（信号与信息处理专业论文）成像声纳信号源与信号采集系统设计实现.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 近年来，随着海洋开发和水下探测需求的日益增加，成像声纳的研究越 来越受到重视，其中信号源和信号采集系统作为成像声纳中不可缺少的组成 部分，对其进行深入的研究具有重要的现实意义。 高性能的信号源是高性能成像声纳系统得以实现的基本保证。d d s ( 直 接数字频率合成) 技术具有频率分辨率高、切换速度快、切换时相位连续等 优点，因此将该技术应用于信号源的实现有利于保证信号源的性能。传统的 d d s 采用r o m 查找表实现相幅转换，但通过这种方法实现高性能的d d s 需要 很庞大的r o m 表，论文针对其这一缺陷，使用c o r d i c 算法代替r o m 表实现 相幅转换，不仅能够获得较高的精度，还可以节省硬件资源。 多通道信号采集系统在成像声纳系统中起到承上起下的作用。为了充分 体现在高性能f p g a 平台上设计s o c 系统的思路，本文提出了多片由a d 转换 芯片、高性能f p g a 、c p c i 总线接口、h o t l i n k 串行数据传输接口组成的多 通道信号采集硬件系统设计方案，同时对其实现方法进行了系统的研究；并 在该硬件平台基础上完成了其逻辑设计，使其具有了信号采集、数据缓存和 数据上传的功能。 为了得到成像声纳所需的正交信号，需要获得信号的同相分量和正交分 量。本文在研究了带通采样定理及正交变换理论的基础上，分析了数字正交 变换的几种实现方法；利用v e r i l o gh d l 语言与i pc o r e 调用相结合的方法，采 用低通滤波器法实现了正交变换，在保证正确性和尽可能快的处理速度的同 时实现了资源合理优化。 论文使用f p g a 作为控制处理核心和传输桥梁，使系统具有良好的通用 性、可适应性、可扩展性和可调试性。 关键词：成像声纳；f p g a ：信号源；信号采集：正交变换 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n g r e q u i r e m e n t so fo c e a ne x p l o i t a t i o na n du n d e r w a t e r d e t e c t i o n ，t h ed e v e l o p m e n to fi m a g i n gs o n a rs y s t e mo b t a i n se x t e n s i v ea t t e n t i o n t h es i g n a ls o u r c ea n dt h e s i g n a la c q u i s i t i o ns y s t e ma r ei n d i s p e n s a b l ea n d i m p o r t a n tc o m p o n e n t so ft h ei m a g i n gs o n a r , m a k et h o r o u g hr e s e a r c ho nt h e ma r e o f g r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e h i 曲q u a l i t ys i g n a l s o u r c ei st h eb a s i cg u a r a n t e eo ft h er e a l i z a t i o no f h i 曲一p e r f o r m a n c ei m a g i n gs o n a r d d st e c h n o l o g yi so fh i g hf r e q u e n c yr e s o l u t i o n ， f a s t f r e q u e n c ys w i t c h i n gs p e e d ，a n dt h ea b i l i t yt os w i t c hf r e q u e n c i e sw h i l e m a i n t a i n i n gc o n s t a n tp h a s e ，a p p l y i n gt h i st e c h n o l o g yi n t ot h er e a l i z a t i o no fs i g n a l s o u r c ew i l l d e f i n i t e l yg u a r a n t e et h eq u a l i t yo fs i g n a ls o u r c e t r a d i t i o n a ld d s t e c h n o l o g yu s er o m t a b l et or e a l i z et h ep h a s e a m p l i t u d ec o n v e r s a t i o n ，b u ti tc o s t h u g er o mc e l l t h ed i s s e r t a t i o na p p l i e st h ec o r