基于拖曳式水声信号发射系统的动态信号发生装置

摘要

本发明公开了一种基于拖曳式水声信号发射系统的动态信号发生装置，其特征在于：所述动态信号发生装置包括型号为MSP430F1611的控制系统、型号为AD5930的DDS芯片、外部开关电路、型号为40M的有源晶振、型号为PIC12F509的动态晶振、晶振开关电路、串口分配电路、压力传感器、无线通信模块A、无线通信模块B、电子罗盘、电源管理电路、充电电池、信号调理电路、放大滤波电路和电源系统；通过以上措施，简单方便实现DDS芯片输出信号的频率、幅度可调，尤其是在DDS芯片输出低频信号时效果良好，增加了动态信号发生装置的适用范围，提高了动态信号发生装置的性能。

说明书

技术领域

本发明涉及采用DDS(Direct Digital Synthesis，直接数字合成)技术的动态信号发生装置，特别是涉及基于拖曳式水声信号发射系统的动态信号发生装置。

背景技术

拖曳式水声信号发射系统是一种专门为海洋声传播损失测量设计的人工拖曳式声源，它能提供人工控制或自动发射多种波形的大功率声波信号，能与声学浮标或声学潜标配合使用完成海洋声传播损失测量任务，是海洋声学环境观测和研究的重要手段之一。

拖曳式水声信号发射系统由船台控制系统和拖曳体两部分组成，其中船台控制系统包括工控机、UPS、电源模块、大功率直流电源、调制解调器、采集器和标准水听器等；拖曳体包括动态信号发生装置、发射换能器、大功率发射模块、调制解调器、换能器匹配器、换能器自动控制模块、高压大容量储能电容、压力传感器、姿态传感器、电子舱体和拖曳壳体等。

动态信号发生装置是对接收的船台指令进行解释，并按照船台指令进行相应的操作，具有连续信号和扫频信号输出功能，输出信号的频率、幅度、长度和间隔可调。

直接数字频率合成(DDS)是一种新的频率合成技术，由于其应用在数字领域优点突出，所以近些年发展迅猛，现在已经成为信号源主流。DDS主要由频率控制字寄存器、相位累加器、相位幅度转换查找表、D/A转换器及低通滤波器(LPF)构成。

频率控制字和CLK为DDS的关键输入量。当DDS开始工作时，每来一个时钟，相位累加器就完成一次累加，并把累加结果保存在相位寄存器中，同时输出给相位幅度转换查找表。相位幅度转换查找表的任务是把输入的相位按照查找表方式计算出它的幅度，然后再由D/A转换器完成数模转换，在输 出端可以得到一个连续的模拟信号。

CLK的频率为f_Clk，频率控制字的值M决定输出的频率f_out：

$>f_{out}=\frac{M\times f_{Clk}}{2^N}---\left(1\right)$>

从(1)式可以看出，频率控制字的位数N越高，输出频率的分辨率就越高，当M的位数为N时，DDS的频率分辨率Δf为：

$>\Delta f=\frac{f_{Clk}}{2^N}---\left(2\right)$>

从(2)式可以看出，当频率控制字的位数N一定时，f_Clk频率越高，反而造成DDS的频率分辨率Δf降低，在DDS输出扫频信号时，由于DDS频率增量寄存器是Δf的倍数，所以同时会造成频率增量的分辨率下降，在信号发生器输出低频信号时，这种现象尤为明显，我们在设计信号发生器时，由于信号发生器的晶振工作频率过高，造成DDS的频率分辨率Δf过低，以至于无法输出想要的低频的扫频信号。

目前在信号发生器上使用的多为固定频率的晶振，随着DDS技术的发展，晶振的频率越来越高，不仅造成信号发生器的功耗随晶振的频率增加而增加，而且造成信号发生器的频率分辨率降低；固定频率的晶振适用范围较小。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对传统信号发生器上使用固定频率的晶振，信号发生器适用性较差的问题，

