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Auteur: Shen Hui, Zhang Guojun, Guo Jing, Zhang Wendong
abstrait : Création d'un vecteur appliqué à la matrice MEMS sous-système de collecte d'informations d'hydrophone, pour collecter l'eau et hydrophone informations de posture de signal acoustique, la sortie de l'information codée post-acquisition via l'interface RS422. Conception d'un circuit préamplificateur à faible bruit pour le conditionnement du signal analogique, ce qui concerne la précision du signal signal et système de signal reçu l'attitude, en utilisant une phrase échantillon pour debouncing, garanti. L'ensemble du système d'acquisition et hydrophone a été testé après un, les résultats montrent que le système est stable, la collecte d'informations précises sous hydrophones.
0 introduction
Avec marine et sous-marine des environnements à explorer l'approfondissement de l'équipement sonar Array hydrophone plus largement, et de demander la cohérence et l'ouverture réseau d'hydrophones est également plus en plus élevés. Bionic vecteur basé sur un seul tableau MEMS intégré hydrophone hydrophone principe de conception a un faible coût, de petite taille, les avantages de bonne consistance , peut satisfaire la demande de l'ingénierie, la figure. 1 est une 2 × 2 sensible un ensemble d'unités micro structurelles. Vecteur ici pour la conception matrice MEMS hydrophone d'une faible puissance, à faible bruit, le système d'acquisition multi-canal, qui peut être d'un seul tenant ensemble hydrophone, et pour faciliter l'application de la matrice de groupe de capteurs.
1 conception du système
Système d'acquisition de données se compose de l'unité de commande entier de FPGA, des convertisseurs A / N, un circuit de conditionnement de signal, le circuit d'alimentation en énergie, le circuit d'interface RS422 et d'autres composants. FPGA acquisition de système, le codage, la transmission des informations de capteur pour commander le noyau.
signal de sortie filtré circuit de pré-traitement hydrophone, amplifié, transmis à l'ADC en un signal numérique, un capteur d'orientation (boussole électronique tridimensionnel) pour le capteur d'acquisition d'informations de position sous l'eau, une sortie de données en format RS232 par le niveau après la conversion dans le circuit de signal acoustique d'eau de FPGA et codant pour l'intégration numérique, après passage à travers les sorties de circuit d'interface RS422, l'ordinateur hôte via l'interface peut envoyer des commandes et la détection du signal. schéma de principe du système représenté sur la Fig.
2 Conception du matériel
2.1 Conception du circuit d'alimentation
Pour les tâches, le système prévoit l'acquisition d'une alimentation 24 V, en tenant compte du système de refroidissement, des problèmes tels que la puce de puissance, la première puce par un régulateur de puissance 24 V LM2576 à 7 V, pour parvenir à un règlement. Etant donné que le bruit de régulateur de tension après un grand, de sorte que l'utilisation du régulateur à faible bruit linéaire LT1965 à 7 V à 5 V alimentation régulée au système. Le bruit de la tension de sortie de 40 LT1965? SIDA VRMS, le courant de sortie maximale de 1,1 A. La tension de sortie de formule LM2576:
Prendre R1 = 1 kohm, R2 = 4,7 kQ, la VOUT1 = 7,01 V; LT1965 tension de sortie de la formule:
Dans lequel les broches de courant de polarisation AIJD ADJ copeaux, la conception AIJD = 1,3? A, pris R3 = 15 kQ, R4 = 4,7 kQ, la VOUT2 = 5,05 V, deux circuits de régulation répondent aux exigences de conception.
2.2 Conception du circuit de conditionnement de signaux
2.2.1 Conception de la source de tension constante et un circuit d'amplification
Etant donné que l'alimentation électrique a une grande influence du bruit sur la performance optimale des hydrophones, et en outre choisie de telle sorte que le bruit inférieur linéaire LT1761 régulateur, le bruit de la tension de sortie est de 20 Veff, régulateur de tension 7 V sera une constante vers le bas à 5 V, le capteur et le signal de circuit de conditionnement.
