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1、1基于 MSP430 单片机的超低功耗可扩展开发水下声学记录仪 摘 要降低整体功耗是长期水下声学研究和其他应用程序，在低功耗，高采样率，及所需的大容量存储数据记录仪的核心问题。低功耗微处理器 MSP430 可提供发展长期部署远程系统的方案。在本文中，我们提出了一个多 MSP430，主从架构来解决的功率限制问题。所提出的设计在本质上是可扩展的。对于安装在阵列中的每个附加从单元中，数据采样和流率可以按比例增加。我们使用的是多声道的水下声记录器以 100 千赫兹的采样速率演示这种概念的优点。该系统的性能由在海底的反射系数测量的现场实验证明。所提出的架构将适用于许多水下长期部署的系统。其在结构和多通道
2、采样的同步灵活性，它还提供了用于水听器阵列的结构的简单结构。21.引言当在室内实验室研究水下声学设置，信号采集一般不会产生问题。因为许多现成的产品可用于一定范围的配置和应用。这些解决方案通常是一台电脑上或在坚固的工业机箱上实现。 此外，电力供应，数据存储和通信是假定为方便和无限的。然而，当调查在水下环境中声学，所有这些条件要么太昂贵或不可能。一种可行的方法水下仪器必须克服这些制约因素。海洋环境充满各种来源的噪音。可以发现的声学信号的频带宽，从几赫兹到几百千赫、。例如，海洋哺乳动物发出的频率范围从 100 赫兹到 150 千赫（Au，1993）。雨滴落在海面上产生为 1-50 千赫兹的范围内的巨
3、大的噪音泡沫使他们崩溃、。船舶交通辐射噪声从 110 千赫兹的范围。研究这些海洋声学现象，声音在现场测量，然后在现场分析或在实验室处理。对于测量声音在现场，如果该测量地是离岸边不远处，一般采纳缆线系统。然而，电缆系统的部署和维护是昂贵的。此外，沿海水域一般都是人活动，海底电缆持续存在由拖网和锚被损坏的风险。对于电缆和单机系统，海洋环境对电源，数据存储和系统稳定性的造成挑战。如果研究的地点离海岸太远太深，或用过于昂贵的电缆系统，单机和自足的记录系统被部署在海底，则需要定期的服务来检索数据并更换电池组。为了解决这些问题，Ma 和 Nystuen（2005）开发了一个独立的声学记录仪称为被动式水中监
4、听器（PALS）。此仪器由一个单片机，一个 10/20 分贝的低噪声放大器板，水听器，和电池组构成的。微处理器是一个低功率吃持久型微控制器，具有 8 通道的 10 位 AD ，16 个 I / O 接口，和一个用于数据存储 CF 卡接口。该系统被设计为在海洋中记录长达一年的降雨声波频谱。为了实现持续长时间的测量，通常 PAL 停留在“睡眠”模式以节省电力。它每一个或 2 分钟（可编程）唤醒一次，以 100 千赫采样率持续 4.5 秒来测量环境噪声，得到频谱。如果频谱中3包含了降雨的信号，该系统将提取的水听器信号，计算，并存储频谱，直到降雨信号在频谱中消失。为了减少所需的存储器存储的大小，系统不
5、保存信号的时间序列，只保存光谱。 10/20 分贝放大器主板还提供了选项，以采用适当范围来捕捉信号。以这个项目为例，我们可以看到电源和内存管理的问题是长期部署工具的核心问题。为了在海洋中连续记录声学信号，Wiggins（2003）开发了一种低功耗，高数据容量的自主式声学记录器，称为自主式录音包（ARP）。ARP 包括一个由海洋传感器公司生产的 os500 数据记录器，一个水听器，两个 36 GB SCSI 磁盘数据存储器和电池组。鉴于大容量的 SCSI 硬盘驱动器，内存的限制不再是一个问题。在没有 SCSI 磁盘驱动器情况下，该 OS500 数据记录器和水听器的功率消耗是大约 600 毫瓦。该