本发明采用的技术方案是：

一种基于拖曳式水声信号发射系统的动态信号发生装置，所述拖曳式水声信号发射系统由船台控制系统和拖曳体组成，所述动态信号发生装置安装在上述拖曳体内；所述动态信号发生装置包括型号为MSP430F1611的控制系统、型号为AD5930的DDS芯片、外部开关电路、型号为40M的有源晶振、型号为PIC12F509的动态晶振、晶振开关电路、串口分配电路、压力传感器、 无线通信模块A、无线通信模块B、电子罗盘、电源管理电路、充电电池、信号调理电路、放大滤波电路和电源系统；其中：

所述控制系统通过I/O引脚与DDS芯片连接；所述DDS芯片的数字时钟有两个输入源，上述两个输入源分别为固定有源晶振和动态晶振，所述控制系统通过I/O引脚与动态晶振连接；所述控制系统的模拟输出引脚与DDS芯片满量程调整控制引脚连接；控制系统的模拟输出引脚与运算放大器同相端连接，去掉输出信号直流偏置电压。

进一步，所述动态晶振由单片机构成；上述单片机上设置有模拟I²C接口，上述单片机通过模拟I²C接口向动态晶振发送命令；所述控制系统通过I/O引脚与动态晶振复位端连接，进而对动态晶振进行复位；所述动态晶振预留两个连接外接晶振用的引脚。

进一步，在拖曳体的前部安装有电子罗盘；所述电子罗盘采用充电电池单独供电；上述电子罗盘与控制系统之间通过无线通信方式进行交互信息。

本发明具有的优点和积极效果是：

通过采用上述技术方案，本发明中的动态信号发生装置可以输出连续信号和扫频信号，输出信号的频率、幅度、长度可调；同时可采集压力传感器、姿态传感器串口数据并定时传到船台；可通过外部开关电路继电器/空气开关；

由于本发明中DDS芯片的数字时钟有两个输入源，分别为固定有源晶振和动态晶振，同时由控制系统通过I/O引脚选择使用哪种晶振，因此可以在输出高频信号时使用有源晶振，当输出信号频率较低时选择动态晶振。

由于动态晶振由单片机构成，因此输出频率为可调的时钟信号。控制系统通过2个I/O引脚与动态晶振连接，模拟I2C接口，向动态晶振发送命令。控制系统通过1个I/O引脚与动态晶振复位端连接，可复位动态晶振。动态晶振的单片机采用内置晶振电路，这样可以减少外围电路；动态晶振的单片机 预留两个引脚，如果需要输出特殊时钟频率可以外接晶振。 

由于电子罗盘容易受到外部磁场的干扰，为提高电子罗盘的数据质量，将电子罗盘安装在拖曳体的前部，实现电子罗盘和其它设备的物理隔离。控制系统与电子罗盘的数据通信通过无线通信模块实现；电子罗盘在工作时由充电电池供电；在电子罗盘不工作时，控制系统通过I/O引脚控制电源管理电路完成对充电电池充电。

动态信号发生装置有两种数字时钟输入，可根据需要选择不同的晶振，增强了动态信号发生装置的适用范围。动态晶振由单片机构成，可配置输出不同的时钟输出，方便灵活，在动态信号发生装置输出低频信号时，可适当降低DDS的时钟频率，这样不但可降低功耗，还会减少系统干扰。

