随着电子通信的发展和各界自动化技术的进步，船舶在保证基本的海上安全航行和运输安全的同时，也逐渐

强调为船员和乘客提供更舒适、健康的航行环境。在这一背景下，对船舶噪声的有效采集与控制成为了解决上述情况的必

由之路，论文针对船舶自动化和智能化的需求，提出了采用基于ZYNQ平台实现对舶噪声的多通道采集。ZYNQ架构结合软

硬核的协同工作能力、高速数据处理能力、小体积以及低功耗等特点，非常适合于此类应用。该系统能够实现对船舶噪声的

实时、高速且准确的采集，从而为后续的噪声处理和噪声控制提供可靠的数据支持，实现船舶航行的安全提升以及乘员乘船

的舒适度提升。这种系统设计不仅提高了噪声管理的效率，还有助于提升船舶运营的整体质量，为船上人员提供一个更优

质的航行环境。

船舶内部机械种类繁多，且船身结构复杂，动

力机械在运转过程中，动力机械振动直接向空气辐

射产生空气噪声，船上动力机械振动沿着船舶结构

传播到整个船体，再向外辐射产生结构噪声，船体

的振动向水中辐射产生水噪声［2~3］。

实时、高速、准确采集船舶噪声信号是船舶的

减振降噪以及故障判断奠定的出发点也是最基本

的一步。针对船舶中出现的三种不同类型的噪声：

空气噪声、水噪声以及振动噪声，可以选用相应的

传感器来进行精确测量。具体而言，传声器可用于

测量空气中的噪声，加速度传感器适用于捕捉振动

产生的噪声，而水听器则专门用于检测水中的噪

声。通过这三种专门的传感器，可以有效地对船舶

的各种噪声进行详细测量与分析［4］，再设计一个采

集系统将这些电信号经过调理、采集、量化以及编

码后转换成计算机可识别的数字信号［5］。

ZYNQ系列芯片，集成了处理器系统（PS）和可

编程逻辑（PL）两个核心组成部分。处理器芯片为

ARM 的双核处理器，可编程逻辑芯片为 Xilinx 的 7

系列的 FPGA 架构实现了全功能的片上系统的构

建。这种结合不仅优化了硬件的处理能力，同时也

提高了系统的灵活性和多功能性，使得ZYNQ系列

成为适用于各种复杂数字计算需求的理想选择［10］。

ARM处理器有强大的软件可编程性，FPGA有强大

的硬件可编程性巧妙整合，ZYNQ实现和高效巧妙

的整合，同时 ZYNQ 支持高速接口，对于需要高速

数据传输的应用情况 ZYNQ 也可以高效地实现。

相对于传统的分离式 ARM和 FPGA搭配，ZYNQ采

取“底板+核心板”硬件设计，实现更高的集成度，进

而使采集系统的体积得到优化并兼具灵活性、可拓

展性［11］。在设计一个高效的数据采集和处理系统

时，当进行多路输入信号的采集以及预处理阶段

时，利用 FPGA高速的并行处理能力来执行这些要

求实时性的任务。ARM处理器负责调度整个系统

充当系统的控制核心，包括下达采集指令、接收数

据以及数据的上传等功能。此外，ARM 处理器的

灵活性使得整个系统可以根据具体需求进行配置，

易于扩展新的功能。本文结合 ZYNQ 的优势与系

统的需求，提出了将ZYNQ平台应用于多通道船舶

噪声采集系统的设计方案，实现对船舶噪声的多通

道采集与传输。

2 多通道船舶噪声采集系统总体设

计方案

如图 1 所示，系统的整体结构主要由：噪声检

测传感器、信号调理单元、信号采集与传输单元，以

及上位机这四个部分组成。这种配置中，噪声传感

器负责实时监测舱室内的噪声水平，并将所采集的

信号传送至信号调理单元。信号调理单元针对不

同传感器提供的信号幅值执行增益切换、低通滤波

和前级缓冲等处理，以便为模数转换器（ADC）的采

样提供适当的前处理。此后，ADC负责实现连续的

模拟信号转到离散的数字信号的转换。转换后的

数字信号经由 ZYNQ 的 PS 端接收，并解析来自 PC

机的指令后通过 ZYNQ 内部的 AXI 总线，传输到

ZYNQ 的 PS 端，在这里实现对 ADC 的控制和采样

数据的接收。完成这些步骤后，采集到的数据通过

以太网通信接口发送到 PC 机，进行进一步的分析

和处理。这种设计不仅确保了数据采集的高效性

和准确性，还提高了系统对不同噪声类型的响应能

力和处理速度，使其能够在多种应用环境下可靠地

工作。

4 系统软件设计

系统上电后，ARM 处理器会首先执行自我初

始化操作，确保系统各个模块能够正常运行。完成

初始化后，ARM处理器进入待命状态，准备接收来

自 PC 机的采集控制指令。每当 ARM 处理器收到

来自 PC 机发送的指令，它将首先对指令内容进行

详细解析，并根据解析结果控制模拟开关，以完成

指定通道的增益调整，从而满足不同输入信号的处

理需求。接下来，ARM生成相应的采样控制指令，

并将其发送给FPGA。此后，ARM继续等待接收来

自PC机的下一条指令。如果在这个过程中没有收

到来自 PC 机的任何指令，ARM 需要检查 FPGA 是

否正在传输数据。如果ARM从FPGA接收到数据，

它将通过以太网接口将这些数据转发到上位机进

行进一步处理。这样可以确保数据能够及时传输

至上位机，以便进行后续的分析和处理工作。如果

没有接收到数据，ARM将继续等待来自 PC机的采

集控制指令。

在 FPGA 端，收到 ARM 下达的采集控制指令

后，它会进行相应的协议解析，这些协议包括指定

的采集通道和数据输出速率等关键参数。根据这

些参数，FPGA 将根据需求对 AD7768 进行必要的

初始化配置，确保其能够按照预定的参数和要求正

常运行，以便开始执行数据采集任务，并开始接收

从AD7768采集到的数据，与此同时，这些数据会被

存储到 SDRAM 中，以便后续进行处理和访问。这

样可以确保数据在接收后能够得到妥善保存，方便

后续的操作和使用。一旦累积的数据量达到预定

的量级，FPGA 则通过接口将数据回传给 ARM，从

而完成整个数据采集和控制流程。此过程的配置

和数据流向均在图5中详细展示。

5 结语

本研究开发的多通道噪声采集系统基于

ZYNQ 平台设计，结合了 FPGA 的高度硬件可编程

性和完整的ARM处理器系统。该系统的一个显著

特点是，ARM处理器与FPGA之间的数据传输速度

快且非常稳定，这种高效的交互机制不仅简化了开

发过程，降低了开发的复杂性，同时也显著缩短了

整个项目的开发时间，使得系统更易于实现和优

化。此外，该设计还支持方便地扩展各类外设。

ZYNQ 平台中的处理器系统（PS）与可编程逻辑

（PL）的协同工作确保了指令解析和数据传输的高

效性，从而为噪声数据的快速和可靠传输至 PC 机

提供了坚实保障。在实际应用中，该系统展现出广

泛的潜力，不仅促进了噪声检测技术的进步，还为

相关领域的工程应用开辟了更多的可能性。这些

优势使得本系统在船舶等噪声密集型行业中尤为

有价值，能有效地帮助工程师和研究人员进行更精

确的噪声分析和控制。

信迈提供ZYNQ定制服务。