Underwater Acoustic EngineerinG 水 声 工 程 文章编号 ：1002-8684（2010）09-0057-04 主动声呐接收信号数据采集和处理系统设计 系统设计 · · （1. 华南理工大学 电力学院 广东 广州 ， 510640； 2. 华南理工大学 电子与信息学院 广东 广州 ， 510640） 杜芸强 1， 毕淑娥 2 摘 要 介绍了一种基于 】 【 详细阐述了方案硬件系统平台的设计及具体构成 TM320VC5402 和 STC12C5A32S2 的小功率主动声 呐 接 收信 号 的 处理 系 统 设计 方 案 并 ， 同时也对采集后声呐信号的后续处理做了简要介绍 该数据采 。 ， 集与处理系统具有一定的通用性和可扩展性 具有一定的工程应用价值 ， 。 关键词 】 数据采集 高速 ； A/D； 串口通信 ； DSP 中图分类号 】 TB56 文献标识码 【 】 A 【 【 Design of Active Sonar Receiving Signal Data Acquisition and Processing System DU Yunqiang1， BI Shue2 （1. School of Electric Power， South China University of Technology， Guangzhou 510640， China； 2. School of Electronic and Information Engineering， South China University of Technology， Guangzhou 510640， China） 【Abstract】 A design for low - power active sonar receiving signal of data acquisition and processing system based on TM320VC5402 and STC12C5A32S2 is introduced . The details of the program design ， the specific composition of the hardware platform， and the collection of follow-up after the sonar signal processing are briefly described. The data acquisition and processing system has versatility and scalability ， and also has a certain value on engineering . 【Key words】 data acquisition； high-speed A/D； serial communication； DSP 引言 1 、 、 ， 定位 声呐是目前用来进行水下观测 它在海洋开发中的应用日益广泛 识别和通 而声 很大程度上取决于声呐信号处理 声呐信号处理技术通常要求处理的频带尽可能 以便得到更宽的频率搜 动态范围要尽可能得大 ， 获取更多 的信息量 这就要求 转换速度 信的主要设备 呐工作状态的优劣 技术 得宽 索范围 快 A/D ， ， ， 。 。 、 ， 采样精度高 笔者设计了一种基于 的数据采集和处理系统 以便满足系统处理的要求 。 和 TMS320C5402 其中 、 位高速 8 通道 32S2 成了 现高速的数据采集 采样部分 10 。 ， 速度可达 ADC， 系统主要包括 STC12C5A32S2 STC12C5A 集 可实 次 300 k 个部分 /s， 高速 ： 3 AD 数据传输 部 分 以 及 数据传输与存 、 、STC12C5A32S2 DSP 电路部分 分别完成模拟数字转换 DSP 储以及信号处理算法的实现 ， 与 。 系统硬件设计 2 本文设计的基于 DSP 的小功率主动声呐接收信 ， ， 1 所示 小功率主动声 经压电效应转换成电信号送 号处理系统硬件原理框图如图 呐传感器接收到超声波 入 模 拟 信 号 预 处 理 电 路 进行 预 处 理 集成了模数转换功能 数转换后的数字信号通过该单片机的串口送入 然后在 过 DSP 接口上报或输出 中进行相应的算法处理 ；STC12C5A32S2 模拟信号预处理后的信号经模 DSP， 处理后结果可通 ， ， HPI 。 