d i ca l g o r i t h mt or e a l i z et h e p h a s e a m p l i t u d ec o n v e r s a t i o ni n s t e a dw h i c hs a v e sf p g ar e s o u r c ea n da c h i e v e h i l g h e rp r e c i s i o n m u l t i - c h a n n e l s i g n a la c q u i s i t i o np l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h ei m a g i n g s y s t e m i no r d e rt of u l l yr e f l e c tt h ed e s i g ni d e a so ft h es o cs y s t e mo nh i 曲 p e r f o r m a n c ef p g ap l a t f o r m ，t h et h e s i ss u g g e s t e das c h e m eo fd e s i g n i n gt h ed a t a a c q u i s i t i o ns y s t e mw h i c hi sc o m p o s e do fa dc o n v e r t e r s ，h i g h - p e r f o r m a n c e f p g a ，c p c ib u si n t e r f a c ea n dh o t l i n ks e r i a ld a t at r a n s f e ri n t e r f a c ea n dr e a l i z e d i t t h et h e s i sf i n i s h e dt h e l o g i cd e s i g nb a s e do nt h eh a r d w a r ep l a t f o r ma tt h es a m e t i m ew h i c hc o m p l e t e si t sd a t aa c q u i s i t i o n ，s t o r a g ea n dt r a n s f e rf u n c t i o n i no r d e rt o g e t t h ep h a s ei n f o r m a t i o n ，i ti s n e c e s s a r yt od oo r t h o g o n a l t r a n s f o r m a t i o nt og e tt h ei n _ p h a s ec o m p o n e n t sa n dq u a d r a t u r ec o m p o n e n t so ft h e o r i g i n a ld a t a t h i sd i s s e r t a t i o na n a l y z e dt h em e t h o d st or e a l i z et h ea l g o r i t h m b a s e do nb a n d s a m p l i n g t h e o r e ma n dt h eb a s i c t h e o r y o f o r t h o g o n a l t r a n s f o r m a t i o n w i t hc o m b i n i n gv e r i l o gh d la n di pc o r ec a l l i n gt h ed i s s e r t a t i o n r e a l i z e dt h e d i g i t a lo r t h o g o n a lt r a n s f o r m a t i o n ，g u a r a n t e e si t s c o r r e c t n e s sa n d 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 p r o c e s s i n gs p e e da n d r a t i o n a lo p t i m i z e dt h er e s o u r c eu s a g ea tt h es a m et i m e t h et h e s i su s ef p g aa st h ec o n t r o l ，p r o c e s s i n gc e n t e ra n dt r a n s m i tb r i d g e ， w h i c hh i g h l yi m p r o v e di t sc o m m o n a l i t y , a d a p t a b i l i t ya n df l e x i b i l i t yo ft h es y s t e m k e yw o r d s ：i m a g i n gs o n a r ；f p g a ；s i g n a ls o u