基于ZYNQ ARM+FPGA的声呐数据采集系统设计

目前对声呐数据采集系统的研制，一般选择微处理器或微控制器、现场可编程门阵列 (field

programmable gate array, FPGA) 或者是数字信号处理器 (digital signal processor, DSP) 等芯片作为主控芯片。王敏等[8]采用 DSP 运行 Vxworks 操作系统实现传输控制协议/互联网协议 (transmission control

protocol/internet protocol, TCP/IP) 网络协议栈，可以实时将声呐系统采集的数据以及计算结果回传到计算机。张严品[9]基于 OMAP-L138 芯片设计的水声信号采集与处理平台，实现了对水声信号的连续采集、处理、存储和传输等功能，通过轻量级网络协议栈 (light weight IP, LwIP) 实现安全数字卡中存储水声数据的上传功能。荣致远[10]结合 FPGA 的高 速 并 行 处 理 能 力 以 及 高 级 精 简 指 令 集 机器

(advanced RISC machine, ARM) 处理器灵活的进程控制能力，设计了一种基于 FPGA+ARM 的声呐数据采集传输系统，满足采集系统高精度和实时性的要求。荆博原等[11]采用 Artix-7 系列 FPGA 芯片控制数据的采集与存储来完成多通道数据采集，通过通用串行总线 2.0 接口将矢量水听器数据传输至上位机。史鹏腾[12]使用以太网知识产权核实现用户数据包协议来进行多通道声呐采集数据的高速传输，并在应用层制定了与上位机交互及丢包处理的通信协议，克服了用户数据包协议这类不可靠的、面向无连接的协议带来的数据错误和缺失等问题。

在上述文献中，对声呐数据采集系统的设计主要集中于使用 DSP 或 FPGA 等单一架构芯片，无法兼顾利用微处理器以及 DSP 等串行处理器可方便实现网络协议栈等复杂控制逻辑，以及 FPGA

具有的强大并行处理的优势。但使用 DSP+FPGA

架构也存在一系列问题[13-14]：首先是布线工作相对比较复杂，需要完成更多的硬件设计工作。其次，集成度较低，占用面积较大，成本较高。在能耗和散热方面，这种方案在计算密集任务下会产生较高的能耗，需要更好的散热以及供电解决方案。目前，声呐数据采集系统的设计中鲜见水密条件下的在线程序更新功能，以及使用 TCP 传输协议进行数据传输时对数据封帧的考虑。

针对 UUV 前置主动声呐小型化、高集成、低功耗设计，以及水下封闭空间工作条件下程序更新的需求，本文选择 Xilinx 推出的 Zynq7020 芯片构建主动声呐数据采集平台。该芯片采用先进的双核异构架构[15-17]，将可编程逻辑单元 (programmable

logic, PL) 和处理系统单元 (processing system, PS)

集成到一个芯片内，兼顾了 FPGA 的并行计算优势以及处理器系统软件开发的灵活性，克服了传统双芯片架构中片间互联通信带宽和处理速度瓶颈限制，集成度高，功耗低。在 PL 端完成数据采集控制与数字下变频等信号预处理任务，以满足系统实时性要求。配合开发的上位机软件，在 PS 端的 ARM

处理器上运行 LwIP 网络协议栈实时处理 TCP 数据流，从而可以充分发挥 Zynq7020 异构架构优势。对于采集数据传输方案的选择，考虑实时传输速度、带宽与可靠性要求，本文设计的系统采用以太网实现主动声呐与上位机软件的数据交互，同时为保证数据传输的可靠性，本系统采用 TCP/IP 协议作为数据传输协议，并结合自定义的应用层帧协议，通过以太网建立下位机与上位机的连接[18]。对于数据存储介质的选择，系统选用了容量大、读写速度快的嵌入式多媒体卡 (embeded multimedia card,

eMMC)[19-20]芯片，确保数据记录的完整性和可靠性。对于 FPGA 程序更新方式的选择，系统使用

TCP 以太网实现程序的在线更新，并开发对应的上位机软件，可以在保证 UUV 水密结构完整的同时避免复杂的接线操作，方便可控地实现系统

FPGA 程序的更新。

1    系统硬件设计

本文系统主要由位于电脑 (PC) 端的上位机软件以及位于 UUV 内部 (湿端) 的主动声呐发射、接收电路组成，系统的总体结构如图 1 所示。

4    测试结果与分析

4.1    数据采集部分功能验证

为测试系统数据采集部分功能是否符合预期设计，选取其中一个采集通道，使用信号发生器产生一个连续正弦波信号，直接输入到数据采集模块的 ADC 输入端。输入信号的频率为 13.2 kHz，幅度为 1 V。上位机数据采集控制参数配置界面如图 12 所示，设定采集信号长度为 3 s，数字下变频的中心频率为 12 kHz，点击开始采集按钮，则采集参数通过以太网下发到下位机，同时通知下位机数据采集模块开始采集数据。待数据采集完毕后，点击数据落盘按钮即可通知下位机将采集数据上传至上位机并保存为.txt 文件。

5    结 论

本文基于 Zynq7020 异构平台设计了一种稳定、可靠的数据采集存储系统，结合 FPGA 的并行计算优势以及处理器系统软件开发的灵活性，在 Zynq7020  PS 端 运 行 LwIP 网 络 协 议 栈 实 现

TCP 协议，通过以太网实现主动声呐与上位机的数据交互。同时使用自定义的应用层帧格式，在充分发挥 TCP 协议高可靠性优势的同时避免了数据包粘连问题，将主动声呐系统数据的实时采集、存储与回传，以及程序的在线更新功能融合为一体，具有可扩展性强，灵活性好，集成度高等优点。设计的在线程序更新功能在避免对 UUV 水密结构破坏的同时，其更新速度比 JTAG 接口更新方式具有明显优势，大大提高了实验测试效率。

经过试验证明，本文设计的系统可长时间稳定运行，采集存储的数据真实可用，贴近实际需求，为项目后期的理论算法验证、方案改进以及设备调试等工作提供了有效的数据支持。