小功率主动声呐 接收信号 模拟信号预处理 STC12C5A32S2 ADC DSP 图 1 小功率主动声呐接收信号采集与处理 系统原理框图 小功率主动声呐接收电路和 模 拟 信 号 预 处理 电 2.1 所示[1]。 路的设计 小功率主动声呐接收电路和模拟信号预处理电路 主动声呐传感器接收到发射 经压电效应将其接收到的超声 此时接收声呐传感器输出电压为毫 经差分放大电路 在远距离测量中接收到的信号能量仍 的原理图如图 声呐发射出的超声波 波转化成电信号 伏级或微伏级并且夹杂着环境噪声 和滤波电路后 2~3 ， ， 。 ， 年 第 卷 第 期 09 34 2010 輩輵讂 

水 声 工 程 Underwater Acoustic Engineering 需要对其进行二次放大后连接到 转换 A/D 然比较弱 ， 器的输入口 。 -12 V 1 1 3 2 ＋ － +12 V 主动 声呐 发射 C1 100 n 100 n R1 510 R7 5 k 2.5 k R6 +12 V 741 U3 6 3 2 7 ＋ － R8 21 k 4 51 -12 V R9 15 k 1 n C2 C3 1 n C4 1 n U5∶A 1 LM324 2 k R5 10 k R3 R4 4 － ＋ 1 1 9 10 R′ 4 2 k U5∶C 8 LM324 R10 6.1 k 7 +12 V C′ 5 1 n R′ 5 10 k R11 4.6 k 3 2 ＋ － U4 6 741 415 Uo1 9.3 k -12 V 9.3 k R2 10 k 100 k 100 k 510 R′ 1 C′ 1 100 n R′ 3 U5∶B 7 LM324 6 5 4 － ＋ 1 1 图 2 R12 接收电路的差分放大电路和滤波电路图 R13 +12 V C7 0.1 μ Uo1 C6 47 μ C8 22 μ 5 LM386 6 1 8 3 2 ＋ － 4 7 10 k RP Uo2 R14 10 C9 47 μ 10 n C10 图 3 接收电路的功率放大电路图 （1） 差分放大电路 用其中的 ， 所示 电路如图 本设计使用 只运放接成了差分输入的信号放 在 增益大且可调 2 。 ， 3 该接法的优点是输入阻抗高 LM324， 大器 ， 较大的增益范围内能保持线性特征[2]。 ， 模拟滤波电路 电路如图 所示 ， 2 （2） 搭建一个压控电压源二阶带通滤波器 uA741 ， 阶低通滤波器和二阶高通滤波器串联而成 [3]。 。 本设计使用 它由二 （3） 二次放大电路 电路如图 输入可达毫伏 级 ， 所示 本设计使用 。 3 电 压 放 大 倍 数 应用于小功率主动声呐接收电路 、 20～ 电路简 ， LM386， LM386 200。 LM386 单噪声影响小 。 单片机电路的设计及功能 2.2 单片机 单片机 高速 10 率可达 STC12C5A32S2 单片机是单时钟 机器周期 / ， 、 低功耗 是高速度 指令代码完全兼容传统 ， 位高精度和去毛刺功能 、 超强抗干扰的新一代 内部集成 8051， 250 k 次 /s， A/D 工作频率最高可达 转换器 ， 35 MHz。 （1T） 8 8051 路 转换速 当 ADC 小 的参考电压为 时 ， 5 V 其转换精度为 功率主动测距声呐中心频率约为 采 样频率的要求 。 ：5 2 10=4.9 mV。 满足本 文 40 kHz， 户可通过软件设置将 笔者设置 了 几 个 以 P1.2 A/D 路中的任何一路设置为 8 转换通道 为 转 换 相 关 的 特 殊 功 能 寄 存 器 同时 A/D 。 寄存器中的相应位置为 P1ASF 置为模拟功能 过软件设置可以选择模拟输入通道 数模转换 转换结果寄存器 转换控制寄存器 。 A/D “1”， 、 。 A/D ： ， A/D。 该单片机新增 先 将 就可将相应的口设 通 ADC_CONTR， 转换速度和启动 通过设置 ADC_RES， 。 。 位可以调整转换结果寄存器中的数据格式 ADRJ 2.2.2 数据传输 经过 A/D 延长线传送给 转换后的数据 经串口通过 串口 RS232 ， TM320VC5402。 2.3 DSP 电路的设计 TMS320VC5402 （ 以 下 简 称 是 定 点 VC5402） DSP， 个高速 全双工 多通道缓存串行口 2 （McBSP）。 