采用控制系统自带的两路模拟输出端口，一路用于调节DDS芯片信号输出幅度，另一路用于去掉输出信号的动态直流偏置电压，电路简洁，精度和可靠性高。

电子罗盘与其它设备实现物理隔离，可有效提高电子罗盘数据质量。

附图说明

图1为本发明优选实施例的电路框图；

图2为本发明优选实施例中动态信号发生装置的动态晶振电路；

图3为本发明优选实施例中动态信号发生装置的动态晶振工作流程图；

图4为本发明优选实施例中动态信号发生装置的输出信号波形；

图5为本发明优选实施例中动态信号发生装置的DDS芯片动态电压偏置电路；

图中标记说明： 

1、控制系统      2、DDS芯片

3、外部开关电路  4、有源晶振 

5、动态晶振      6、晶振开关电路

7、船台             8、串口分配电路

9、压力传感器       10、无线通信模块A

11、无线通信模块 B  12、电子罗盘

13、电源管理电路    14、充电电池

15、信号调理电路    16、放大滤波电路

17、电源系统。 

具体实施方式

结合附图对本发明的技术方案作进一步描述。

如图1所示，一种基于拖曳式水声信号发射系统的动态信号发生装置，上述拖曳式水声信号发射系统由船台7和动态信号发生装置组成，动态信号发生装置安装在拖曳体内，船台7与动态信号发生装置通过电缆连接，上述动态信号发生装置由船台7控制协调动态信号发生装置的工作。

所述动态信号发生装置包括型号为MSP430F1611的控制系统1、型号为AD5930的DDS芯片2、外部开关电路3、型号为40M的有源晶振4、型号为PIC12F509的动态晶振5、晶振开关电路6、串口分配电路8、压力传感器9、无线通信模块A10、无线通信模块B11、电子罗盘12、电源管理电路13、充电电池14、信号调理电路15、放大滤波电路16和电源系统17；其中：

所述控制系统1通过I/O引脚与DDS芯片2连接；所述DDS芯片2的数字时钟有两个输入源，上述两个输入源分别为固定有源晶振4和动态晶振5，所述控制系统1通过I/O引脚与动态晶振5连接；所述控制系统1的模拟输出引脚与DDS芯片2满量程调整控制引脚连接；控制系统1的模拟输出引脚与运算放大器同相端连接，去掉输出信号直流偏置电压。

动态信号发生装置，具有CW/Chirp信号输出功能；信号长度可调范围是：500ms～1000ms；信号幅度范围是：1Vpp～5Vpp；具有压力传感器9、姿态传感器串口数据的接收功能，并定时传到船台7；具有继电器/空气开关控制功能。动态信号发生装置可以输出连续信号和扫频信号，输出信号的频率、幅度、长度可调；可采集压力传感器9、姿态传感器串口数据并定时传到船 台7；可通过外部开关电路3继电器/空气开关。控制系统1通过串行方式将数据写入DDS芯片2，控制DDS芯片2的寄存器实现不同信号的输出，可以输出连续信号或扫频信号，输出信号的频率可调。

DDS芯片2的数字时钟(MCLK)有两个输入源，分别为固定有源晶振4(40M)和动态晶振5(PIC12F509)，由控制系统1通过I/O引脚选择使用哪种晶振，在输出高频信号时使用有源晶振4，当输出信号频率较低时选择动态晶振5

采用单片机MSP430F1611作为控制系统1。MSP430F1611芯片有丰富的片上外围模块，从P1到P6共有48个I/O端口，包含了12位A/D转换器、2路DA输出、精密模拟比较器、硬件乘法器、2组频率可以达到8MHz时钟模块、2个带有大量捕获/比较寄存器的16位定时器、看门狗、2个可以实现异步/同步及多址访问的串行通信接口、数十个可以实现方向设置及中断功能的并行输入/输出端口等。

动态晶振5由单片机构成，输出频率可调的时钟信号。控制系统1通过2个I/O引脚与动态晶振5连接，模拟I²C接口，向动态晶振5发送命令。控制系统1通过1个I/O引脚与动态晶振5复位端连接，可复位动态晶振5。动态晶振5的单片机采用内置晶振电路，这样可以减少外围电路；动态晶振5的单片机预留两个引脚，如果需要输出特殊时钟频率可以外接晶振。 

动态晶振5上电完成初始化后，等待控制系统1命令，根据控制系统1命令执行相关的操作。动态晶振5工作在输出频率状态时，不响应控制系统1命令，这样可以保证输出频率的准确性；控制系统1如果要改变动态晶振5的输出频率，通过I/O引脚复位动态晶振5，使动态晶振5可以接收新的频率参数。

