（信号与信息处理专业论文）某图像声纳系统数据采集与传输控制设计与实现.pdf

哈尔滨工程大学硕十学位论文 摘要 近年来，随着海洋资源开发和海洋防卫技术的快速发展，人们对高分辨 率成像声纳的需求越来越迫切。目前，传统成像声纳通常使用电子波束形成， 数据吞吐量和计算量较大，透镜声纳克服了传统声纳的这些缺点，因此受到 了广泛的关注。 本文在给定的技术指标的基础上，完成了透镜声纳系统部分模块的设计 和调试，以及声纳系统整体的联调，基本实现了透镜声纳的功能。其中模块 的设计和调试包括硬件和软件两个部分。硬件部分主要完成了控制模块、电 源模块和数据转接板的设计和调试，数据采集模块的调试；软件部分完成了 控制和采集模块f p g a 程序的设计和调试，以及控制模块单片机程序的设计 和调试。各模块调试成功后进行了系统联调，本文中详细叙述了系统联调的 方法和步骤，给出了关键的实验数据和图片，并对其实验结果作出了分析。 根据软硬件的调试结果，本系统工作正常、稳定，符合设计要求，为将 来要进行的水池试验打了良好基础。 关键词：成像声纳，f p g a ，单片机，控制，采集 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a bs t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm a r i n er e s o u r c e se x p l o i t a t i o na n d m a r i n ed e f e n s et e c h n o l o g y ，t h er a p i dd e v e l o p m e n to fh i 曲r e s o l u t i o ni m a g i n g s o n a rb e c o m e sm o r eu r g e n t c u r r e n t l y ，e l e c t r o n i cb e a m f o r m i n gi su s u a l l yu s e di n t r a d i t i o n a li m a g i n gs o n a r ，i nw h i c hd a t at h r o u g h p u ta n dc o m p u t a t i o ni sl a r g e 1 e n s s o n a rh a sb e e nw i d e s p r e a dc o n c e r n e df o ri to v e r c o m e st h e s es h o r t c o m i n g so f t r a d i t i o n a ls o n a r p a r to ft h el e n sm o d u l es o n a rs y s t e md e s i g na n dd e b u g g i n g ，a sw e l la st h e d e b u g g i n go ft h es o n a rs y s t e ma sa w h o l ea r ec o m p l e t e da n dt h ef u n c t i o n so ft h e l e n ss o n a ra r eb a s i c a l l yi m p l e m e n t e di nt h i sp a p e r ，w h i c hi sb a s e do nt h eg i v e nt h e t e c h n i c a lp a r a m e t e r s m o d u l ed e s i g na n dd e b u g g i n gw a sd e v i d e di nt w op a r t s ， w h i c ha l eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e i nt h eh a r d w a r ep a r t ，c o n t r o lm o d u l e s ，p o w e r m o d u l e sa n dd a t ac o m m u t a t o rb o a r da r ed e s i g n e da n dd e b u g g e d , a n dt h ed a t a a c q u i s i t i o nm o d u l ei sd e b u g g e d ；i nt h es o f t w a r ep a r t ，t h ef p g ap r o g r a m si n c o n t r o lm o d u l ea