6、电池组包括两块锂电池，一个容量 580 小时（安时）/10 V 供OS500 数据记录器使用的和一个容量 135 小时/ 17 V 的供 SCSI 磁盘驱动器使用。该系统提供了一个 1000 赫兹的采样率，并可支持长达一年的长期部署。Burgess 等人（1998）研制出一种低功耗的自主式记录系统，称为 CAP，该系统长 36 厘米，直径 10 厘米。随着温度和深度的记录，它是能够承受 2000 m的水深和记录 5 千赫频率的声信号 10 小时。 该设备是如此小巧便携，它可以标记在海洋哺乳动物，并研究它们的行为。后来，CAP 升级到探针，它变得更加精巧和低功耗。新模式的声学采样速率具有 16
7、位分辨率，可以设置为 100 Hz-20 kHz 之间的速率。这个系统采用闪存作为数据存储介质，从而更有效率。用一个1.5Ah/ 3.6 伏碱性电池，它可以在 2 kHz 声波采样率下工作 41 小时。Thode 等人（2006）使用以一个四元件垂直阵列器件作为记录核心的的生物探针，来记录和跟踪海洋哺乳动物。最近，其他项目都应用了生物探针结构，在开发新一代紧凑型和超低功耗的，为保护海洋哺乳动物声记录仪（Johnson and Tyack, 2003; Madsen and 4Wahlberg, 2007）。为了海洋哺乳动物的监测，Wiggins 和 Hilderbrand（2007）中使用以
8、32 位，20 兆赫的单片机作为平台构造一个长期（月）和宽频（200 千赫）的自主式水下声记录仪。由于监控需要以高采样率连续记录，数据存储容量和电池能量包的容量是两个挑战性的工程问题。其解决方案是以大量的 2.500 磁盘驱动器（1.9 TB）作为存储介质。 为了有效地管理电源，数据在传至所述磁盘驱动器之前，存储在 32 MB RAM 的缓冲器。使用这种技术，阵列中只有一个驱动器被激活时，写入的时间短，所以功耗从而大幅减少。最新的成果是 Lammers 等人的生态声记录仪（EAR）。（2008 年），负责监测珊瑚礁和周边海域的生物活性。这个基于微处理器的自动记录仪样品可以对环境声场定期和自动检
9、测符合某些特定的声音标准。有几个电池组（每一个电池组包含七个高容量碱性 D 系列电池），该系统可以操作长达一年。凭借其可编程记录占空比和电源组模块布置，该系统可轻松配置，以满足环境监测项目的不同需求。上述项目表明，当搭建独立，无缆水下记录系统时，工程师必须权衡长期部署中、采样率和数据存储容量。高采样率和长操作周期需要更大的数据存储空间和高性能微处理器。这反过来又创造了巨大的磁盘驱动器，消耗更多的电力需求。由此产生的大电池增加了系统的尺寸和重量，降低它的可移植性。幸运的是，微处理器的持续发展和基于闪存的存储器，创造了独立发展和非有线的水下记录系统新的可能性。德州仪器生产的 MSP430 单片机（
10、微控制器单元）是新一代低功耗微控制器。它是专为以电池供电的产品设计如 MP3 播放器，手持式仪表，以及医疗设备等。它的结构显著降低了功耗和外围电路的复杂性。在这项研究中，我们使用 MSP430 单片机设计一个架构，它的采样率，数据存储，和数字化通道，以毫瓦的功率水5平扩展。我们称之为超低功耗可扩展的声学记录仪（UPEAR）。2.硬件结构数据记录系统的性能通常是受 AD 转换速度和数据流速率的限制。我们的设计策略是充分利用一个单一的超低功耗用单片机，而不是用一个更强大的微处理器或数字信号处理器。为了克服高速数据采集和信息流的挑战，不仅需要一个快速 AD 转换电路，而且还需要无中断，使连续数据流到
11、存储介质中的有效方法。大量数据流入存储介质一般是通过采用一个强大的处理器和高速数据总线。这样不可避免的引入了复杂的结构，消耗更多的电能。对于低功耗独立的系统，这样的方法不是一个最佳的解决方案。MSP430 单片机具有一系列不同的 AD 通道数量模型、数字 I/O、缓存和闪存的大小，和可选的外围设备，如 LCD 驱动器。因为尺寸紧凑，它们有极低的功率消耗，活跃模式下大约 10 兆瓦，在睡眠模式下小于 1 毫瓦。所有型号都有不同的包装形式，包括 QFN、LQFP、SSOP、DIP。他们的体积可以达到 1212 1.5mm。许多 MSP430 型号具有 100 kHz 的采样率，充分满足水下声学记录
