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CN114578330A - 一种声纳控制电路 - Google Patents

一种声纳控制电路 Download PDF

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CN114578330A
CN114578330A CN202111446138.0A CN202111446138A CN114578330A CN 114578330 A CN114578330 A CN 114578330A CN 202111446138 A CN202111446138 A CN 202111446138A CN 114578330 A CN114578330 A CN 114578330A
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杨凯强
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Haiying Enterprise Group Co Ltd
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Abstract

本发明涉及水声信号控制技术领域，具体涉及一种声纳控制电路；包括：DSP最小系统：主要功能是实现复杂样本发射信号生成、PWM生成、复杂信号处理；MCU最小系统：主要功能是实现数据通信、采集、记录；FPGA最小系统：主要功能实现多通道数据采集、控制；外设接口：提供所有数据的采集、传输、记录；供电模块：为整个声纳控制电路提供稳定可靠的电源；DSP最小系统与MCU最小系统之间通过SPI总线方式通信，MCU最小系统与FPGA最小系统之间通过FMC并行总线方式实现数据传输，DSP最小系统与FPGA最小系统之间通过EMIF并行总线方式实现数据通信。可依据默认设置的信号样本或者通过网络接口、CAN总线接口、RS422总线接口接收显控台的命令，对命令进行解析后生成发射信号源。

Description

一种声纳控制电路
技术领域
本发明涉及水声信号控制技术领域，具体涉及一种声纳控制电路。
背景技术
传统技术的基本情况：水下通信、探测、目标识别当前最有效的方式还是通过声纳来完成，当前声纳可以装载在不同的应用平台上，包括UUV、AUV、USV、船舶、蛙人、水下机器人等。一个完整的声纳系统主要包括发射、接收、控制这三个部分。传统的声纳控制电路主要是依靠单片机来实现，主要是通过数据采集、串口通信、信号源PWM等功能来实现声纳的发射、接收及控制等功能。
传统的声纳控制电路主要存在以下几个方面的缺点：
1）通信接口单一、数量少：传统声纳控制电路主要是依靠串口来实现通信，传输的数据包括声纳系统的方位角、俯仰角、横滚角、压力、温湿度信息等，串口通信存在着通信速率低、传输距离近及可靠性差等缺点。
2）处理性能低、实时响应差：传统的声纳控制电路主要是通过单片机作为处理器，单片机的工作主频通常不超过200MHz，而且不能够进行多任务模式。只能进行简单的数据采集及控制工作，不具备对复杂信号处理及发生声波样本点的计算等功能。
3）不具备日志及关键数据记录功能：传统的声纳控制电路对控制、处理生成的信息都是通过通信接口实时上传，不能够对控制及监测数据进行采集，对重要控制状态信息难以复现和分析。
4）采集监测通道数据少：传统的声纳控制电路采集、控制通道仅有几十个通道，当前声纳系统越来越复杂，声纳控制系统需要控制、采集、处理、监测的通道数据量会越来越多，现在的通道控制能力不足以支撑当前声纳系统。
本发明要解决的技术问题主要是有以下几个方面：
1）解决通信接口单一、通信速率低、适配性差的问题。
2）解决信号处理能力弱、无法进行复杂信号处理及控制的问题。
3）解决日志、关键数据无法记录的问题。
4）解决检测、控制通道少、控制能力弱的问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种声纳控制电路，可依据默认设置的信号样本或者通过网络接口、CAN总线接口、RS422总线接口接收显控台的命令，对命令进行解析后生成发射信号源。此外也能够对接收到的回波信号进行处理，实现信号的放大、滤波、动态增益控制、模数转换及信号处理等功能，此外还可以对其他传感器的信号进行采集和控制，该信号处理模块具有体积小、功耗低、接口丰富等特点，能够应用在不同领域的水声控制电路中。
