UUV低功耗小尺寸数据采集节点设计

曾景贤 陈子龙

（第七一五研究所，杭州，310023）

UUV低功耗小尺寸数据采集节点设计

曾景贤 陈子龙

（第七一五研究所，杭州，310023）

为了满足UUV拖线阵数据采集传输的低功耗要求，设计了一种低功耗的多通道数据采集节点，选用低功耗FPGA和低功耗、高精度的ADC芯片进行数据采集设计，通过RS-485接口发送节点的采集数据，使用曼彻斯特编码保证串行码流直流平衡，提高了数据传输的稳定性和可靠性，最后给出了多通道数据采集节点具体电路实现方法和软件设计流程。

UUV拖线阵；低功耗；多通道数据采集节点；FPGA；RS-485接口

近年来，随着平台、推进器、导航和控制系统以及传感器技术的发展，无人水下航行器（UUV：Unmanned Underwater Vehicle）在水下侦查、水下通信、反潜和反水雷等领域得到空前发展。UUV通常是由电池供电，受体积所限，携带电池电量有限，因此对其设备都有低功耗要求。拖曳线列阵声呐是UUV重要的反潜、侦查设备之一，主要用于探测潜艇辐射噪声，进行远程监视、测向和识别。根据UUV拖线阵小尺寸、功耗低等要求，本文设计了一种多通道数据采集节点，由主控制芯片FPGA负责驱动低功耗、高精度的ADC芯片进行数据采集，每个采样周期结束后，通过RS-485数据接口将采集数据发送出去，数据传输采用RS-485接口标准，使用曼彻斯特编码保证串行码流直流平衡，提高数据传输的稳定性和可靠性。与其它传输技术相比，RS-485具有抗干扰能力强（差分传输）、传输距离远（最远距离可达1 200 m）、传输速率高（最高传输速率可达50 Mbps）以及结构简单等特点。

1 硬件设计

多通道数据采集节点主要由程控增益电路、A/D转换电路、FPGA控制电路、RS-485接口电路等构成，采集节点组成框图如图1所示。采集节点主要是对经前置模块放大、滤波的水听器信号进行采样，为确保各采集节点同步采样，采集节点ADC器件所需的采样主时钟信号由采集传输系统上位机进行控制发送。主要做法是上位机上电后，延迟一段时间（确保各采集节点FPGA程序加载完毕），打开采样主时钟信号，通过RS-485时钟接口发送给各采集节点，采集节点在同一个采样主时钟信号作用下开始同步采样。每个采样周期结束后，采集节点对ADC器件输出的采样数据进行编码，然后通过RS-485数据接口发送给上位机，上位机接收各采集节点数据后按照以太网数据传输协议对数据进行整理打包，通过百兆以太网接口发送给存储模块进行保存，同时转发增益控制命令。采集节点通过RS-485命令接口接收上位机转发的增益控制下行命令，调整节点模拟信号放大倍数。

图1 采集节点组成框图

1.1 程控增益电路

程控增益电路主要作用是根据输入信号的幅度大小，调整通道的放大倍数。如果输入信号幅度较小时，就提高放大倍数，确保输入信号进入A/D转换器前有足够高的信噪比；如果输入信号幅度较大时，就降低放大倍数，确保输入信号采样时尽可能不被限幅。

采集节点程控增益芯片选用的是Linear公司的LTC6911-2，这是一款低噪声、数字可编程增益的双通道运算放大器，单端输入输出，具有使用简单、封装尺寸小等特点。利用3根信号线控制运放的放大倍数，主要有0、1、2、4、8、16、32、64这几档放大倍数，通道间增益放大倍数相差不超过0.1 dB[1]。对于前置模块输出的差分信号，首先需要经过一级运放将差分信号转换成单端信号并对其进行一阶低通滤波处理，对带外信号进行衰减，程控增益电路如图2所示。

图2 程控增益电路

1.2 A/D转换电路

A/D转换电路主要作用是进行模数转换。该电路是采集节点设计的关键，节点的主要指标与ADC器件性能密切相关，其性能的优劣对采集节点的功能起着至关重要的决定作用，要提高数据采样的精度，就必须使用高精度的ADC器件。本采集节点A/D转换电路所选用的ADC器件是TI公司的ADS1278，这是一款采样率高达128 kHz的高精度24位△-∑模数转换器，具有8通道同步采样、采样信噪比高（高速模式可达111 dB）、SPI和Frame-Sync两种可供选择的串行接口以及4种可供选择的操作模式[2]。