r c e ；s i g n a la c q u i s i t i o n ；o r t h o g o n a l t r a n s f o r m a t i o n 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用己在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：亍泵耄砌 日期： 刁年乡月疗日 l l 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 回在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：诱、之枇导师( 签字) ：耄苓节 日期：扩叫年乃月砰日圳年3 月l 了日 j l 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第l 章绪论 1 1 引言 一 当前，水下探测在各种领域中的应用越来越重要，如物理、生物、地理、 考古、工业等，但是人类能开发的海洋资源却远远不够。这是因为海洋环境 内在不确定性及传播介质的不稳定性都限制了人类对水下世界的感知和理 解。而声成像系统能克服复杂的水文环境，同时具有较远的作用距离，使得 它能在各种规模的水下探测中应用。 在一些水文条件比较恶劣的环境下，声成像受到的约束要比其他成像技 术小。例如在浑浊水域，光学成像系统的可见度受到限制，可视距离非常短； 而声能量能非常容易地穿透泥沙，声成像系统依然能正常工作。因而虽然已 有多种水下光学视觉系统，依然非常需要声成像系统。 声成像的另一大优势是工作距离远、探测范围大。光学成像虽然很精确， 但其成像范围十分有限，一般只有十几厘米。一般的光学摄像机在清澈的海 水中仅能够在1 0 米的距离内成像，而声学方法却可对十几米到几百米的区域 成像，且不受水文条件的限制。但是，声成像系统的分辨能力比光学系统低 很多，因而需要大力发展高分辨技术以提高水下声成像的成像质量。 声成像系统可作为水下机器人的声视觉系统起到“眼睛 的作用，担负 着发现机器人前方目标并对目标定位识别的任务；也可用在海底地形勘探中， 对海底被观测区域成像，使观察者对地形有直观的了解；近年来声成像也在 沉底雷、掩埋雷的探测方面发挥着重要的作用，它可有效发现并识别目标， 指导海底雷的清扫工作。它还在诸多民用场合发挥着重要的作用，如避障、 海床探测、残骸搜索、堤坝和水闸的检测、管道检测、电缆安装等，所以研 究和发展声成像技术是十分必要和迫切吲2 1 。 影响水下声成像系统分辨精度的因素主要有系统的工作频率和基阵的孔 径。为了获得较高的成像精度可以采用提高系统工作频率和增大基阵孔径的 方法。然而在水介质中，声波频率越高，介质对声波能量的衰减越大，因而 为了保证水下声成像系统的作用距离只能增大基阵孔径，而基阵孔径由于受 到制作和使用等多方面因素的影响不可能无限制增大。为了突破基阵孔径对 哈尔滨工程大学硕十学位论文 成像精度的限制，目前主要的解决方法有：声透镜技术；合成孔径技术；运 用高分辨算法在小孔径情况下的高分辨成像技术。但无论采用何种方式进行 水声成像，信号源和信号采集系统都是其不可缺少的重要组成部分。成像声 纳是由声纳站本身向水中发射特定形式的声波能量，利用回波信号来进行成 像，所谓特定形式的声能是指具有特定的频率、特定调制方式及脉冲长度等 的声波信号。那么声波信号是如何获得的呢? 声纳发射机首先产生具有这种 特定形式的大功率电信号，再通过换能器将电信号转换成为所需要的声信号。 一般的声纳发射机主要由波形发生器、多波束形成器和功率放大器组成，波 形产生器主要用于产生一定形式的波形信号p 1 。本设计中的信号源就是起到波 形发生器的作用，作为发射机最前端部分，对其进行深入研究是很有必要的。 在成像声纳系统研制过程中，试验数据的获取非常重要。通常，一套系统从 设计到成型，中间需要进行大量的试验，为了分析系统设计的合理行、检验 算法的有效性、测量性能指标，常常需要将大量的试验数据保存下来。随着 成像声纳实时性的提出，信号处理速度决定了系统实时性的能力，这对信号 处理平台就提出了很高的要求，而在信号采集平台上对数据进行预处理可以 大大地减轻信号处理平台的运算压力，这就要求信号采集系统能够进行信号 处理。现有的高速数据采集卡价格昂贵且无法完全满足系统的要求，所以研 制一套高性能、适应本系统特点的信号采集系统是非常有意义的。 论文正是基于成像声纳系统，在对信号源与信号采集系统进行深入研究 的基础上，设计并实现其信号源与信号采集系统。 1 2 声呐信号源与信号采集技术 1 2 1 d d s 信号源技术 信号源的任务是产生具有一定的重复周期、脉冲宽度和填充频率的信号， 如要产生频率编码信号或调频信号就要求信号频率按一定的规律变化，这种 信号可以用模拟电路来产生，但其存在精度差、抗干扰能力弱、功能有限的 缺点。近代声纳的趋势是用微计算机或微处理器控制下的硬件电路产生，如 用直接频率合成器或读取事先存放在r o m 中的波形数据来产生，但无论采用 何种方式，其原理都是基于d d s 技术来产生所需波形信号的。 