本发明通过以下技术方案予以实现：
一种声纳控制电路，包括：
DSP最小系统：主要功能是实现复杂样本发射信号生成、PWM生成、复杂信号处理；
MCU最小系统：主要功能是实现数据通信、采集、记录；
FPGA最小系统：主要功能实现多通道数据采集、控制；
外设接口：提供所有数据的采集、传输、记录；
供电模块：为整个声纳控制电路提供稳定可靠的电源。
优选的，所述DSP最小系统与所述MCU最小系统之间通过SPI总线方式通信，所述MCU最小系统与所述FPGA最小系统之间通过FMC并行总线方式实现数据传输，所述DSP最小系统与所述FPGA最小系统之间通过EMIF并行总线方式实现数据通信。
优选的，所述DSP最小系统包括：DSP模块、时钟模块、下载模块以及复位模块。
优选的，所述DSP模块：采用TMS320C28335控制芯片，支持浮点计算、处理；
所述时钟模块：为DSP最小系统提供系统输入时钟，通过内部的锁相环后为系统提供稳定时钟信号
所述下载模块：采用标准的JTAG接口实现程序的下载与调试；
所述复位模块：主要通过按键实现DSP最小系统的软复位，避免系统软件出现跑飞的情况。
优选的，所述MCU最小系统包括：MCU模块、时钟模块、下载模块、RTC存储模块以及复位模块。
优选的，所述MCU模块：选用STM32H753芯片，支持多种控制、通信接口以及图像数据处理功能；
所述时钟模块：为MCU模块提供稳定的时钟源，主要包括工作时钟16MHz以及RTC时钟32.768KHz；
所述RTC存储模块：提供精准的时间、日历功能，为日志、数据记录提供时间信息；
所述复位模块：为MCU最小系统提供软复位功能，当程序出现跑飞时可以通过复位模块重新复位。
优选的，所述FPGA最小系统包括：FPGA模块、时钟模块、下载模块以及FLASH模块。
优选的，所述FPGA模块：采用XC7A100TCSG324I芯片，该款芯片具有乘法器丰富、支持高速通信，适合在低功耗领域中使用；
所述下载模块：为FPGA模块提供标准的JTAG下载接口，通过该接口能够实现FPGA模块程序的烧写与调试；
所述时钟模块：为FPGA模块提供稳定的时钟源，经过FPGA模块内部的时钟IP核后，为FPGA模块提供不同类别的时钟源；
所述FLASH模块：为FPGA模块的配置存储模块，FPGA最小系统启动后，由FLASH模块将配置数据流启动到FPGA模块中实现程序启动。
优选的，所述外设接口包括模拟量采集接口、USB通信接口、RS422通信接口、以太网接口、模拟量输出接口、离散量输入/输出接口、RS485通信接口以及CAN总线接口；其中所述外设接口与处理器模块通信相连，所述处理器模块由MCU模块、FPGA模块以及DSP模块共同构成。
优选的，所述供电模块中的供电电源为5V，通过LDO电源芯片TPS74401实现3.3V、2.5V、1.8V、1V电源电压的转换。
本发明的有益效果为：
1）通信接口丰富，能够便于搭载多种应用平台：本发明的声纳控制电路在通信接口上支持USB接口、以太网接口、CAN总线接口、RS422总线接口、RS485总线接口以及GPIO等，能够依据平台需求选用合适通信接口来和后端进行通信。
2）处理性能强、实时响应快：本发明在处理器架构上选用DSP、FPGA、MCU互联方式构成声纳控制系统的核心处理部分，其中DSP选用的TI公司的C2000系列DSP，能够进行PWM生成、复杂信号处理处理，FPGA选用Xilinx公司的7系列FPGA利用其并行计算、实时性好的优点来实现多通道数据实时采集及数据预处理等，MCU选用ST公司最新的H7系列MCU，该MCU主频高达400MHz，支持实时操作系统运行做多任务处理。
3）支持日志及关键数据记录功能：该控制电路支持实时操作系统运行，支持SD卡数据记录、RTC实时时钟等功能，能够将关键数据以及操作日志进行记录、存储。
4）支持多通道数据采集、控制，利用FPGA的I/O口众多优点，能够实现多通道实时控制。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的声纳控制电路功能框图；
图2是本发明中DSP最小系统原理框图；
图3是本发明中DSP芯片原理图；
图4是本发明中MCU最小系统原理框图；
图5是本发明中MCU芯片原理图；
图6是本发明中FPGA最小系统功能框图；