图3 A/D转换电路

本文多通道数据采集节点采样率为6 kHz，因此ADC器件ADS1278工作在采样率10 kHz以下的低速模式，该模式下ADS1278具有非常低的功耗（每通道仅7 mW），同时采样信噪比也较高（可达107 dB），一块芯片即可满足节点8通道数据同步采样的要求。ADS1278是一款差分输入的A/D转换器，对于程控增益电路输出的单端信号需要一级运放将单端信号转换成差分信号并对其进行一阶低通滤波处理，对带外信号再次进行衰减，减小带外干扰。A/D转换电路如图3所示。图中，ADS1278的MODE0、MODE1管脚接高电平，选择低速工作模式；FORMAT0管脚接高电平，FORMAT1、FORMAT2管脚接低电平，选择SPI串行接口。

1.3 FPGA控制电路及RS-485接口

FPGA控制电路主要作用是在同步时钟作用下驱动ADC芯片ADS1278进行数据同步采样，每个采样周期结束后，按照曼彻斯特编码规则对采样数据进行编码。曼彻斯特编码中每一位的中间有一跳变，不存在直流分量，具有良好的抗干扰性能，从低到高跳变表示‘0’，从高到低跳变表示‘1’。将编码后的数据通过RS-485数据接口发送给上位机，同时通过RS-485命令接口接收上位机下发的增益控制命令，调整节点输入信号的放大倍数。

采集节点FPGA芯片选用的是Microsemi公司IGLOO nano系列的AGLN250，这是一款拥有25万门资源、内嵌36 kbits双端口RAM的flash型FPGA，时钟频率最高可达250 MHz。IGLOO nano系列是业界功耗最低的FPGA，拥有3 mm×3 mm的小封装尺寸，基于flash技术的IGLOO nano系列FPGA具有上电速度快且无需外部配置芯片等特点[3]。RS-485接口芯片采用的是MAXIM公司的MAX3362和MAX3283；时钟和命令输入接口使用MAX3283；数据输出接口使用MAX3362。这两款芯片具有封装尺寸小、数据传输速率高等特点。

2 软件设计

多通道数据采集节点的FPGA软件采用硬件描述语言编写，主要由ADC数据采集、RS-485接口数据发送和增益控制下行命令接收等组成。

数据采集程序主要功能是在采样时钟作用下驱动ADC器件进行数据采集，在启动ADC模数转换之前，首先要对ADC内部数字滤波器计数器进行复位然后在采样时钟作用下同时启动ADC以确保各节点同步采集，数据采集程序流程如图4所示。

图4 数据采集程序流程图

数据发送程序的主要功能是每次采样周期结束后，对数据采集程序接收、缓存的节点采集数据按照曼彻斯特编码规则进行编码、发送，数据发送程序流程图如图5所示。

图5 数据发送程序流程图

下行命令接收程序主要功能是接收上位机发送的下行增益控制命令，根据命令调整节点程控增益芯片的放大倍数，下行命令接收程序流程图如图6所示。

图6 下行命令程序流程图

3 结论

本文基于flash型FPGA和ADS1278设计的UUV拖线阵多通道数据采集节点，具有低功耗（单个采集节点所需的模拟和数字电流总和约为100 mA）、低噪声（通道增益36 dB情况下各通道短路噪声不大于0.4 mV）、小尺寸（采集节点印制板尺寸为100 mm×17 mm）等特点。经过多次湖试验证，该采集节点各指标均满足系统要求，因而具有良好的应用前景。另外本文采集节点数据传输使用曼彻斯特编码具有良好的抗干扰性能，但每一个码元被调制成两个电平，数据传输速率只有调制速率的1/2，如果遇到数据量较大的场合，可能无法满足传输带宽要求，这时可以考虑使用8B/10B、HDB3这种效率更高的编码代替曼彻斯特编码。

[1] Linear.LTC6911-1 datasheet[M].2004

[2] TI.ADS1278 datasheet[M].2007

[3] Microsemi.IGLOO nano Low Power Flash FPGAs datasheet[M].2013