1 9 7 1 年，美国学者j t i e m c y ，c m r a d e r 和b g o l d 提出了以全数字技术从 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 相位概念出发，直接合成所需波形的一种新的频率合成原理。限于当时的技 术和器件水平，它的性能指标尚不能与已有的技术相比，故未受到重视。近 年来，随着数字技术的发展以及器件制作工艺水平的提高，直接数字式频率 合成( d i r e c td i g i t a ls y n t h e s i s ) 得到了飞速的发展，它在工作频率范围、频率转 换速度、频率分辨力、相位连续性、正交输出以及集成化方面的性能都超越 了传统的频率合成器所能达到的水平，使频率合成技术大大地前进了一步。 d d s 是用数字控制方法从一个标准参考频率源产生多种频率的技术，它 是把一系列数字量形式的信号通过d a 转换形成模拟量形式的信号的合成技 术。利用高速存储器作查找表，然后通过d a 转换器产生已经用数字形式存 入的正弦波。d d s 在相对带宽、频率转换时间、相位连续性，正交输出、分 辨率以及集成化等一系列性能指标方面远远超过了传统频率合成技术所能达 到的水平，为各种电子系统提供了优于模拟信号性能的高质量的频率源。目 前它正朝着系统化、小型化、模块化和工程化的方向发展，性能越来越好， 使用越来越方便，是目前应用最广泛的频率合成技术之一h 。 d d s 的基本原理是利用采样定理，通过相位幅度转换单元产生波形。其 基本的电路原理图如图1 1 所示。 图1 1d d s 结构框图 d d s 主要由相位累加器、相位幅度转换器、数模转换器以及低通滤波器 四部分组成。在时钟频率触的控制下，位频率控制字k 在每个时钟周期 内与相位累加器中的相位进行一次累加，将累加结果送入相位幅度转换器中， 相位幅度转换器根据输入的相位值，将相位信息转化为相应的数字量化幅度 字。输出的量化波形序列经d a 转换器将数字信号转变成模拟量形式的阶梯 波，再经过低通滤波器得到一个平滑的波形。 d d s 的输出频率和最小分辨率由时钟频率和频率控制字决定，输出频率 f 0 为( k 2 ) f o , k ，频率分辨率v 为f o l k 2 “。 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 相位累加器用于实现相位的累加并存储其累加结果。 相位幅度转换单元是d d s 的关键模块。根据相幅转换方式的不同，大致 可以分为两类：查表法和计算法p ，。 基于r o m 的查表法指在r o m 中存储完整或部分的正弦信号，相位累加 器的输出作为读取r o m 的地址信号。此时，相位累加器的位数w 决定了输 出信号的频率分辨精度，r o m 地址位数a 决定相位分辨精度，而r o m 的样 点位数决定了幅度的分辨精度。因此，采用此类方法实现高性能的d d s 要求 很庞大的r o m 表p 1 。传统的读取事先存放在r o m 中的波形数据来产生信号 的方法就属于查表法。 基于函数计算的方法是指对相位累加器输出的相位值通过数学计算的方 法得到对应的幅度值，从而实现相位幅度转换。最常见的计算法有t a y l o r 级 数近似算法和c o r d i c 算法。t a y l o r 级数近似算法是对正弦函数在某一点进行 t a y l o r 级数展开，取前三项分别赋予不同的权值后存于3 个r o m 中，最后由运 算电路进行合成。但由于t a y l o r 级数近似算法中要用到乘法器，所以在硬件 的复杂性和速度上受到限制，而c o r d i c 算法在硬件实现上只需要移位和加、 减法运算，容易实现，且更节约资源。 随着信息技术、大规模集成电路技术的迅猛发展，d d s 技术已成为现阶 段信号源技术的主要发展方向之一，越来越多的信号源都采用d d s 技术。信 号源作为成像声纳系统重要的组成部分，结合c o r d i c 算法使用d d s 技术 对其进行设计既有利于保证成像声纳系统整体性能又能够节省硬件资源。 1 2 2 信号采集技术 “数据采集”是指将温度、压力、 字量后，再由计算机进行存储、处理、 数据采集系统。 流量、位移等模拟量采集、转换成数 显示或打印的过程。相应的系统称为 随着计算机技术的飞速发展和普及，数据采集系统也迅速地得到应用。 在生产过程中，应用这一系统可对生产现场的工艺参数进行采集、监视和记 录，为提高产品质量、降低成本提供信息和手段。在科学研究中，应用数据 采集系统可获得大量的动态信息，是获取科学奥秘的重要手段之一。随着技 术的发展，各种各样基于数字化的产品不断推陈出新，给人们的生活带来了 4 哈尔滨工程大学硕十学位论文 极大的好处。数字化之所以能广泛的得到应用，其主要在于以下两个优点： ( 1 ) 数字处理灵活、方便。在声纳领域，正在构建一个较通用的平台，通过 软件来实现现在许多“僵化”硬件平台的功能。这正是基于数字化带来的灵 活性。( 2 ) 数字系统稳定可靠。在早期，较之模拟系统，数字系统的最大优 点就在于有良好的稳定性。数据采集的任务，就是采集传感器输出的模拟信 号并转换成计算机能识别的数字信号，然后送入计算机或相应的信号处理系 统，根据不同需要进行相应的计算和处理，得出所需的数据。与此同时，将 计算机得到的数据进行显示或打印，以便实现对某些物理量的监视，其中一 部分数据还将被控制生产过程中的计算机控制系统用来控制某些物理量。