n dd a t aa c q u i s i t i o nm o d u l ea r ed e s i g n e da n dd e b u g g e d ，a sw e l l a st h es i n g l e - c h i pp r o g r a mi nc o n t r o lm o d u l e a f t e rt h em o d u l ed e b u g g i n gi s s u c c e s s f u l ，t h es y s t e mi sd e b u g g e da saw h o l e ，o fw h i c ht h ed e b u g g i n gm e t h o d s a n ds t e p sa r ed e s c r i b e di nd e t a i la n dt h ek e ye x p e r i m e n t a ld a t aa n dp i c t u r e sa l e l i s t e da n da n a l y s e di nt h i sp a p e r a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so ft h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e b u g g i n g , t h es y s t e m i sn o r m a l ，s t a b l ea n dc o n s i s t e n tw i t ht h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s ，a n dl i e sag o o d f o u n d a t i o nf o rt h ee x p e r i m e n t a t i o ni nt h ep 0 0 1 k e yw o r d s ：i m a g i n gs o n a r ；f p g a ；s i n # e - c h i p ；c o n t r o l ；c o l l e c 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、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中己注明引用的内容外， 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入承担。 作者( 签字) ：故辫 日期： 油尹年弓月, , z e i | 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( 口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) ：峨啄 日期：砷7 年弓月矿日 导师( 签字) ：聿诵 尸年月沪 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 论文背景及意义 众所周知，海洋蕴含着丰富的矿产和能源，同时又具有重要的军事地位， 是国防保卫的重要对象，海洋开发日益受到人们的重视。首先，在能源日益 紧张的今天，可持续发展的思想已深入人心。特别是针对中国人口密度大， 人均资源相对紧张的现状，可持续发展势在必行，开发新的能源和空间十分 必要。海洋是我们的矿产和能源宝库，具有巨大的开发潜力。其次，我国海 岸线绵长，海域辽阔，除了带动经济发展的积极作用，海洋也会给我们带来 很多不安全的因素。要有力地维护国家主权，必须充分了解我国海域的特点， 了解海底的地形地貌状况。但是由于海洋环境的复杂性和多变性，使得人类 对海洋的认识尚存在许多空白。同时由于技术发展的局限性，我们还不能对 它进行有效的勘探和开发。海洋环境不适合人类生存的特殊性也给人类的勘 探和开发造成了相当大的阻碍和困难。 进行水下探测和通信，光信号和电磁波等都无能为力，因为它们的作用 距离都相对较小。声信号是水下信息远距离传递的唯一有效媒介。声波不仅 可以在水中进行长距离的传输，而且它还携带有反射目标的相关信息。利用 声波对水下目标进行探测、定位、跟踪、识别，以及利用水下声波进行通信、 导航、制导、武器的射击指挥和对抗等方面的水声设备称为声纳。成像声纳 是声纳领域的一个重要的研究方向，成像声纳的功能是目标探测、定位及识 别。利用成像声纳对水下环境和目标进行探测可以为机器人的航行和作业提 供可靠的数据；对海底地形、地貌进行探测还可以绘制出地形、地貌的三维 直观图。因此成像声纳可以满足人们探索海底世界的需要。