控制系统1通过两个模拟输出引脚，提供动态变化的电压，调整DDS芯片2信号的输出幅度，去掉DDS芯片2输出信号的直流偏置电压。

DDS芯片2通过满量程调整控制引脚来调整输出电流的大小，控制系统1的模拟输出引脚与DDS芯片2满量程调整控制引脚连接，控制系统1通过改变 模拟输出的电压改变满量程电流，从而改变DDS芯片2的电压输出，实现输出信号的幅度调节。

当DDS芯片2输出负载电阻为固定值时，DDS芯片2的输出电压在一定范围内变化，输出的正弦信号有一个正的直流偏置电压，而动态信号发生装置输出信号需要去掉直流偏置电压。采用减法电路去掉输出信号的直流偏置电压，由于当DDS芯片2输出幅度变化时，直流偏置也随之变化，所以控制系统1通过模拟输出引脚提供可变电压接入运算放大器，去掉直流偏置电压。

由于电子罗盘12容易受到外部磁场的干扰，为提高电子罗盘12的数据质量，将电子罗盘12安装在拖曳体的前部，实现电子罗盘12和其它设备的物理隔离。控制系统1与电子罗盘12的数据通信通过无线通信模块实现；电子罗盘12在工作时由充电电池14供电；在电子罗盘12不工作时，控制系统1通过I/O引脚控制电源管理电路13完成对充电电池14充电。

动态信号发生装置有两种数字时钟输入，可根据需要选择不同的晶振，增强了动态信号发生装置的适用范围。动态晶振5由单片机构成，可配置输出不同的时钟输出，方便灵活，在动态信号发生装置输出低频信号时，可适当降低DDS的时钟频率，这样不但可降低功耗，还会减少系统干扰。

采用控制系统1自带的两路模拟输出端口，一路用于调节DDS芯片2信号输出幅度，另一路用于去掉输出信号的动态直流偏置电压，电路简洁，精度和可靠性高。

电子罗盘12与其它设备实现物理隔离，可有效提高电子罗盘12数据质量

DDS芯片2采用AD5930，AD5930可编程扫频和输出触发脉冲波形发生器。该芯片区别于其他系列产品的特点是专门为扫频设计的，它不需要其他辅助器件就可以完成可编程扫频；AD5930功耗较低，适合便携设备使用。这款器件采用支持增强型频率控制的嵌入式数字处理技术，能够生成合成的模拟或数字频率步进波形；采用预先编程的频率配置文件可以避免连续的写 周期，从而释放了重要的DSP/微控制器资源；波形从已知相位开始，并可以连续地增加相位，因此能够轻松的确定相移。

AD5930可以产生正弦波、三角波和方波输出，并且有三种工作模式，控制灵活。在连续输出模式下，该器件在定义时长内输出所需频率，然后步入下一频率。针对该器件输出特定频率的时长，可进行预先编程并让器件自动递增该频率，或者通过CTRL引脚进行外部递增。在突发模式下，该器件在一定时长内输出其频率，接着在另一预定义时长内返回到中间电平，然后步入下一频率。在MSB模式下，该器件产生数字输出。

对器件进行编程时，用户需要输入起始频率、频率步进、增量数量，以及器件在各频率点停留的时间间隔。频率配置参数可通过切换CTRL引脚来启动。

该器件提供多种不同的扫描方式。频率以三角扫描模式步进来连续上下扫描整个频率范围，或以锯形扫描模式向上扫描，但再次发起扫描之前会返回到初始频率。此外，无需执行任何扫描，也可产生单个频率或突发。

AD5930通过三线式串行接口写入数据，能够在40MHz的时钟速率下工作。器件采用2.3V至5.5V电源供电，工作电流仅为8mA，AD5930为波形发生器提供了方便的低功耗解决方案。并具有待机功能，能够关断器件中没有使用的部分，关断模式功耗仅为20μA。

AD5930主要应用于扫频，网络阻抗测量，以及频率触发和脉冲整形等方面。

单片机MSP430F1611通过I/O引脚与AD5930连接，包括控制输入(FSYNC)、数字输入(CTRL)、串行时钟(SCLK)、串行数据输入(SDATA)、中断(INTERRUPT)和下电(STANDBY)，单片机通过串行方式将数据写入AD5930，控制AD5930的控制寄存器、起始频率寄存器、频率增量寄存器和跳频数量寄存器实现不同信号的输出。

