多波束信号调理采集模块设计与应用
招募要求
拟招募人数：3人，海洋物理。
任务要求
1、理论知识学习
（1）信号处理基础：本科生需系统学习信号与系统相关理论，掌握连续时间信号与离散时间信号的特性、时域与频域分析方法，如傅里叶变换、拉普拉斯变换及Z变换等，明白信号在不同域中的表现形式，为理解多波束信号的处理奠定基础。例如，能够根据给定的简单信号，熟练绘制其在时域和频域的图形。
（2） 模拟电路原理：深入了解模拟电路的基本概念，包括放大器、滤波器等电路的工作原理。熟悉运算放大器的线性和非线性应用，掌握有源滤波器（低通、高通、带通等）的设计方法，理解如何通过模拟电路对多波束信号进行预处理，如信号的放大、滤波以去除噪声干扰等。例如，能够设计一个简单的一阶低通滤波器电路，并计算其截止频率。
（3）数字电路基础：掌握数字电路的基本逻辑门、触发器、计数器等知识。了解模数转换（ADC）的原理和类型，熟悉常见的采样定理，明白如何将模拟的多波束信号转换为数字信号，以及采样频率对信号采集质量的影响。例如，能根据给定的模拟信号频率范围，选择合适的采样频率。
2、硬件设计与实践
（1） 模块电路设计：本科生要参与多波束信号调理采集模块的电路原理图设计。依据多波束信号的特点和处理要求，合理选择电子元器件，如运算放大器、滤波器芯片、ADC芯片等。例如，根据信号的幅度范围和精度要求，挑选合适位数和采样速率的ADC芯片。设计信号调理电路部分，确保输入的多波束信号经过放大、滤波等处理后，满足ADC的输入要求。同时，设计数字电路接口部分，用于与后续的数据处理单元进行通信，如SPI、I2C等接口电路。
（2）PCB设计：在完成原理图设计后，进行印刷电路板（PCB）的布局布线工作。要充分考虑信号完整性问题，对高速信号和敏感信号进行合理布线，避免信号串扰和电磁干扰。例如，将模拟地和数字地进行合理分割，并通过单点接地的方式连接，减少地噪声对信号的影响。同时，要考虑PCB的机械尺寸、安装孔位置等实际因素，确保模块能够方便地安装在实际应用系统中。
（3）硬件调试：在硬件制作完成后，参与硬件调试工作。使用示波器、信号发生器等仪器设备，对模块的各个功能进行测试。首先，检查电源部分是否正常工作，确保各个芯片都能得到合适的供电电压。然后，输入标准测试信号，观察信号调理电路的输出是否符合预期，如放大倍数是否正确、滤波器的截止频率是否准确等。接着，检查ADC的采样结果是否正确，验证采样数据与输入模拟信号之间的对应关系。在调试过程中，要能够分析和解决出现的硬件故障，如电路短路、开路、信号失真等问题。
3、软件编程与实现
（1） 驱动程序开发：针对多波束信号采集模块的硬件电路，编写相应的驱动程序。如果采用的是微控制器（如单片机）与采集模块进行通信，要熟悉微控制器的硬件资源和编程方法，编写ADC驱动程序，实现对ADC的初始化配置、采样控制以及数据读取等功能。例如，使用中断方式实现ADC的连续采样，提高数据采集效率。同时，编写与外部接口（如SPI、I2C）相关的驱动程序，确保能够与其他设备进行可靠的数据传输。
（2）数据处理程序：编写数据处理程序对采集到的多波束信号数据进行处理。根据具体的应用需求，可能需要进行数字滤波、信号特征提取等操作。例如，使用数字滤波器（如FIR滤波器、IIR滤波器）进一步去除采集数据中的噪声干扰，提高信号质量。通过对信号数据的分析，提取出与多波束相关的特征参数，如波束的强度、方向等信息。要掌握基本的算法实现方法，能够根据算法原理编写相应的程序代码，并对程序进行优化，提高处理速度和效率。
（3）应用程序集成：将驱动程序和数据处理程序集成到一个完整的应用程序中。设计友好的用户界面（如果有需要），方便用户对采集模块进行参数设置、数据显示和分析结果查看等操作。例如，使用图形化编程工具（如Qt、LabVIEW等）开发一个简单的上位机程序，通过串口或网络与采集模块进行通信，实时显示采集到的多波束信号数据，并绘制信号波形图，直观地展示信号特征。
4、文档撰写与报告
（1）设计文档：在整个项目过程中，撰写详细的设计文档。包括需求分析文档，明确多波束信号调理采集模块的设计目标、性能指标以及应用场景等；硬件设计文档，详细描述电路原理图设计、PCB设计过程和相关参数计算；软件设计文档，阐述驱动程序、数据处理程序以及应用程序的设计思路、模块划分和函数接口说明等。设计文档要条理清晰、内容完整，方便他人理解和后续维护。
（2）实验报告：完成各项实验和调试工作后，撰写实验报告。实验报告应包含实验目的、实验内容、实验步骤、实验结果以及结果分析等部分。详细记录硬件调试过程中出现的问题及解决方法，展示软件程序的运行结果和数据处理效果。通过实验报告，对整个项目进行总结和反思，分析设计中的优点和不足之处，提出改进的方向和建议。
指导老师：李姜辉老师
联系方式：电子邮箱，jli@xmu.edu.cn