随着声纳技术的 发展和硬件处理速度的加快，不断开发出高处理速度、高分辨率的水下成像 声纳成为可能。开发具有世界先进水平的高分辨率成像声纳成为我们的迫切 需求。 从上面我们可以看到成像声纳有着十分广泛的用途，不仅关系到军事方 面，而且还关系到国民经济生活发展的很多方面，所以研究和发展成像声纳 是十分必要和迫切的。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 目前，成像声纳的波束形成技术多采用模拟或数字电路的波束形成手段， 它的规模和功耗会随着基元数量的增加而增加，数据吞吐量大，运算复杂。 本论文摒弃了传统的设计方法，使用声透镜来实现波束形成，体积小、无功 耗，且大大简化了电路规模。由于声透镜具有高分辨率和快的成像速度，使 得它能够得到高质量的声图像，这对于在混浊及黑暗的水域进行近距离声成 像有着重大的意义。本文设计的数据采集与传输控制系统同时可以运用到普 通的成像声纳中，也可以应用到透镜声纳中。 1 2 成像声纳发展现状 成像声纳与普通多波束声纳的区别，在于它具有更高的分辨率，从而可 以提供水下目标外形轮廓的更多细节描述，而不是把水下目标看成一个点目 标。高分辨率成像声纳在对水下目标进行成像时，能够提供非常优秀的图像 质量，从而可以对目标进行进一步的跟踪和识别。成像声纳的应用范围很广： 声视觉导航：给出障碍物的距离和方位信息 海底地貌测绘：提供海底的等高线图和地理参考数据 残骸搜索：提供失事船只残骸的详细信息 堤坝的监测：提供堤坝的裂缝信息 管道检测：对海底石油输送管道进行安全检测 桥墩探伤：检测受损桥墩的险情 海港监视：给出水下目标的回声及运动轨迹和速度 海床探测：矿产资源和能源勘探 目前世界各国对高分辨率成像声纳的研究和设计开发给予了高度重视， 当前成像声纳的研究主要有三个方向：第一个是以二维基阵为基础，实时获 得目标的空间三维图像；第二个是以一维线阵为基础，获得目标的二维图像， 可以通过空间拟合的方法获得三维立体图像；第三种是以声透镜技术为基础， 获得目标的实时动态视频图像。下面将分别予以介绍。 1 、三维回波成像成纳( e c h o s c o p em a r ki i ) e c h o s c o p em a r ki i 是由英国c o d ao c t o p u s 公司研制，是一个真正的三 维实时成像声纳系统，它采用一个4 8 4 8 的相控二维阵，具有2 3 0 4 路电子 通道，通过采用神经网络并行处理器执行数字波束形成能够同时产生1 6 3 8 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 个波束，对1 0 0 米范围内的静止和运动目标进行实时成像，探测中，在获得 目标的连续帧图像的同时，能够产生目标的空间三维图像，而且系统能够达 到2 0 帧秒的图像刷新率，可以装载到各种a u v 、r o v 上进行水下作业，可 广泛应用到港口码头、水下建筑物、船体外壳等的成像检测，并且还可以用 于混浊水条件下的蛙人警戒探测。 2 、e c h o s c o p e l6 0 0 b 三维实时成像声纳系统 e c h o s c o p e l 6 0 0 b 三维实时成像声纳系统是在欧共体和挪威国家基金十 年计划支持下研制的。该声纳不仅能够对移动目标进行成像，而且还能在三 维环境中把目标重建出来，同时提取出空间中的三维坐标( x ，y z ) 。它还可 以在三维场景中加入虚拟的三维模型，这样不仅能够增加场景的真实感，还 能够把实际成像效果和原始模型进行对比从而评价三维成像声纳系统的性 能。其中最重要的是它能够产生一个刷新率为2 1 0 幅秒的水声视频图像， 使一个目标的移动轨迹能够实时的显示出来。 其声纳系统具有如下的特点： 1 6 0 0 个接收通道 接收灵敏度：一1 9 8 d b( 参考：p e a ) 时变增益控制( t v g ) ：7 0 d b 探测距离范围：1 5 0 k h z ：2 0 0 米 3 0 0 l d z ：1 5 0 米 6 0 0 k h z ：1 0 0 米 一 低功耗：7 0 w 2 4 v d c 高速数据传输：1 6 0 m b i t s s e c 3 、前视多波束成像声纳s e a b a t 8 1 2 8 s e a b a t 8 1 2 8 是一个宽带聚焦多波束成像声纳，发射圆弧阵和接收线阵是 独立分开的，通过基于现场可编程大规模逻辑器件( f p g a ) 的专用高速数字 波束形成器，能够同时获得2 4 0 个动态聚焦波束，具有1 2 0 0 的观测范围。通 过提供的人机交互操作软件( g u i ) 平台，不仅能够获得实时的声纳图像， 而且还能够实时的控制系统的操作参数和运行状态。它具有如下的特点： 0 5 。