AD5930的数字时钟(MCLK)有两个输入源，分别为固定有源晶振4(40M)和动态晶振5(PIC12F509)，由控制系统1通过I/O引脚选择使用哪种晶振，在输出高频信号时使用有源晶振4，当输出信号频率较低时选择动态晶振5。

如图2所示，动态晶振5由Microchip公司单片机PIC12F509构成，PIC12F509使用4MHz的高精度内部振荡器，只要一个芯片没有其它外围电路；PIC12F509有6个I/O引脚(GP0-GP5)，使用2个引脚与控制系统1连接，GP0与P1.0连接，GP1与P1.1连接，模拟I²C接口，接收控制系统1命令；GP2作为动态时钟输出MCLK-1，通过晶振开关电路6与AD5930的数字时钟(MCLK)连接；引脚GP3与P1.2连接，控制系统1通过P1.2引脚复位单片机PIC12F509；预留两个引脚GP4和GP5，如果需要输出特殊时钟频率可以外接晶振。 

PIC12F509的工作流程如图3所示，PIC12F509上电完成初始化后，等待控制系统1命令，根据控制系统1命令执行相关的操作。PIC12F509工作在输出频率状态时，不响应控制系统1命令，控制系统1如果要改变PIC12F509的输出频率，通过P1.2复位PIC12F509，使PIC12F509复位以接收新的频率参数。

PIC12F509除程序跳转指令之外的所有指令(33条)都在一个周期(使用内置晶振4MHz时为1μs)内执行，所以PIC12F509输出的最高频率为125KHz，GP3的输出间隔由控制系统1设定。

MSP430F1611通过满量程调整控制引脚(FSADJUST)来调整输出电流的大小，满量程调整控制引脚外接电阻R_SET(6.8kΩ)与输出电流的关系如公式(3)所示。

$>I_{FULLSCALL}=18\times \frac{V_{NF}}{R_{SET}}---\left(3\right)$>

在本设计中，FSADJUST与连接到MSP430F1611的模拟输出引脚(DA0)，DA0的电压输出为V_DA0，则满量程电流为：

$>I_{FULLSCALL}=18\times \frac{V_{REF}-V_{DA0}}{R_{SET}}---\left(4\right)$>

改变V_DA0将改变满量程电流，从而改变AD5930的电压输出。MSP430F1611通过V_DA0提供该可变电压。AD5930的电流输出(I_OUT)通过200Ω电阻接地，电流输出在约0.16mA至约3.12mA之间变化。

AD5930的负载电阻为200Ω时，其输出电压在约0.032V至约0.624V之间变化。AD5930的输出电压如图4a所示，而实际输出的波形图4b所示，需要去掉直流偏置电压。采用图5所示电路，实现DDS输出信号调理，由于AD5930的输出电压V_dds是变化的，MSP430F1611通过模拟输出引脚(DA1)提供可变电压V_da1，使V_out输出如输出图4b所示的波形。 

DDS芯片2通过信号调理电路15后，还需要经过放大滤波电路16对信号进行放大和滤波后，才可达到设计要求。

MSP430F1611通过I/O引脚与外部开关电路3连接，实现对外部设备的开关控制。

MSP430F1611的串口0通过电缆与船台7连接，实现数据交互。

MSP430F1611的串口1通过串口分配电路8完成压力传感器9和电子罗盘12的数据采集。 

由于电子罗盘12容易受到外部磁场的干扰，为提高电子罗盘12的数据质量，将电子罗盘12安装在拖曳体的前部，实现电子罗盘12和其它设备的物理隔离。MSP430F1611与电子罗盘12的数据通信通过无线通信模块A10和无线通信模块B11实现；电子罗盘12在工作时由充电电池14供电；在电子罗盘12不工作时，MSP430F1611通过I/O引脚控制电源管理电路13，由电源系统17完成对充电电池14的充电工作。