.基于FPGA的水声信号记录电路设计,舰船电子工程,2018）。

4.应用情况

经过软硬件设计后，就可以将记录电路投入到实际应用中，为了验证本文为设计出来的水声信号记录电路情况，本文将设计出来的记录电路应用于某水下航行器上，并且展开具体的实验分析，观察试验数据判断该电路的实际应用效果。在九分钟的水声信号图形中可以看出，在两次放大中都可以得到十分清晰数据记录。可见本文设计出来的电路抗干扰性较强，漂移失真较小，得到的结果可以满足水声信号实时准确采集要求，且应用效能较好。

总结：

综上所述，本文基于FPGA提出了一种全新的水声信号记录电路设计思路和设计方案，经过实际的研究分析，通过具体的实验验证了本文设计出来的电路可以高效准确的完成水声信号的记录工作，还可以保证拥有稳定的工作状态。重点针对电路中的复位、滤波、接收机等模块进行研究设计，而实验结果也证明，本文设计出来记录设备具有着较高的应用价值，并且可以取代传统的模拟记录设备，满足新时期水声信号的记录需求。

作者：应海龙 单位：中国船舶重工集团公司第七一五研究所