数 据采集几乎无孔不入，它已渗透到了地质、医药器械、雷达、通讯、遥感遥 测等各个领域，为人们更好的获取信息提供了良好的基础。 典型的数据采集系统的构成是由a + d s p + f p g a + d a 。其中a d 完成 把模拟信号转化为数字信号，d s p 用来对a d 采样后的数据进行处理，而 f p g a 是用来对整个系统进行控制，而d a 是用来将输出的数字信号转化为 模拟信号而来驱动外部设备，当采样频率很高时，d a 采样的数据量很大， d s p ( 数字信号处理器) 来不及对采样后的数据进行处处理，所以此时一般 在d a 和d s p 之间使用f i f o ( f i r s ti nf i r s to u t ) 或者双口r a m 来对采集后的 数据进行缓存，如果数据量特别大，有时还要使用d r a m ( 同步动态存储器) 来对采集后的数据作以保存。由于现在使用的d s p 内部数据存储器和程序存 储器容量不够，往往外挂r a m 作数据存储器。外挂r o m 或f l a s h 作为程 序存储器。同时，采集集系统有时需要与外界进行数据交换，所以需要设置 一些对外接口，比如，采集卡有时需要与计算机进行数据交换，就可以在采 集卡上设计一些s c s i 、i s a 、u s b 、串口或并口等接口。当系统的工作频率 很高时，在低频时不大明显的信号完整性和电磁兼容性问题就突出地表现出 来。所以，此时对p c b 的布局和布线就相当严格，通过适当的布局和布线， 可以将影响信号完整性的因素降低到很低的水平。为了合理的进行布局和布 线，使用具有仿真功能的e d a 工具就显得尤为必要，在p c b 布局和布线之 前，对布局的拓扑结构和布线进行仿真，为实际的布局、布线提供有力的参 考。 现在的a d 的采样频率可达g h z 的量级，有效位可达1 0 位。对于采样 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 频率较低的a d ，其有效位可达1 6 位以上。数字信号处理器d s p 的时钟频 率可达6 0 0 m h z 以上，每秒钟能够进行千万次以上的乘加运算。f p g a 的时 钟频率也可达到1 0 0 m h z 以上，内部逻辑门数可达5 0 0 万以上。s d r a m 的 容量单片可达6 4 m b y t e ，并且可以多片级联，能够满足高速缓存的需要。d a 的位数可达1 8 位以上，转换时间可以达到小于1 微秒。现在的一些总线，比 如p c i 总线，传输速率可达1 3 2 m b y t e s 。u s b 总线，传输速率可达4 8 0 m b i t s ， 可以满足数据采集卡与其它设备的高速数据传输。所有这些条件，都使数据 采集向宽带、高速方向发展成为现实降。 由于要求具有较高的距离和方位分辨率，成像声纳一般采用较高的工作 频率，一般采用多元阵，基阵输出的信号路数较多，因此要求相应的采集系 统为多通道采集系统。但通道数多就带来了各个通道之间信号的一致性这个 问题，同时多通道和高采样率这两个因素又使得采集的数据量比较庞大，这 都对信号采集系统提出了较高的要求，论文正是从多通道和大数据量这两方 面对信号采集系统进行研究。 1 3 基于f p g a 实现信号源与信号采集的优势 f p g a 是八十年代中期出现的新型高密度、可编程逻辑器件。它是在p a l 、 q 也、e p l d 等可编程器件的基础上进一步发展的产物。在f p g a 中，一般都 内嵌有可配置的高速r a m 、p l l 、l v d s 、l 、，t t l 以及硬件乘法累加器等模 块，用f p g a 来实现数字信号处理可以很好地解决并行性和速度问题。通过编 程，可以快速的把一个通用的f p g a 芯片配置成用户需要的硬件数字电路，其 灵活的可配置特性，使得f p g a 构成的d s p 系统易于修改、测试和升级，从而 使系统的设计更加便捷，节省设计的周期和费用。 目前利用d d s 芯片开发的信号源比较多，它们输出频率高、波形好、功 能也较多，但同时也存在着很多缺陷。采用f p g a 设计d d s 信号源与之相比较， 具有如下优势：专用d d s 芯片实现的信号源需要微控制器的协助，才能发挥 其优势，而基于f p g a 的d d s 信号源，可在一片f p g a 芯片上实现信号源的产 生和控制，并且只要改变波形信息的数据，就可以灵活的实现任意波形发生 器；专用d d s 芯片实现的信号源功耗大、价格高，而将d d s 信号源设计嵌入 至t j r m a 芯片所构成的系统中，其系统成本并不会增加，而且可以实现更多更 6 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 加复杂的功能。因此，采用f p g a 设计的d d s 信号源具有很高的性价比。此外， f p g a 芯片支持在线可编程，只要根据设计要求，对系统进行在线分析，就可 以设计出符合要求的最佳设计p ，。 在信号采集方面，传统的信号采集系统通常采用d s p ( 数字信号处理器) 作为c p u ，控制a d c ( 模数转换器) 、存储器和其他外围电路的工作，其优 点是构成简单、实现方便且价格低廉。