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低功耗模块化的多通道采集存储系统设计
摘要
数据采集技术是获取实验数据的重要手段,而在水声研究方面,随着水声技术的不
断发展,对水声信号采集技术的要求也不断提高,例如系统功耗应足够低、存储容量足
够大以维持超长时间的连续采集;同时还需要足够多的同步采集通道数,以及足够高的
采集精度。针对以上情况设计了一种通用型的应用于水声信号连续采集的低功耗模块化
的多通道采集存储系统。本系统主要对低频水声信号进行长时间、大容量的数据采集和
存储,例如对海洋环境噪声进行数据采集,因其低频噪声的时空特性之复杂,需要长时
间、大范围的测量才足以分析其时间域、频率域、空间域等特性。
本系统采用模块化的设计,将系统分为六大模块,分别是采集模块、存储模块、主
控模块、电路底板、FPGA数据路由模块和DSP信号处理模块。用户可根据应用场景的
需求灵活配置系统中采集模块和存储模块的数量,以更改系统的采集通道数量和存储容
量。其中采集模块使用FPGAEP4CE6E22控制两片AD7768进行模数转换,并且前端增
益倍数和采样率等采集参数可配置,单个采集模块可实现16通道同步数据采集;存储
模块以低功耗单片机STM32L4R9为核心,接收采集数据并写进SD卡中,单个存储模
块最大容量为4TB,并在每个存储模块设计了USB3.0的数据上传电路,以便用户对数
据的导出、删除等管理操作;FPGA数据路由模块使用EP4CE75F23进行数据转发,其
主要包括三部分,和采集存储模块通信的对内接口OCTOSPI、和DSP信号处理模块通
信的EMIF总线、和上位机进行实时连接进行数据传输的对外接口USB3.0和以太网口;
主控模块以STM32L4R9作为控制芯片,通过RS232接收用户的配置指令,并发送给
FPGA数据路由模块将该指令转发,此外主控模块保留了多个低速通信接口以供系统拓
展使用;电路底板作为连接所有模块的基础结构,为系统内各个模块的通信提供通路,
并在电路底板上进行电源管理以提高电源效率;DSP信号处理模块使用已有核心板,并
在电路底板上对其进行了二次开发。
本文对系统各个部分的性能以及整体工作的稳定性进行了详细测试,其中包括系统
功耗验证,64通道同步采集时低至10W,同时存储容量高达16TB,保证了系统可以极
低的功耗维持长时间的数据采集;对系统进行数据采集时的性能测试,包括增益准确性
测试、幅相一致性均控制在0.1dB和0.1°以内、等效输入噪声低至5uV、通道隔离度
均在70dB以上;进行了系统各个模块的通信速率以及通信正确性的测试;最后是对系
哈尔滨工程大学专业学位硕士学位论文
统整体的联合测试,确保系统整体工作的稳定性和可靠性,能够进行长时间的采集存储
工作。
关键词:数据采集系统;多通道;低功耗;FPGA;STM32
低功耗模块化的多通道采集存储系统设计
Abstract
Dataacquisitiontechnologyisanimportantmeanstoobtainexperimentaldata.Inthe
aspectofunderwateracousticresearch,withthecontinuousdevelopmentofunderwater
acoustictechnology,therequirementsforunderwateracousticsignalacquisitiontechnologyare
alsoincreasing.Forexample,thesystempowerconsumptionshouldbelowenoughandthe
storagecapacityshouldbelargeenoughtomaintainthecontinuouscollectionforalongtime.At
thesametime,italsoneedsenoughsynchronousacquisitionchannels