图7是本发明中FPGA芯片原理图；
图8是本发明中外设接口功能框图；
图9是本发明中供电模块功能框图；
图10是本发明中TPS74401芯片电源模块原理图。
图中：1-DSP最小系统、2-MCU最小系统、3-FPGA最小系统、4-外设接口、5-供电模块。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：
请参阅图1~10所示，本实施例具体公开提供了一种声纳控制电路的技术方案，包括：
DSP最小系统1：主要功能是实现复杂样本发射信号生成、PWM生成、复杂信号处理；
MCU最小系统2：主要功能是实现数据通信、采集、记录；
FPGA最小系统3：主要功能实现多通道数据采集、控制；
外设接口4：提供所有数据的采集、传输、记录；
供电模块5：为整个声纳控制电路提供稳定可靠的电源。
DSP最小系统1如图2所示：所述DSP最小系统1与所述MCU最小系统2之间通过SPI总线方式通信，所述MCU最小系统2与所述FPGA最小系统3之间通过FMC并行总线方式实现数据传输，所述DSP最小系统1与所述FPGA最小系统3之间通过EMIF并行总线方式实现数据通信。
具体的，所述DSP最小系统1包括：DSP模块、时钟模块、下载模块以及复位模块。
具体的，所述DSP模块：采用采用的是TI公司的TMS320C28335这款专用信号控制芯片，支持浮点计算、处理；DSP芯片原理图如图3所示。
所述时钟模块：为DSP最小系统1提供系统输入时钟，通过内部的锁相环后为系统提供稳定时钟信号
所述下载模块：采用标准的JTAG接口实现程序的下载与调试；
所述复位模块：主要通过按键实现DSP最小系统1的软复位，避免系统软件出现跑飞的情况。
MCU最小系统2如图4所示：所述MCU最小系统2包括：MCU模块、时钟模块、下载模块、RTC存储模块以及复位模块。
具体的，所述MCU模块：选用ST公司的最新、高性能的STM32H753芯片，它主频最高可达400MHz，支持多种控制、通信接口以及图像数据处理功能；MCU芯片原理图如图5所示。
所述时钟模块：为MCU模块提供稳定的时钟源，主要包括工作时钟16MHz以及RTC时钟32.768KHz；
所述RTC存储模块：提供精准的时间、日历功能，为日志、数据记录提供时间信息；
所述复位模块：为MCU最小系统2提供软复位功能，当程序出现跑飞时可以通过复位模块重新复位。
FPGA最小系统3如图6所示：所述FPGA最小系统3包括：FPGA模块、时钟模块、下载模块以及FLASH模块。
具体的，所述FPGA模块：采用FPGA芯片为Xilinx公司的7系列FPGA芯片XC7A100TCSG324I这款芯片，该款芯片具有乘法器丰富、支持高速通信，适合在低功耗领域中使用；FPGA模块原理图如图7所示。
所述下载模块：为FPGA模块提供标准的JTAG下载接口，通过该接口能够实现FPGA模块程序的烧写与调试；
所述时钟模块：为FPGA模块提供稳定的时钟源，经过FPGA模块内部的时钟IP核后，为FPGA模块提供不同类别的时钟源；
所述FLASH模块：为FPGA模块的配置存储模块，FPGA最小系统3启动后，由FLASH模块将配置数据流启动到FPGA模块中实现程序启动。
外设接口4的功能框图如图8所示：所述外设接口4包括模拟量采集接口、USB通信接口、RS422通信接口、以太网接口、模拟量输出接口、离散量输入/输出接口、RS485通信接口以及CAN总线接口；其中所述外设接口4与处理器模块通信相连，所述处理器模块由MCU模块、FPGA模块以及DSP模块共同构成。
模拟量采集接口：是能够对±5V内的模拟信号进行模数采集，本设计中采样率最高支持256kbps。
USB通信接口：支持OTG模式、HOST模式，采用Mini-USB通信接口实现与外部设备之间的数据通信。
RS422通信接口：选用ADM3076ARZ串口驱动芯片实现RS422串口通信。
以太网接口：PHY芯片选用的是LAN8742A-CZ-TR这款芯片，支持10M/100Mbps通信速率。
CAN总线接口：选用SN65HVD235DR这款CAN总线驱动芯片，最高支持1Mbps传输速率。
RS485通信接口：选用ADM3078ARZ这款485串口通信驱动芯片，最高支持10Mbps通信速率。
离散量输入/输出接口：通过光耦隔离，实现宽范围输出、输出，最高输入电压为24V，离散量输入/输出接口最高支持100通道。