但基于d s p 的信号采集系统存在问题， d s p 虽然可以实现较高速的信号采集，但是它更适于实现算法而不适合逻辑 控制。而f p g a 时钟频率高，内部时延小；全部控制逻辑由硬件完成，速度快、 效率高，适于大数据量的高速传输控制；另外，f p g a 组成形式灵活，可以集 成外围控制、译码和接口电路，具有d s p 无法比拟的优势。 实现数字信号处理主要有两种形式： ( 1 ) 使用数字信号处理器，通过软件编程来实现。d s p 以其低功耗、高 速、高集成度和高性价比，在军用、工业和民用领域担负越来越重要的任务， 特别是在现代信息产业，许多通信系统功能逐渐由硬件定义向软件定义的方 向发展，而d s p 是实行这一转变的不可缺少的核心技术。比如t i 公司的d s p c 6 7 x 系列实现1 0 2 4 个复数点f f t 达至1 5 6 u s 量级处理速度，需要多片d s p 芯 片并接。利用软件编程来实现，虽然有很大的灵活性，但受d s p 本身性能及 程序指令顺序执行的限制，难以实现高速、大规模运算。 ( 2 ) 应用专用集成电路芯片( a s i c ) 来实现。专用集成电路芯片可以 实现很高的运算速度，非常适合高速信号处理系统的应用。但a s i c 芯片不能 重新组态，可编程能力有限，在产品发展过程中，它的功能无法任意修改或 改进。因此，任何的线路改版都需要重新设计并且重新制造，这不仅增加开 发成本，而且造成产品快速上市的障碍，不太适合处理算法和参数经常改变 的场合。 ， 现代大容量、高速度的f p g a 的出现，克服了上述方案的诸多不足。f p g a 实现数字信号处理最显著的特点就是高速性能好。以软件方式控制操作和运 算的系统速度显然无法与纯硬件系统相比，因为软件是通过顺序执行指令的 方式来完成控制和运算步骤的，而用h d l 语言描述的系统是以并行方式工作 的。以对a d 进行数据采样控制为例，采样周期包括对a d - i - _ 作时序的控制和 将每一次获得的数据存, h r a m ( 或f 巧o ) 中。工作于1 2 m h z 晶振频率的m c s 一 7 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 5 1 系列单片机对a d 控制的采样频率约为2 0 k h z ，即每秒两万次。但若用 f p g a 中设计的状态机来完成同样的工作，如对于具有流水线采样工作时序的 a d 来说，只需两个状态即可完成一次采样，状态间转换的时间仅为一个时 钟周期，而如果f p g a 的工作频率是1 0 0 m h z ，则采样频率可达5 0 m h z 。这在 算法方面同样具有巨大的优势。用f p g a 实现3 2 阶8 位f i r 滤波器的处理速度 为1 0 5 m s p s 时，用d s p 芯片实现的滤波器要达到相当速度，则需要指令执行 速度为3 3 6 0 m i p s ，目前还没有如此高速的单处理器d s p 芯片2 1 。 1 4 论文的主要内容 本文在对信号源和信号采集系统进行深入研究的基础上，完成了基于 f p g a 的成像声纳系统信号源和信号采集系统的设计和实现，并在信号采集系 统平台上对采集到的数据进行了预处理。论文的主要内容包括： ( 1 ) 在对成像声纳系统的整体硬件结构进行研究的基础上对本次设计所 涉及的成像声纳信号源与信号采集系统的结构功能进行了深入的理解和研 究，并完成基于f p g a 的成像声纳信号源与信号采集系统的方案设计与论证。 ( 2 ) 成像声纳信号源与信号采集系统的硬件设计、调试。其中信号源硬 件部分包括数模转换电路和模拟低通滤波器电路；信号采集系统包括信号采 集电路、c p c i 桥接电路、h o t l i n k 电路、相位测试电路、主控电路及它们之 间的接口。 ( 3 ) 成像声纳信号源与信号采集系统逻辑设计。这部分主要包括主控芯 片对模数转换芯片、数模转换芯片、c p c i 桥接芯片以及h o t l i n k 芯片的时序 控制，同时在完成信号采集的基础上实现了对数据进行缓存和按通道排序。 ( 4 ) 基于f p g a 的原始数据预处理。在带通采样定理和正交变换理论的 基础上研究了正交变换的实现方法；分析和归纳了数字混频正交变换的实现 方法并在f p g a 平台上采用低通滤波法完成了数字正交变换。 8 哈尔滨1 = 程大学硕士学位论文 第2 章信号源与信号采集系统硬件电路设计 2 1 成像声纳系统结构 本设计中成像声纳系统分为水下湿端基阵部分和水上千端发射、接收、 采集、处理部分，系统结构框图如图2 。1 。出于对便携性的考虑，水上干端模 块全部位于工控机机箱内。考虑到数据量和传输及处理速度上的要求，平台 采用c p c i 总线3 u 结构与主机进行数据传输，其最高能够实现6 4 位、6 6 m h z 的数据传输。 图2 1 成像声纳系统结构框图 2 2 信号源与信号采集系统总体结构及指标 信号源信号采集系统是整个成像声纳系统的重要组成部分，信号源是高 性能成像声纳得以实现的基本保证，信号采集系统在整个成像声纳接收部分 中则起到承上启下的作用。 