1 引言

在水下通信系統中，低功耗的聲信號發射電路設計對系統的作用距離遠近及其精確度起著關鍵性的作用。介紹了一種利用CPLD控制的波形存儲方法，可以實現頻分和碼分兩種復用方式下的聲信號發射。經過多次實驗驗證，該系統具有可行性。此外，在設計CPLD邏輯電路時，選用了Xilinx公司提供的Xilinx ISE6．2開發系統軟件，運用Model Tech公司的Modelsim對設計進行功能仿真。

2 器件介紹

2．1 XC2C128簡介

Xilinx公司推出的CoolRunner-II系列中的XC2C128-7V0100。該器件采用第二代快速零功率（FZP）技術，以便在盡可能低的功耗情況下提供最佳的性能，如：采用1．8 V的內核電壓，可提供300 MHz的性能，且耗功小于100μA。另外，該器件還具有體積小，價格低和穩定度高等優點，符合信號發射系統要求。XC2C128包含了16個內部互聯功能塊（AIM），每個AIM能為功能塊提供40個輸入，每個功能塊包含16個宏單元，這些宏單元同時包含大量的配置寄存器。另外，這些寄存器能被全局預置和復位，也可被提前設置成D或T觸發器，有多種時鐘信號，分別為全局或部由路服務。例如在同步時。可同時應用3個不同的時鐘信號。

XC2C128的主要特性如下：

采用1．5 V、1．8 V、2．5 V、3 V、3.3 V等電源供電，內部有兩個BANK，因而允許采用不同電壓供電而無需電壓轉換器；

1．8 V供電時，靜態電流可低至25μA；

采用RealDigital CPLD技術和先進的低功耗高速可編程邏輯技術，靜態功耗可低至33μW；

帶有輸入滯回和可編程地（GND），提高了高速I／O信號完整性；

帶有多種LVCMOS、HSTL和SSTLI/O，其靈活的I/O可支持多種器件接口；

采用通用的JTAG接口；

片延時僅5 ns；

帶有雙邊緣觸發器，因而速度更快；

具有4級設計保密功能。

設計CPLD邏輯電路時，選用Xilinx公司提供的XilinxISE6．2開發系統軟件。ISE是集成綜合環境的簡稱，是XilinxFPGA／CPLD的綜合性集成設計平臺，該平臺集成了從設計輸入、方針、邏輯綜合、布局布線與實現、時序分析、器件下載與配置、功率分析等幾乎所有設計流程所需的工具，加快了CPLD設計開發進程。CPLD邏輯電路采用VHDL輸入方式設計，具有很強的可讀性和可移植性，便于后續修改。完成電路設計后，運用Model Tech公司的ModlelSim對設計進行功能仿真，驗證電路功能是否符合設計要求。圖1給出CPLD電路連接原理。

2．2 波形存儲器

波形存儲器主要用來存放預先生成的抽樣波形數據。這里選用SGS-THOMSON公司生產的M27C64A。因為該器件是一種低電壓、低功耗的8x8K EEPROM；編程電壓為12．5 V，具有高速編程的特點，特別適應于電池供電系統。圖2給出其電路連接原理。

3 系統設置

3．1 硬件電路設計

圖3給出一個信號發射電路的總體框圖。在CPLD設計中，分頻電路的輸出頻率作為地址發生器的時鐘。但是，考慮到地址發生器的時鐘要和預存的波形數據采樣頻率相一致，而波形存儲器的存儲容量有限，當采樣頻率為500kHz時，采樣的波形數據量較合適，因此需要設計16分頻電路，該分頻電路對頻率為8 MHz的晶體振蕩器分頻。同時，根據波形存儲器地址端引腳個數，設計了13位的地址發生器。由此，依據CPLD的設計流程，在ISE6．2中完成16分頻電路、13位地址發生器電路的設計，并產生同步脈沖信號和信號發射電路中各個器件的控制信號。

因為發射的信號是模擬信號，而波形存儲電路輸出的波形數據是數字信號，這樣就不可避免地要進行數字信號到模擬信號的轉換，D／A轉換電路就是完成該功能的電路。信號發射電路D／A轉換器選擇的是由ADI公司生產的AD5330。該器件是一款帶有微處理器、小體積、可與SPI直接連接的8 bit電壓輸出型低功耗D／A轉換器，采用雙緩沖結構，輸出鎖存，適合于電池供電系統；當電源電壓為3 V時，工作電流為115μA，關斷電流為80 nA；當電源電壓為5 V時，工作電流為140μA，關斷電流為200 nA。

同時，為了滿足發射系統對作用距離的要求，就需要采用功率放大電路來確保發射換能器能夠得到足夠的發射功率；而匹配電路則可以使信號發射電路輸出具有更好的頻率特性，提高發射效率。因此，功放及匹配電路是信號發射電路中必不可少的一部分。

3．2 軟件設計

波形存儲器中的波形數據由于MATLAB仿真。MTLAB可以方便、快捷地生成波形數據，而且可根據需要方便地調整信號頻率、周期、脈寬等參數；同時，生成的聲發射信號具有失真度小，一致性好的優點。此外，MATLAB作為一種科學與工程計算的高級語言，還具有編程方便，語法簡單等諸多優點。因此，聲信號可以通過MATLAB軟件的仿真產生。但是，由于產生的波形數據較多，直接用手工錄入數據存儲器中不僅費時且易出錯。為此通過C語言編程將產生的波形數據形成*．hex文件格式。然后將波形數據整體下載到數據存儲器M27C64A中。

采用上述方法，波形數據生成簡單，快捷，數據的修改方便，無需改動硬件電路即可實現信號發射電路的功能擴展。MATLAB中產生信號波形數據的xinhao．m文件如下：

根據數據采集卡的傳輸速率及發射信號的頻率，采樣頻率選fs為50 kHz，依據波形存儲器容量設其為500 kHz，生成的波形數據存放在xinhao．hex中。上段程序表示每隔17 ms產生一組正弦波，每組由20個7 kHz的正弦波組成，每20個波持續時間為2．86 ms，圖4所示為該程序產生的一組頻率為7 kHz的發射信號。

4 實驗結果

發射電路經變壓器匹配后，連接水聲換能器，置于淡水中，由示波器觀察在接收端收到的信號。圖5所示為采用聲信號發射電路后，換能器在水中發射的信號（7 kHz）：其中橫坐標為時間，單位為ms；縱坐標為幅值，單位為mv，圖5（b）是圖5（a）橫軸擴展后的波形，從示波器可看出信號每幅17ms出現20個7 kHz的正弦波。

對比圖4和圖5可知，電路產生的信號與發射信號一致，均為脈沖發射，每一組脈沖為20個7 kHz的正弦波，信號脈寬為2．86 ms，由于聲信號在水中的衰減，信號的幅度為800 mV。另外，該信號為單頻信號，也可以通過MATLAB編程產生其他頻率的聲信號，完成頻分復用模式下的信號發射，同時也可以通過編碼實現ASK等方式下的聲信號發射。

5 結語

提出了一種基于CPLD控制的低功耗信號發射電路，具有可擴展性和靈活性。該系統可以應用于水中信號的發射（需要匹配換能器）和空氣中信號的發射。采用提出的波形存儲方法優化了信號發射電路，通過改變波形存儲器型號或容量大小，還可以對信號進行不同的復用方式，以滿足不同情況下的需要。

責任編輯：gt