Elément sensible hydrophone à l'intérieur peut être équivalent à une configuration de pont de Wheatstone, dans lequel le signal de sortie différentiel, l'impédance de sortie est de 1 kQ, la valeur maximale de 1,2 kQ . le signal hydrophone avant d'entrer dans le circuit d'amplificateur différentiel à travers un premier filtre passe-bas passif pour filtrer les hautes fréquences du bruit, en prenant R5 = R6 = 300 , C9 = C10 = 0,1 F, la fréquence de coupure: fp = 1 / ( 2RC) = 5,3 kHz. Sélection de bruit faible, de faible puissance, à haute réjection en mode commun amplificateur d'instrumentation amplificateur AD8421 conception que le bruit de la tension d'entrée maximale de 3,2 nV / Hz, seul le gain peut être fournie par une seule résistance externe RG, la plage de gain de 1 à 10000. RG choisir résistance 200 , le gain du circuit d'amplification: G = 1 + 9,9 kQ / RG50. Conception amplificateur opérationnel AD84215 V alimentation unique, l'oscillation de sortie de 1,2 V ~ + 3,4 V, la plage de dynamique du signal de sortie du capteur acoustique de l'eau: -15 mV ~ + 15 mV, après amplification devient -0,75 V ~ + 0,75 V, la tension de référence de l'amplificateur opérationnel ainsi que 2,5 V, la plage du signal de sortie final conditionné à 1,75 V ~ + 3.25 V, à l'oscillation de sortie de l'amplificateur opérationnel . Une source de tension constante et un circuit d'amplificateur d'excitation hydrophone 3 représenté sur la figure.
2.2.2 Conception de second ordre filtre passe-haut
En analysant les signaux de sortie des hydrophones pour constater qu'il est plus grand que le bruit à haute fréquence du bruit à basse fréquence, pour améliorer le SNR, la nécessité de concevoir un filtre passe-haut pour filtrer. Communément source utilisée filtre passe-haut et une charge pluralité de contre-réaction commandé par la tension de tension (VCVS) sont deux, mais compte tenu de la topologie multiple de filtre de rétroaction négative est relativement complexe et facilement superposition harmonique , de sorte que l'utilisation comportant facile à contrôler le gain, la sortie de phase, les avantages ampli op d'exiger des filtres vCVS inférieurs. Butterworth filtre passe-bande plate amplitude caractéristique, diminué progressivement jusqu'à zéro dans la bande d'arrêt, quel que soit l'ordre que l'amplitude de la courbe de fréquence angulaire de filtre reste la même forme , le filtre est conçu pour VCVS second ordre du filtre passe-haut de Butterworth. La gamme souhaitée du signal détecté hydrophone: 20 kHz ~ 3 kHz, la conception de la fréquence de coupure du filtre passe-haut f0 = 10 Hz, un gain de 1, le schéma de circuit de filtrage représenté sur la figure 4.
Dans le procédé de conception, de telle sorte que les coefficients binomiaux de filtre Butterworth de = 0,707, P = 1, les résistances R11, R12 de la résistance peut être calculée selon la formule suivante:
? 0 où brun est la fréquence d'angle fréquence f0 angulaire de rotation par une valeur qui résulte, 0 = 2f0; k est un facteur de proportionnalité de C11 et C12, à condition C11 = KC12. Pour faciliter la conception et le dispositif d'adaptation, la conception prend k = 1, alors la fréquence de coupure en fonction de la valeur de la capacité de la série standard et la résistance à veiller à ce que la formule brute est dans la gamme de taille moyenne:
C12 est déterminée dans la plage de 1 F ~ 100 F, en C12 = 10 F, est calculée C11 = C12 = 10 F, R11 = 1,13 kQ, R12 = 2,26 kQ. Multisim par la fréquence de coupure du filtre de 10,2 Hz, comme prévu.
2.3 circuit d'interface RS422
Les données recueillies par la sortie du système via l'interface de communication série RS422. l'interface RS422 est une transmission en mode différentiel, la capacité anti-interférence, dans laquelle une ligne de transmission peut être connecté à une pluralité de noeuds de réception dont la composition de l'interface réseau facilite l'observation hydrophone. sélection puce d'interface MAX3462, qui a une excitateurs de lignes de transmission internes et les récepteurs d'une ligne de transmission, peut fonctionner en mode duplex intégral, de sorte que l'interface peut envoyer des données et recevoir des commandes. MAX3462 limite la vitesse de communication jusqu'à 20 Mb / s, avec une charge de 4-unité (48 kQ) de l'impédance d'entrée du récepteur sur lequel le bus de communication admissible maximum 128 connecté à l'émetteur-récepteur. MAX3462 et communication FPGA est atteint par un isolé électriquement photo-coupleur à grande vitesse HCPL-0738, HCPL-0738 des vitesses allant jusqu'à 15 MBd, l'interface peut atteindre le taux de transfert de données maximum de 10 Mb / s, le circuit d'interface représenté sur la figure 5, R15 et R18 de la résistance doivent être choisis en fonction de la vitesse de transmission, dans lequel le 422R- et 422R + pour recevoir le signal différentiel, 422T + 422T- et pour transmettre des signaux différentiels.