信号源使用f p g a 设计符合要求的d d s 电路，并将c o r d i c 算法应用 于d d s 的相位幅度转换模块以节省f p g a 资源，同时也能够达到更高的精度。 信号采集系统的主要任务是对4 8 通道的信号进行同步的模数转换，转换为数 字信号数据流之后进行预处理，并传送至信号处理平台。信号采集系统主要 由a d 转换电路、主控电路及数据传输接口电路组成，系统结构框图如图2 2 。 系统的控制核心为f p g a ，f p g a 选用的是a l t e r a 公司c y c l o n ei i 系列的 f p g a 芯片e p 2 c 3 5 f 4 8 4 c 8 芯片，完成对前端a d c 的时序逻辑控制，以及对 采集到的数据进行数据缓冲、预处理，并通过对数据传输接口电路的时序控 9 哈尔滨工程大学硕十学位论文 制将数据输出，d s p 用于完成相位一致性测试。 图2 2 信号源与信号采集系统框图 按照成像声纳系统设计要求，信号源信号采集系统的性能指标如下： ( 1 ) 信号源： 、 提供4 通道频率不同的c w 脉冲，频率分别为1 3 5 k ，1 4 5 k ，1 5 5 k ， 1 6 5 k 。 ( 2 ) 信号采集系统： 曲输入通道：4 8 通道单端输入； b ) 采样速率：8 5 7 k s p s ： c ) 采样精度：5 v 2 1 2 = 1 2 2 m v 。 2 3 信号源硬件设计 d d s 技术的实现依赖于高速、高性能的数字器件。可编程逻辑器件以其 速度高、规模大、可编程，以及强大e d a 软件支持等特性，十分适合实现 d d s 的设计。本设计采用f p g a 实现d d s 信号源，其硬件结构图如图2 3 。 本节详细介绍其各部分硬件电路设计。 图2 3 信号源硬件结构框图 2 3 1 数模转换电路设计 由f p g a 产生的信号是数字信号，而信号源需要产生的是模拟信号，数 l o 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 模转换模块就起到将数字信号转换成为模拟信号的作用。 a d 7 9 4 3 是a d 公司推出的一款1 2 b i t 电流输出的乘法串行d a 转换器， 电源电压的范围从+ 3 3 v 到+ 5 v ，本论文采用+ 5 v 供电，参考电压由r e f 3 0 4 0 提供。a d 7 9 4 3 可以被配置成两种不同的操作模式：单极性模式和双极性模 式，本论文采用的是双极性模式。图2 4 所示的是双极性模式下a d 7 9 4 3 的 一种标准电路连接图，图中电路只画出了d a c 部分。 当a l 是高速运放时，需要c 1 ( 5 1 5 p f ) 来做相位补偿，电阻r 1 和r 2 用于 增益误差调整，在对增益误差要求不是很严格的电路中可以不使用扪。 r 42 0 k n 眦。q i 怎d 淼a c 黔k r 5 - ，v - 2 0 l n 旷 a g 帅电姗a l g r o u n d 图2 4 双极性模式电路连接图 2 3 2 模拟滤波器设计 a d 7 9 4 3 是电流输出的数模转换器，通过图2 4 中运放a l 和a 2 后将电 流输出转化为电压输出，但是经过d a c 后输出的电压是阶梯状的锯齿波， 需要将输出信号经过模拟滤波器进行平滑滤波后才能得到一个较理想的正弦 波信号。 由于信号源所产生的信号为中心频率为1 5 0 k ，带宽为3 0 k 的四个不同 频率的信号，只需要设计一个截至频率高于1 6 5 k 的低通滤波器就可以将高 频谐波分量滤除，得到所需波形。 模拟滤波器电路分为有源滤波网络电路和无源滤波网络电路。无源滤波 网络电路主要由电容和电阻组成，其特点是电路结构简单、成本低廉，但是 它的电压放大倍数低，带载能力差，滤波特性容易受负载影响，同时由于滤 波器参数是由电阻和电容确定的，所以电阻和电容的参数精度决定了滤波器 参数的精度，这些因素导致无源滤波器滤波特性常常不符合系统要求。 有源滤波电路有两种构成方式，一种是采用电阻、电容和集成运放相结 1 1 哈尔滨工程大学硕士学位论文 合设计的电路；一种是采用单片集成的滤波芯片并结合一定的外围器件设计 的电路。第一种方式由于使用了集成运放，使得该滤波电路提高了带内的放 大倍数和带载能力，但是由于元器件比较多，调试比较复杂。第二种方式由 于滤波器的参数是由集成芯片所确定的，不受外界因素的制约，所以可以做 的很稳定，但由于集成滤波器芯片体积较大，噪声和功耗较高，在高密度电 路板中发热严重，所以不适合在高密度的情况下应用4 1 。综合考虑以上因素， 本论文采用第一种方式，选用集成运放a d 8 0 6 6 和电阻、电容相结合来设计 低通滤波器，其电路图如图2 5 所示。 o t 6 图2 5 低通滤波器电路原理图 2 4 信号采集电路设计 2 4 1a d 转换芯片的选择 信号采集电路是整个信号采集系统的起始部分。a d 转换芯片在f p g a 的控制下将模拟信号进行采样、量化、编码后存入f p g a 内部缓存f i f o 等 待主机或者处理板的读取。 对模拟信号的转换是由a d 转换器完成，随着超大规模集成电路的发展， 为满足各种不同的检测和控制任务的需要，大量结构不同、性能各异的a d 转换器应运而生。