是在标准串行接口的基础 之 上 对 功 能 进 行 扩 、 、 因此它具有与标准串行接口相同的基本功能 提供了 McBSP 展 ， 、 VC5402 具有高性能 且可以用于卷积运算 率主动声呐接收信号处理系统高速数据处理能力 设计选择 为系统的信号处理芯片 低功耗和低价格等特性 滤波运算等 并 为了满足小功 本 、FFT、 ， ， 。 VC5402 本设计将 串口通信的连线示意图如图 STC12C5A32S2 ， 和 相结合将串口接收到的数据存储到数据缓存 器 McBSP 。 DSP DSP 的 4 和 所示 。 通过串口 相 连 DMA 中 。 DSP 输出的帧同步信号和时钟由其内部产生 [4]。 RXD STC12C5A32S2 TXD 图 4 单片机与 DSP 系统软件设计 FSX CLX DX TM320VC5402 FSR CLR DR 的连接框图 数据采集和数据存储传输 小功率主动声呐接收到的信号经模拟接收电路预 转 换 口 处理后直接送到 经 采 样 后 通 过 该 单 片 机 串 口 将 数 据 传 输 给 STC12C5A32S2 单片机 A/D ， DSP。 STC12C5A32S2 开始 初始化串口 开 ADC 电源 图 主程序流程图如图 所示 。 5 设置 为模拟 P1.2 功能口 测量电压并取 转换结果 A/D 设置 为 转换通道 P1.2 A/D 发送结果到 DSP 5 STC12C5A32S2 主程序流程图 3 3．1 的 转换 2.2.1 A/D 该 带 A/D 转 换 的 单 片 机 的 上电复位后 A/D 口为弱上拉型 转 换 口 在 口 I/O 3.1.1 P1 用 ， 单片机信号采集 串口初始化 首先 ： 禁止串口中断 ， 然后 ； 设置 ， T1 为波 （P1.7~P1.0）， P1 輩輶讂 年 第 卷 第 期 09 34 2010 

特殊功能寄存 ADC_Channel_2_Result=q>>6； Channel _2 _Result； 特率发生器和串口控制寄存器 晶振 为 57 600 bit/s 波特 率 、 0FFH。 在 SCON。 22.118 4 MHz 定时器装载初 值 的条件下 ， void initiate_RS232（void）// 串口初始化 { ES = 0；// 禁止串口中断 SCON = 0x50；// 0101，0000 8 T1CON = 0x20；// 0010，0000， 位数据位 ， 无奇偶校验 由 T1 作为波特率发生器 时钟 22.1184MHz，57600 波特率 TH1 = 0xFF；// TL1 = 0xFF； ES = 1；// 允许串口中断 } 开 电 源 ADC 关断 电源 前 一 定 要 确 定 ADC ，1 AD 电源可降低功耗 需适当延时 ， AD 源 ， 转换 。 设置 电 源 控 制 位 转换器电源 ：ADC 打开 A/D 电 源 已 打 开 ，AD 初次打开内部 。 A/D 等内部模拟电源稳定后 。 AD 启动 ADC_POWER，0 转换 转 换 结 束 后 关 闭 转换模拟电 再启动 A/D ， P1.2 置 为模拟功能口 将 ： P1ASF “1”，P1.2 作为 A/D 口设置为模拟功能 转换通道 将 。 ： A/D ADC_CONTR 转换通道 得到 “1”，P1.2 转换结果程序如下 中相应位置 转换控制特 口设 器中 P12ASF 设置 P1.2 殊功能寄存器 置为 A/D ： 。 A/D 转换 void Get_AD_Result（） //AD { unsigned i=“1”； ADC_CONTR=ADC_CONTR|0x08；// 启动 转换 AD 00001000B do{；} while （（ADC_CONTR&0x10）==0）；// 判 断 AD 转 换 是 否 完 成 00010000B ADC_CONTR=ADC_CONTR&0xE7；// START 停止 位 , A/D 转换 清 0 ADC_FLAG， ADC_ ADC_Channel_2_Result=ADC_RES；// ADC_Channel_22_Result=ADC_RESL；// 保存 AD 保 存 转换结果高 位 8 转 换 结 果 低 AD 位 2 } 3.1.2 数据传输 单片机发送 执行一条写入 ：CPU 数据由 输出 ， TXD SBUF 的指令后 ， 发送完一帧信 便启动串行口发送 息时 发送中断标志置 ， ， 1。 