12、的要求，因为海洋环境噪声普遍低到 50 千赫（Wenz，1962）。MSP430 单片机的单位成本很低，大多数模型还不到 10 美元一块。相比电脑或数字信号处理器为基础的解决方案，MSP430 就是这样非常划算。然而，一个单一的 MSP430 单片机没有能力执行所有在高采样率系统下运行的任务（多通道 AD 转换，实时数据采集所需的时钟和数据流）。因此，我们使用多 MSP430 单片机构成可伸缩和可扩展的主从式架构。2.1 从属单元6从属单元由 MSP430-F169 单片机和安全数字（SD）存储卡构成。其示意图示如图 1。信号被 MSP430 内置的 12 位模数转换器转换为数字信号，然后传输
13、到 SD卡（德州仪器公司，2003 年）。 SD 卡是一个可移动闪存的存储设备（闪迪公司，2003 年）。它的规格是最初由东芝公司，闪迪公司和松下电器公司为各种消费电子产品如数码相机、PDA、移动电话和便携式音乐设备制定。它体积小巧，操作简单，容量大，功耗低，成本低，是我们的设计的理想解决方案（Hsiao 等人，2006 年，2007 年）。 MSP430 的通用同步/异步接收/发送器（USART）通过串行外设接口（SPI）与 SD 卡进行通信。 SPI 接口是一个简单的方式在单片机外围器件的同步串行协议。如示于图 2，只有四个引脚用于微控制器和 SD 卡之间的数据传输（德州仪器公司，2006
14、）。7上电后，MSP430 的读取 SD 卡内第一个 512 字节（定义作为一个块）来检索内存使用电源周期之前内存使用情况。此信息被用来分配存储即将到来的新记录事件的可用内存空间。换句话说，在每一个周期中，系统都会自动启动新的剪辑。然后该 MSP430 切换到睡眠模式以保持电力。它停留在这种低功耗模式，直到主单元通过采样/存储触发命令来唤醒。在接下来的小节中详述。为了确保 A / D 转换和数据流的同步成功，双缓冲结构与直接内存访问（DMA）一起采用。 DMA 是 MSP430 单片机系列的模块组件，它可以无需 CPU 干预转移 MCU 存储器和外设之间传输数据。 MSP430-F169 有
15、2 千字节的随机存取内存（RAM）。一千字节被用于构建两个缓冲区，记为缓冲液 I 和缓冲液 II，每个512 字节。 MSP430 单片机将信号数字化，并将结果按序存储在缓冲区。一个子程序监控的增长缓冲区。一旦缓冲区 I 是满的，其内容通过 DMA 将被传输到 SD卡中，同时数字信号传输到缓冲液 II 。任务就这样在缓冲器 I 和 II 之间交替。用这种安排，声信号在用作上简单的任务（样品/存储）由自身工作的基本的数8字记录器每个从属设备连续地采样。根据我们的试验中，从单元需要 0.02 毫秒将数据缓冲器信号流入 SD 卡，这意味着单个从属单元能处理数字化和记录高达每秒 50 k 个样本。拉下
16、了“选择”引脚接地，每个 SD 卡启用。有了适当的复用电路和数据存储管理，多重 SD 可以很容易地串接扩展的数据存储容量。2.2 主控单元9一个主单元由两个 MSP430-F169 单片机组成，记为 M1 和 M2，和一个实时时10钟（RTC）芯片 DS1302（图 3 中示出）。该 DS1302 在非常低的功耗运行。在 3.3 11V 的硬币电池供电下，它可以不费时运行多年（达拉斯半导体公司，2005）。当电源接通时，M1 开始与 RTC 通过三个通信的 I / O 以检索当前时钟时间。 M1 通过通用 I / O 端口的发送时钟给从属单元。总共使用 26 个 I / O 端口。例如，月由 1 到 12 之间的数来表示，要求四个端口。同样地，需要 5 个端口为天，5 端口为小时，6 个端口为分钟和 6 个端口为秒。因为 MSP430F169 单片机的 I / O 端口有限，不能表示年。然而，一年可以在用户的实验日志进行方便的管理。对于下一代，我们可以用提供了更多的 I / O