3 Conception logique
3,1 cadencement de capture d'AD
ADC AD7606 sélection 8-canal, qui présente trois modes de fonctionnement: mode parallèle, le mode série et en mode octet. Système de conception en utilisant le mode d'octet, alors le résultat de la conversion pour chaque canal par l'intermédiaire d'une interface DB sorties sont divisés en octets haut et bas, octet de poids faible de la broche de sortie en réglant hben. Lorsque CS est faible, avec l'arrivée d'un front descendant de la RD, DB sortie un octet, huit canaux de lecture conversion de données nécessite un total de 16 front descendant de RD. Après le troisième front descendant d'arrivée RD, la conversion après canal d'acquisition, de sorte que le front descendant du CS passe au niveau bas FRSTDATA, après le premier front descendant de RD FRSTDATA va bientôt élevé, ce qui indique le résultat de la conversion du canal 1 est lu FRSTDATA passe au niveau bas, des données indiquant un canal a été lu. La gamme de fréquences du signal utile sous-marin détecté capteurs acoustiques, la fréquence d'échantillonnage est conçu pour 25 kHz, le calendrier capture DAC représenté sur la. Figure 6.
3.2 le signal antirebond
Système pendant le fonctionnement, souvent par des interférences électromagnétiques complexes, lorsque le niveau du système de compas et le signal de fermeture de contact en interférence pic apparaît, lorsque le signal est actif au niveau bas, il aura une incidence sur la précision du signal reçu, prenez donc la logique efficace anti-rebond, pour assurer un fonctionnement fiable du système. Méthode d'échantillonnage en temps réel dans le processus de décision du signal reçu est antirebond. Procédé d'échantillonnage de décision de t-à-dire le signal d'un échantillon à chaque fois, et le résultat d'échantillonnage est stocké dans un registre à décalage de n bits. Chaque fois que l'échantillon, le registre de données sera stockage de données de décalage vers la droite et un boîtier à un premier bit échantillonné; n échantillons après l'achèvement de l'information pour juger le registre, le faible jeu de registres nombre est m, le coefficient de décision = m / n x 100% si 60%, de sorte qu'un signal de niveau bas est reçu, sinon, le signal de haut niveau reçu à . Pour n bits de large registre détermine la largeur d'impulsion d'interférence, l'interférence d'impulsion est réglée largeur t, la période d'horloge d'échantillonnage est FOSC, veille à ce que le n × fosc > t, dans la conception du registre à décalage de 10 bits sélectionné.
3.3 module tampon FIFO
FIFO est une mémoire FIFO avec un module de logique de commande de réseau de mémoire, la conception en disposant deux largeur intérieure FPGA est de 4 bits, une profondeur de 1024 pour mettre en uvre la RAM à double accès largeur est de 8 bits, une capacité totale de 1 KB module tampon FIFO.
Après que le système fonctionne, les données reçues sont tout d'abord stockées dans FIFO1 boussole, lorsque son adresse d'écriture et l'écart de la boussole d'adresse de lecture est supérieure à une longueur de données, commence données de trame FIFO1 est lue, et la conversion de l'ADC et codant pour l'intégration de données après le dépôt de Fifo 2. Lorsque l'écart de l'adresse d'écriture et l'adresse de lecture est supérieure à zéro Fifo 2, il envoie des données via l'interface RS422.
4 résultats des tests
Le système d'acquisition de signaux et un ensemble d'un compas électronique après shell entrée entendu, les tests d'hydrophones sous-marins, et l'analyse du signal recueilli. La figure 7 est un hydrophone immergé dans le changement d'attitude figure pour le cas de fixation rigide 20 min;. La figure 8 est une coupe X, diagramme de forme d'onde Y canal hydrophone sensible à la réception d'une onde stationnaire dans le cylindre signal de 500 Hz, une forme d'onde peut être capteur crête calculée X, des signaux de sortie de canal y sont 3,32 mV, 1,54 mV;. la figure 9 est un diagramme de directivité dans le cas du canal y 500 Hz, la profondeur de la fosse de 28,9 dB, la valeur maximale d'irrégularité est de 0,7 dB, il a un bon chiffre « 8 » caractéristiques directionnelles.
5. Conclusion
Applications ici vecteur réseau d'hydrophones MEMS de type, une conception du système de collecte d'informations. Conception du circuit basse extraction de signal de bruit faible de circuit d'interface RS422 et une vitesse élevée, pour recevoir des signaux logiques en utilisant un anti-rebond efficace, d'améliorer la fiabilité du système. Après plusieurs essais expérimentaux sous, les résultats expérimentaux montrent que le système puisse capter le signal acoustique et complet sous-marin d'information l'attitude hydrophone, rencontrer le système d'acquisition des exigences de conception.
références
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