void Send_Byte（INT8U one_byte）// 发送一个字节 { TI = 0；// 清零串口发送中断标志 SBUF = one_byte； Underwater Acoustic EngineerinG 水 声 工 程 while （TI == 0）； 清零串口发送中断标志 TI = 0；// } 接收 单片机 DSP ： A/D 转换后的结果是 寄存器中 10 位的 ， 并且单 ADC_RES，ADC_RESL 分别存放在 片 机 以 字 节 的 方式 通 过 串 口 将 转 换 后 的 数 据 传 来 在 转换后的数据重 新 组 合 成 含 转 换 结 果 制形式 接收到数据并对数据进行处理前 需要对 位 的 DSP 10 16 ， ， 。 A/D 进 。 void Deal_AD_Result（） //10 位高 8 位与低 2 位结果调整 { unsigned char q； unsigned int P； q=ADC_Channel_2_Result；//10 位高 与低 8 2 存储调整 ADC_Channel_2_Result = ADC_Channel_2_Result<<2； ADC_Channel_22_Result = ADC_Channel_22_Result&0x 03 ； ADC_Channel_22_Result = ADC_Channel_22_Result | ADC _ P = ADC_Channel_2_Result*256 + ADC_Channel_22_ 、 Result； } 充分利用 ， 使 的能力 DSP 理时间 节约了 作 流 程 图 如 图 6 为 ， DSP DMA 选 择 所 示 。 DSP 的资源 多功能串行接口和 搬移数据 DSP 在处理串口通信时不会占用太多的处 串口接收数据的工 的 接 收 寄 存 器 并 选 择 源 的目的地址是 选择 从而实现 。 传送数 据的源地址 目的地址在访问后自动加 接收事件 。 DMA2 McBSP1 1。 ， ， McBSP1 ， DMA2 DRR11（41H） 地址工作在访问后不调整方式 输入缓冲区首地址 DMA2 了 DMA 通道同步事件为 与 McBSP 的结合[5]。 设置好 数据的到来 DMA2， 置 等待接收 ， RRDY=1 事件 ， ， 此时 REVENT RRDY=1 数据传完 产生 数据从 DP->RSR->DRR， 置 RRDY=0 中断处理程序 图 6 DSP 串口接收数据的工作流程图 3.2 数据处理方法设计 声呐接收信号处理 ， 参数估计 间处理 和跟踪等环节 、 、 。 从广义上讲包括空间处理 时 自动判决 、 动态范围压缩 目标识别 、 、 窄带滤波是常用的主动声呐信号处理的方法 设计简要分析这种处理方法的信噪比处理增益 比采用信号与噪声平均功率之比的定义 主动声呐发射的一个单频信号的有效幅值为 ）。 本 ， 信噪 假设小功率 输入 （ A， 年 第 卷 第 期 09 34 2010 輩輷讂 

水 声 工 程 Underwater Acoustic Engineering 噪声为窄带白噪声 其功率频谱密度为 ， 的 窄带滤波器 △f 带宽为 N， △fn， 则输入信噪比 ， 经过一个带宽为 2 （S N）i= A N△fn 输出信噪比 2 （S N）o= A N△f 则 ， 信噪比处理增益 G= （S N）o （S N）i = △fn △f 通常写成对数形式 △fn △f GdB=10lg G=10lg 可见 的前提下 对于窄带滤波处理来说 ， 滤波器窄带宽越窄 ， 小结 4 ， 在不损失有用信号 所获得的处理增益越高[6]。 ， ， 。 16 A/D STC_ISP 转换结果以 该单片机 通过串行口调试软件 测试结果表明 响应时间短且操作简单 该信号处理系统结构简单 进制形式输出到串 观察输出结果是正 功能 达到预期设计目的和实 笔者介绍了小功率主动声呐接收信号处理系 数据处理算法及其 其设计思路和所采用的数据处理方法具有 口 ， 确的 完善 、 用标准 统模拟信号预处理 设计过程 广泛的借鉴性 信号采集传输 。 。 、 ， 、 、 。 ， ， ， 总体来说 会对同时进行的听觉掩蔽效应的感知造成影响 当视觉有明确的任务要求 时 并 会对听觉的掩蔽 且随着视觉和听觉任务有无相关性 视觉听觉任务的注意力分 效应造成不同方面的影响 配机制是影响听觉掩蔽效应感知的重要原因 但是这 样的注意力分配机制还严格受到视听同步时的反应时 视觉听觉注意力的分配机制如何 间和优先机制调制 具体影响听觉感知任务将是进一步研究的内容 。 