基于四路同步水声信号记录仪设计方案

　　该方案设计开发了一种水声信号记录仪，实现对水声信号4路24bit同步采集与存储，动态范围高达 100dB，采样率可达100kS/s.测试结果表明，该方案中所设计的记录仪精度高、动态范围大、功耗低、存储容量大，工作稳定可靠，可完成30kHz 以下的水声信号采集记录。

　　一、引言

　　水声信号是实现水下探测、定位、导航、通信的主要信息载体，对水下目标回波及其辐射噪声的原始信号进行分析、处理和研究可获得大量的目标特性信息，这就需要一种多路同步的高精度水声信号采集记录装置来采集记录水下目标的原始信号。

　　传统的水声采集系统常采用单路16bit以下A/D转换器和单片机为核心器件，采样精度低，采集存储速度慢，处理能力弱，通用性不强。因此，文中采用24bit高精度A/D转换器ADS1274、超低功耗数字信号处理芯片 TMSVC5509A和CF卡为主存储介质，设计开发了一种四路同步水声信号记录仪。该记录仪精度高、动态范围大、功耗低、存储容量大，工作稳定可靠，通用性强，可完成30kHz以下的水声信号采集记录和分析处理。

　　二、记录仪整体设计方案

　　水声数据记录仪需要长时间工作于水下，在功能上需要满足大容量的存储、低功耗、高保真、实时采集记录的要求。鉴于水声信号频率一般不高，采样率100kHz足以满足大部分信号采集需求，四路24bit采集8个小时总的数据量不超过32G，因此采用容量为32G的Compact Flash（CF卡）就能满足系统存储要求。记录仪采样频率100kHz时，要在10μs的采样周期内完成4路24bit水声信号的采集存储，实时性要求较高，这里选用TI超低功耗数字信号处理芯片TMS320VC5509A为主控处理器，其处理速度达到400MIPS，可满足系统需求。根据系统的需要，系统硬件部分由四路信号调理（前置放大及滤波）、高精度模数转换器（AD）、主控处理器（DSP）、数据存储单元（CF卡）、PC机接口单元构成（USB），软件部分由数据采集模块、数据存储模块和数据读取模块构成。记录仪总体结构图如图1所示。

　　三、记录仪硬件设计与实现

　　（一）信号调理部分

　　信号调理部分的主要的功能，是完成对水听器接收到的弱信号进行放大、滤波、单端变双端、电压抬升以使接收到的水听器信号经过调理后能满足A/D输入信号的要求。

　　水听器的信号是微弱信号，前置放大对抑制噪声起到致关重要的作用。是否能有效抑制各种噪声，是本系是否成功的关键，这里采用了成熟的商品化前放模块。

　　前放模块的威廉希尔官方网站 指标为：输入方式：差动与单端；共模抑制比：》100dB;输入阻抗：200MΩ；噪声电压密度为3nV/ ;增益：10倍（20dB）。

　　（二）A/D接口电路

　　经过反复论证和比较，以及考虑到系统性能、电路结构、系统功耗、可扩展性及片源等多方面的因素，本系统选用了美国TI公司的一款24位高精度AD转换器ADS1274.该AD芯片内部集成有多个独立的高阶斩波稳定调制器和FIR数字滤波器，可实现4通道同步采样，支持高速、高精度、低功耗、低速4种工作模式，具有6 2 K H z的带宽，采样频率最高可达128KS/s.该芯片采用差动输入方式，所以输入端可直接与传感器或微小的电压信号相连；可通过设置相应的输入/输出引脚选择工作模式，无需寄存器编程，其数据输出可选择帧同步或SPI串行接口，便于连接至DSP，可满足要求严格的多通道微弱信号采集应用。