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1 引言 海浪觀測是海洋調查的一項重要內容，采用裝有加速度式波浪傳感器的波浪浮標是一種有效的海浪測量方式。當裝有波浪傳感器的浮標隨波面起伏運動時，浮標內傳感器輸出反映波面升沉加速度變化的信號，對其進行二次積分處理，即可得到與波面起伏高度變化成比例的信號，再對此信號進行處理，得到波高及波周期數據。加速度信號積分采用模擬積分電路，也可采用數值積分方式。通常波浪周期為2～30 s，模擬積分電路采用積分電容值則較大，這使得傳感器體積比較大，而且模擬線路易受外界溫度、濕度等因素影響，不便于調試，而采用數值積分方式則能有效克服這些問題。 數值積分要進行大量乘加運算，DSP是一種適用于數字信號處理運算的微處理器，可用于實現各種實時快速的數字信號處理算法。TMS320C54x系列 DSP是TI公司為實現低功耗、高速實時信號處理而設計的16位定點數字信號處理器，具有高度的操作靈活性和運行速度，適用于嵌入式應用需要。因此，該設計選用TMS30VC5402型DSP作為數據處理器。 2 系統硬件電路設計 圖1為加速度式波浪傳感器的系統組成框圖，該框圖包括加速度傳感器、抗混疊濾波器、A／D轉換器、數字信號處理器、通訊接口、電源系統等部分。 加速度傳感器是波浪傳感器的核心部件，這里選用Freescale半導體公司生產的MMA1260EG型加速度傳感器。該器件是一款低成本、小尺寸、硅電容式微機械加速度傳感器，采用信號調理、溫度補償和自檢等技術。該器件已進行零g補償和雙極低通濾波等處理，從而簡化了外嗣電路設計。MMA1260EG 的工作電壓為5 V，測量范圍為Z軸±1．5 g，靈敏度為1 200 mV／g。圖2為MMA1260EG的應用電路。 常規波浪周期在2～30 s范圍內，在A/D轉換器采集間連接一低通濾波器作為抗混疊濾波器，以去除高頻信號干擾。A／D轉換器選用TI公司的TLV2544。TLV2544是一款高性能、低功耗、高速、12位4通道串行CMOS A／D轉換器，采用單電源工作，電壓范圍為2．7～5．5 V。該器件可為用戶提供3個輸入端和1個三態輸出端的串行端口，為微處理器SPI串行端口提供方便的4線接口。 數字信號處理器TMS320VC5402提供高速、雙向、多通道帶緩沖串行端口McBSP，可與串行A／D轉換器直接連接。每個BSP口工作在SPI方式和I／O方式。在SPI方式下，BSP口便于與遵循SPITM協議的串行設備相連。TMS320VC5402與TLV2544接口時，該器件作為SPI主設備向TLV2544提供串行時鐘、命令和片選信號，實現無縫連接，無需附加邏輯電路，其連接電路如罔3所示。 TMS320VC5402是TI公司生產的性價比極高的16 bit定點數字信號處理器(DSP)，操作速率可達100 MI／s，內部資源配置大大方便用戶構造系統。TMS320VC5402配置有4 K×l6bit片內屏蔽式ROM(F000h～FFFFh)和16 K×l6 bit雙存取的RAM(DARAM)，其中4 K ROM中包含Bootloader程序。用戶自行設計時，如程序容量不超過16 K，可利用器件內部資源。采用引導裝載方式，以降低系統設計難度和成本，加快設計進程。DSP的硬件基本電路包括電源電路、復位電路、時鐘電路等。其中電源電路用雙電源供電，內核電源CVDD采用1．8 V，I／O電源DVDD采用3．3 V。該電源電路由TPS73HD318實現，如圖4所示。 圖5為MAX706R實現的復位電路。而時鐘電路使用TMS320VC5402內部振蕩器，在其X1和X2／CLKIN引腳之間接一個晶體，用于啟動內部振蕩器。 通訊接口是通過SPI總線擴展，選用Maxim公司的MAX3100。MAX3100內置1個簡單的UART，帶SPI接口的波特率發生器和1個中斷發生器，通過“寫結構寄存器”設定波特率、字長、校驗、8字節接收FIFO，選擇通用UART或Ir-DA，控制關閉狀態和4個中斷任務。圖6為UART電路，圖中MAX3221為電平轉換器。 3 系統軟件設計 系統軟件設計采用MATLAB-DSP系統級集成環境，即在MATLAB統一環境下完成概念設計、模擬／仿真、目標代碼產生、運行和調試。利用MATLAB-DSP系統級開發環境極大節省了消耗在編程和修正錯誤方面的時間，加快了設計進程。 MATLAB-DSP集成開發環境徹底改變以往的DSP設計方法。在此環境下可完成對目標DSP的操作，包括訪問DSP的存儲器和寄存器等，利用 MATLAB的強大工具分析和可視化處理DSP存儲器的數據，可直接把MATLAB程序生成DSP可執行的目標代碼。 通過A／D采集得到的加速度數據首先經快速傅里葉變換變換為頻域數據，在頻域中二次積分后進行2～30 s的濾波，然后對數據進行快速傅里葉反變換重新得到時域數據，經標度變換后，通過串口輸出數據，其處理流程如圖7所示。 頻域積分是一個非常有用的處理方法。頻域二次積分的數值計算公式為： 式中，分別為下限和上限截止頻率；X(k)為x(r)的傅里葉變換；△f為頻率分辨率。 4 測試結果 實驗室使用波浪模擬標定裝置標定以TMS320VC5402為處理器的加速度式波浪傳感器，標定后的傳感器波高測量范圍0～20 m、測量誤差±(0．3+5％×測量值)m及波浪周期測量范圍2～20 s、測量誤差±0．5 s，符合波浪浮標行業標準要求。以TMS320VC5402為處理器的加速度式波浪傳感器與使用模擬積分器的波浪傳感器進行對比測試，圖8為裝有模擬積分波浪傳感器與數值積分波浪傳感器的波浪浮標在海上試驗時得到的一組數據，從波形上看，采用數值積分的加速度傳感器(實線)得到與原先使用模擬積分器的傳感器(虛線)較一致的數據。經實驗室和現場測試表明：采用TMS320VC5402實現的基于頻域積分算法的加速度式波浪傳感器的設計可行。 5 結論 這種基于頻域數值積分的加速度式波浪傳感器調試簡單，穩定性高，體積小，已將該加速度式波浪傳感器應用于波浪浮標中，替代先前的模擬積分式波浪傳感器，測量海浪的波高及波周期。 |