模拟量输出接口：实现10路4-20ma驱动电流输出、10路0—5V电压输出。
供电模块5功能框图如图9所示：供电模块5为声纳控制电路提供所需要的供电电源，所述供电模块5中的供电电源为5V，通过LDO电源芯片TPS74401实现3.3V、2.5V、1.8V、1V电源电压的转换。TPS74401电源模块的电路图如图10所示。
本发明实施例可用于水声领域中声纳相关控制电路，可依据默认设置的信号样本或者通过网络接口、CAN总线接口、RS422总线接口接收显控台的命令，对命令进行解析后生成发射信号源。此外也能够对接收到的回波信号进行处理，实现信号的放大、滤波、动态增益控制、模数转换及信号处理等功能，此外还可以对其他传感器的信号进行采集和控制，该信号处理模块具有体积小、功耗低、接口丰富等特点，能够应用在不同领域的水声控制电路中。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种声纳控制电路，其特征在于：包括：
DSP最小系统：主要功能是实现复杂样本发射信号生成、PWM生成、复杂信号处理；
MCU最小系统：主要功能是实现数据通信、采集、记录；
FPGA最小系统：主要功能实现多通道数据采集、控制；
外设接口：提供所有数据的采集、传输、记录；
供电模块：为整个声纳控制电路提供稳定可靠的电源。
2.根据权利要求1所述的一种声纳控制电路，其特征在于：所述DSP最小系统与所述MCU最小系统之间通过SPI总线方式通信，所述MCU最小系统与所述FPGA最小系统之间通过FMC并行总线方式实现数据传输，所述DSP最小系统与所述FPGA最小系统之间通过EMIF并行总线方式实现数据通信。
3.根据权利要求1所述的一种声纳控制电路，其特征在于：所述DSP最小系统包括：DSP模块、时钟模块、下载模块以及复位模块。
4.根据权利要求3所述的一种声纳控制电路，其特征在于：
所述DSP模块：采用TMS320C28335控制芯片，支持浮点计算、处理；
所述时钟模块：为DSP最小系统提供系统输入时钟，通过内部的锁相环后为系统提供稳定时钟信号
所述下载模块：采用标准的JTAG接口实现程序的下载与调试；
所述复位模块：主要通过按键实现DSP最小系统的软复位，避免系统软件出现跑飞的情况。
5.根据权利要求1所述的一种声纳控制电路，其特征在于：所述MCU最小系统包括：MCU模块、时钟模块、下载模块、RTC存储模块以及复位模块。
6.根据权利要求5所述的一种声纳控制电路，其特征在于：
所述MCU模块：选用STM32H753芯片，支持多种控制、通信接口以及图像数据处理功能；
所述时钟模块：为MCU模块提供稳定的时钟源，主要包括工作时钟16MHz以及RTC时钟32.768KHz；
所述RTC存储模块：提供精准的时间、日历功能，为日志、数据记录提供时间信息；
所述复位模块：为MCU最小系统提供软复位功能，当程序出现跑飞时可以通过复位模块重新复位。
7.根据权利要求1所述的一种声纳控制电路，其特征在于：所述FPGA最小系统包括：FPGA模块、时钟模块、下载模块以及FLASH模块。
8.根据权利要求7所述的一种声纳控制电路，其特征在于：
所述FPGA模块：采用XC7A100TCSG324I芯片，该款芯片具有乘法器丰富、支持高速通信，适合在低功耗领域中使用；
所述下载模块：为FPGA模块提供标准的JTAG下载接口，通过该接口能够实现FPGA模块程序的烧写与调试；
所述时钟模块：为FPGA模块提供稳定的时钟源，经过FPGA模块内部的时钟IP核后，为FPGA模块提供不同类别的时钟源；
所述FLASH模块：为FPGA模块的配置存储模块，FPGA最小系统启动后，由FLASH模块将配置数据流启动到FPGA模块中实现程序启动。
9.根据权利要求1所述的一种声纳控制电路，其特征在于：所述外设接口包括模拟量采集接口、USB通信接口、RS422通信接口、以太网接口、模拟量输出接口、离散量输入/输出接口、RS485通信接口以及CAN总线接口；其中所述外设接口与处理器模块通信相连，所述处理器模块由MCU模块、FPGA模块以及DSP模块共同构成。
10.根据权利要求1所述的一种声纳控制电路，其特征在于：所述供电模块中的供电电源为5V，通过LDO电源芯片TPS74401实现3.3V、2.5V、1.8V、1V电源电压的转换。
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