基于SD卡的水声信号采集系统设计

　　1 引言

　　声波是在海洋环境中进行目标探测和通信的有效手段，在对海洋声场进行研究的过程中需要获取大量的原始声信号，为此需要水声数据采集系统长时间工作在无人看守的复杂水下环境中，并同时进行高速高精度数据采集与实时记录。恶劣的工作环境，繁重的工作任务，对其性能提出了很高的要求，需要进行专项设计。

　　传统的数据采集系统多采用Flash芯片作为存储介质，该芯片容量小(一般容量不超过8Mb)，价格高(尤其是大容量芯片)，灵活性低(多采用焊接方式)，难以满足水声数据采集的要求。针对这种现状，本文提出了采用大容量SD卡作为存储介质，基于SD2.0和改进的FAT32文件系统的系统设计方案，以解决水声数据高速采集与大容量实时存储的工程应用难题。

　　2 系统结构和硬件设计

　　本文讨论的高速数据采集存储系统，需要装配在特制的测量仓体内，并长时间工作在无人看守的复杂水下环境中，以对海洋环境中0~5 kHz 的水声信号进行高速高精度数据采集与实时记录，因此该系统要满足如下各项技术指标要求：

　　(1) 保证单通道50 K以上的采样率和16位的采样精度;

　　(2)保证连续存储的时间要大于20h，并具备按预定时段记录的能力;

　　(3)较强的稳定性和可靠性，发生意外时能够保证数据的完整并具有较强的纠错能力;

　　(4)满足一定的尺寸体积要求;

　　(5)有较强的人机交互功能，便于用户对系统的操作。系统结构见图1，主要由前端信号调理与A/D采集模块、通信模块、主控模块、SD卡存储模块和供电模块等部分组成。由传感器输入的信号经调理后，进入A/D模块进行模数采集;采集得到的数据通过SPI总线被传输至主控模块;主控模块作为系统的控制核心，接受A/D模块采集到的数据，并将其实时存储到SD卡;此外，主控模块还能够实现系统与PC机的串口通信，以方便操作者通过人机交互模式对系统的工作起止时间、文件存储模式等参数进行预置并读取系统当前状态;系统供电模块是由电池组输出，通过稳压滤波模块为系统提供标准工作电压。A/D采集模块采用了美国CYGNAL公司的C8051F060单片机[1]。该单片机作为一款真正意义上的片上混合系统，其丰富的外设模块不仅能够实现数据的采集转换，还可以实现对SD卡的访问。

　　主控制器模块采用了基于ARM7TDMI-S内核的LPC2368处理器[2]。该处理器可在72MHz频率下运行，内部集成有4个UART，1个SPI接口，能够满足系统对控制模块的要求。此外，该处理器还支持SD/MMC卡接口，可以非常方便地实现与SD卡的连接。