有传统的并行型、逐次逼近型、积分型，也有近年来新发 展起来的型和流水线型等，在选取a d 转换器的时候要根据不同的应用 场合和性能指标的要求选取不同类型的a d 转换器。低功率、高速度、高分 辨率是新型的a d c 的发展方向，同时a d c 的这一发展方向将适应现代数字 电子技术的发展习。 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 本论文设计要求的采样精度为1 2 位；根据带通采样定理并考虑后续正交 变换的实现，采样速率选取8 5 7 k s p s 。根据上述设计要求，选用a d 公司的 a d 7 8 6 5 。a d 7 8 6 5 是美国a n a l o gd e v i c e 公司生产的一种高速、低功耗、四 通道同步采样的1 4 位a d 转换器，采用+ 5 v 供电。芯片内部有一个2 4 u s 的 逐次逼近的a d c ，4 个采样保持放大器，内部2 5 v 参考电压，片上时钟振 荡器和一个高速并行接口，四个通道的输入信号是同步采样的，最大转换速 率可以达到1 0 0 k s p s 。该芯片系列有a d 7 8 6 5 一l 、a d 7 8 6 5 2 、a d 7 8 6 5 3 三种 型号制，本次设计采用的是a d 7 8 6 5 1 ，它允许士1 0 v 、士5 v 两种输入范围。 2 4 2 模数转换电路设计 信号采集系统的控制核心是f p g a ，a d 转换器的控制信号全部由f p g a 产生提供，包括c o n v s t 、r d 、c s 信号，同时f p g a 也通过a d 转换器传 回的信号来判断其所处状态。由于系统中包含4 8 通道模拟信号的采集，每一 片a d 7 8 6 5 可以完成4 通道的模数转换，这样就需要1 2 片a d 7 8 6 5 ，为了保 证他们能够同时对模拟信号进行采样，将它们的开始转换信号c o n v s t 接在 一起，考虑到f p g a 的i o 管脚的驱动能力，增加了一级时钟缓冲器，选用 的器件是c d c v 3 0 4 ，它能够将一个控制信号转换称为4 个完全相同的控制信 号，同时在布线过程中注意a d 控制信号走线长度一致，就能够保证了各通 道同时对信号进行采样。 a d 7 8 6 5 连接到f p g a 的信号描述及其作用： c o n v s t - a d 采样开始信号，取决于采样率，当采样计数器计到设定 值产生该信号。 b u s y ：忙信号，a d 输出。c o n v s t 触发该信号为高直到转换完成， f p g a 通过读取该信号可以判断a d 转换芯片当前状态。由于将4 片a d 7 8 6 5 作为一组，而且它们同时进行采样，判断4 片芯片的b u s y 信号都为低时即 可以按顺序读取1 6 通道的数据。 c s ：片选信号，当此信号为低时芯片被选中，可以进行读写操作。 r d ：在c s 和r d 信号都为低时，数据被锁存到数据线上。 在本论文中，由于接收机传回的信号的电压范围时一5 v - - - + 5 v ，硬件上选择 输入范围+ 5 v ，采用4 通道数据连续读取的方式读取数据，其硬件连接图如 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 6 所示。 图2 6a d 硬件电路 2 5c p c i 总线桥接方案设计 2 5 1c p c i 总线简介及接口电路实现方法 对于工业控制行业而言，总线技术一直是技术进步的关键所在。1 9 8 1 年， m o t o r o l a 提出v m e 总线标准，因其具有可靠性极高，散热性能好，易于安 装和移动等优点，在上世纪8 0 年代广泛应用于电信、军事等领域。然而，随 着高科技工业的阔步发展，对于技术、价格的要求也日益提高，传统v m e 总线标准的劣势也逐渐暴露了出来：由于v m e 总线采用专用的工业设计方 法，成本昂贵且应用范围有限；v m e 环境的软件移植必须定制，增加了验证 和支持的工作量等。2 0 世纪9 0 年代，p c i 总线作为台式机系统的业界标准被 千百万台计算机采用，但是它无法提供高度的可靠性，也不能满足高可用性 系统对正常运行时间的要求。而且，其主板很难散热，主板边缘接头可靠性 低，在更换主板时极易受到损伤。显然，p c i 也无法为现代工业控制提供性 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 能优良的解决方案。为了充分利用上述两个标准的优点，而避开它们的局限 性，包括s u n 在内的4 0 0 多家计算机供应商和制造商合作开发了c o m p a c t p c i 标准。c o m p a c t p c i 特别汲取了v m e 的精髓( 密集坚固的封装，大型设备的 极佳冷却效果) ，并与p c i 的优势( 廉价、易于采用最新互连和处理能力的快 速芯片) 巧妙地结合在一起，既保证高可靠度，又降低硬件和软件的开发成本。 目前c o m p a c t p c i 已经取代v m e 以及s t d 工业标准，成为工业领域的新一 代标准，更为重要的是，它还成为服务器背板市场中的主力军7 1 。 c o m p a c t p c i 之所以能在电信和c t i 等多个领域都得到广泛应用和普遍