。 ， ， ， 。 参考文献 [1] HOLLIER M P， VOELCKER R. Objective performance as- sessment：video quality as an influence on audio perception [C]//AES Convention. New York：AES，1997. （1） （2） （3） （4） ， 、 。 与 A/D DSP 利用 同时 VC5402 笔者选择带 转换器的单片机进行小功率主动 A/D 转换芯片 无需采用专用的 声呐接收信号的采集 ， ， 间的通 数据的传输以及与 并且负责信号的采集 信 相结合的 的 数据 可使 数据传输存储方式 大大提高了 当 传输存储并行进行 然 也会根据实际应用的需要采用相应的数 据 处 理 算 获得相应 法 的技术参数 方 位角及目标 识 别等 可以对接收到的声呐信号进行特征提取 McBSP1 正常工作与 比如探测目标的距离 DMA 的运行效率 DMA2 CPU DSP 。 ， ， ， ， ， 、 。 参考文献 杜芸强 [1] . LM386 在小功率主动声呐发射电路和接收电路中 的应用 [J]. 电声技术 ，2010，34（7）：37-38. 童诗白 华成英 . ， [2] 模拟电子技术基础 北京 ： [M]. 高等教育出 版社 ，2001. 吕念玲 . [3] 模拟电路单元及系统实验 北京 ： [M]. 机械工业出版 社 ，2007. 闵晓勇 . DSP 与单片机串口通信的设计与实现 电子科 [J]. 技 ，2005（9）：13-16. 戴明桢 周建江 ， . TMS320C54x DSP 结构 、 原理及应用 [M]. 北京 北京航空航天大学出版社 ： ，2007. [4] [5] 田坦 ， 刘国枝 . [6] 声纳技术 哈尔滨 ： [M]. 哈尔滨工程大学出版 社 ，2003. 责任编辑 闫雯雯 ] [ 收稿日期 [ ] 2010-05-18 multisensory integration of ecologically valid audiovisual events [J]. Journal of Cognitive Neuroscience，2007，19：1964- 1973. [4] PAN Yang， XIE Lingyun. The effect of video on auditory mask- ing effect[C]//Proceedings of the 10th Western Pacific Acous- tics Conference. Beijing：[s.n.]，2009. [5] PAN Yang，XIE Lingyun. The influence of video quality on auditory masking effect experiment [C]//Proceedings of the 2010 2nd International Conference on Signal Processing Systems. Dalian ： Institute of Electrical and Electronics Engineers，INC，2010，2：50-52. 王坚 听觉科学概论 蒋涛 北京 中国科学技术出版社 ： ， [M]. !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! （上接第 45 页） 觉对听觉感知的影响结果 实验证明 452-465. 。 [3] STEKELENBURG J J，VROOMEN J. Neural correlates of [2] MOLHOLM S， RITTER W， JAVITT D C，et al. Multisensory [6] ， . visual-auditory object recognition in humans：a high-density electrical mapping study[J]. Cerebral Cortex，2004，14 （4）： 2005. 责任编辑 [ 闫雯雯 ] 收稿日期 [ ] 2010-05-04 輪輮讂 年 第 卷 第 期 09 34 2010