基于uClinux的嵌入式水声信号采集存储系统设计

　　1 引言

　　随着半导体技术和计算机技术的不断发展，嵌入式系统被广泛地应用于从通信设备、消费电子、工业控制、汽车电子到传感器网络、航空航天航海等各个领域。由于水声学研究和水声工程设计试验成本高，耗时长，把嵌入式系统应用到水声学和水声工程的研究设计中，设计一种稳定、可靠的信号采集和大容量数据存储设备，对分析水声信道的特点、处理声纳信号的数据、设计水声通信的算法和协议、研究海洋环境特征具有重要意义。另外，基于嵌入式系统的水下监控设备还可以获取所在海域舰船等目标的特征信息，对于维护海洋主权具有军事意义。

　　针对系统在水下封闭空间长时间运行的工作条件和水声信号带宽有限等特点，综合考虑处理能力、功耗要求、集成度、成本等问题，本文选择了uClinux操作系统和ADSP-BF548处理器。

　　uClinux是Linux操作系统的一种，是由Linux 2.0发展来的。uClinux具有出色的稳定性和良好的移植性，可以灵活地裁剪和配置操作系统内核，因而具有了小型化、性能稳定可靠的优势，广泛用于控制领域，被称为“微控制器领域的Linux系统”[1]。Blackfin处理器是Analog Device和Intel联合出品的高性能、低功耗的DSP，融合了AnalogDevices/Intel的微信号结构(MSA)[2]，可以实现各种应用的高性能信号处理和高效控制处理能力。

　　以往的系统设计方法大多采用数字信号处理器件，如DSP，FPGA，MCU等，编译代码得到可执行文件并加载到硬件平台。这种方法给硬件设计和软件开发带来了很多工作;而且，由于难以兼顾硬件设计和软件开发的一致性，经常造成一些复杂设备驱动时序的发散，系统稳定性不强。本文采用的Blackfin处理器支持包括uClinux在内的多种操作系统，拥有丰富的、成熟的嵌入式操作系统资源，经过测试的操作系统内核包含常用的设备驱动，开发人员的工作主要是应用层的设计实现。因此，将操作系统移植到数字信号处理器件将给软硬件开发省去不必要的工作量和冲突，进而提高工作效率。

　　2 系统设计

　　本文从采集存储系统的功能需求和建立嵌入式操作系统开发环境出发，设计了基于嵌入式uClinux的水声信号采集存储系统。系统结构框图如图1所示。

　　系统使用电池作为电源且工作在水下电子罐里，因此本文以性能可靠，低功耗为标准选择器件进行设计。本文使用多个换能器组成的阵列或矢量水听器采集水声信号。

　　如图1所示，系统以BF548为处理核心，向其移植uClinux 操作系统。BF548通过异步串行接口(UART)与罗盘、温度计等传感器通信，采集系统姿态、环境温度等信息;通过串行接口(SPORT)采集多路信号。然后，按照一定格式将上述数据存入硬盘，完成信号采集和存储。