的波束宽度 2 4 0 个波束 哈尔溟工程大学硕士学位论文 6 厘米的距离分辨率 1 2 0 。的覆盖角 中心频率：4 5 5 k h z 4 、声透镜实时成像声纳 近年来国外的研究机构已研制出小巧实用的采用声透镜波束形成技术的 声透镜成像声纳。这种使用声透镜代替传统的模拟或数字电路来实现波束形 成的新技术，成像速度快，而且具有体积小，使用最少的相关电路等优点， 有效的解决了i 兀上安装空间与所携带的能源受限的问题。典型的代表是美 国研制的l i m i s 透镜声纳，工作频率为2 m h z ，最高角分辨率达到0 3 5 。，波束 数为6 4 个，能够在浑浊的水中完成度日标的识别任务。声透镜对声波的聚焦 原理与光学透镜对光波的聚焦原理是一样的，某一方向上的声波经过声透镜 后聚焦在一点上，即焦点上，在焦点上放置一个接收基元，即可实现对该方 向的波束接收；在接收平面上布放一个由多个基元组成的接收阵，采样后则 可以接收到不同方向的入射声波。不同的采样时刻对应着不同的成像距离。 由于波束形成由声透镜自身的聚焦作用来完成，属于单纯的机械接收装置， 所以本身不耗电，也减少了波束形成的电路规模。下面简述的三种声纳采用 的就是声透镜技术，都能够提供近乎于视频质量的声图像。 l i m i s ( l i m p e tm i n ei m a g i n gs o n a r ) ，主要用于军事上的探测和识别水中 危险目标如水雷等。 g l a c i s ( g l e n d o r al a k ea c o u s t i ci m a g i n gs y s t e m ) ，主要用于监视水下试 验。 a b i s ( a c o u s f i cb a r n a c l el m a g i n gs o n a r ) ，主要被装载到r o v 上用于成像船体外壳上 的污垢、破损、异物，以便于指导r o v 进行相应的操作。 1 3 本文研究的主要内容 本文主要完成某成像声纳设备相关的硬件电路设计与调试，相应的物理 层软件开发，设备箱体的结构设计和系统级联调，使该设备初步达到系统指 标要求。 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 具体的研究内容主要包括： 1 、控制模块的电路设计与调试； 2 、控制模块f p g a 和单片机程序的编写； 3 、四块数据采集板模拟信号调理电路的调试； 4 、四块数据采集板上f p g a 程序的编写； 5 、两块数据转接板的设计与调试； 6 、系统电源板的设计与调试； 7 、系统电联调。 论文的第一章首先叙述了本论文的背景，简要介绍了目前成像声纳技术 的国内外发展状况；第二章从系统整体的角度，对于系统相关的硬件设计、 特点、工作流程给出了详细的阐述，对于设计时需要考虑的问题进行了详细 的说明；第三章从系统整体角度，介绍了相应硬件芯片的软件设计，其中包 括f p g a 、单片机的程序设计。第四章介绍了系统的调试过程以及调试过程 中出现的问题和注意事项。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章系统相关硬件的设计与调试 此成像声纳系统是由水下单元和水上单元组成的，而水下部分又分为数 据采集模块、发射机模块、控制模块和电源子模块4 个模块。数据采集模块 由4 块数据采集板构成；控制模块由1 块控制板构成；电源模块由1 块电源 板构成；发射机模块由1 块发射机电路板构成；另外还有两块起连接作用的 数据转接板。本章重点从整体的角度，介绍控制模块、电源模块和其他相关 硬件的设计和调试。 2 1 控制模块电路设计与调试 2 1 1 控制模块的电路设计 控制模块是整个声纳设备水下部分的核心，它不仅需要完成和水上单元 进行数据通信，而且还要控制水下各个模块的协调工作。即实现下行传命令， 上行传数据的功能。如果控制模块的功能设计得不完善，整个声纳系统就不 能正常的工作。控制模块主要完成以下几个功能： 1 、接收水上单元的控制命令。通过串行口接收水上单元发出的系统控制 命令，如设置距离档位，发射信号脉宽档位，发射机功率档位，采样开始等 命令。 2 、控制水下各个模块的协调运行，如控制发射机，控制数据采集模块接 收数据并进行处理，控制数据采集模块上传处理结果，并将结果串行传输给 水上单元等。 控制板按照功能可分为：命令接收处理部分、串行数据发送部分和逻辑 控制部分。其中，命令接收处理部分接收串口命令，由电平转换芯片和单片 机组成；串行数据发送部分负责将并行数据转换成串行数据，通过同轴电缆 高速传给水上单元；逻辑控制部分的核心器件是f p g a ，负责将单片机接收 到的命令翻译成相应的动作，传达给采集板和发射机，并且将采集板传来的 数据串行传送到水上单元。 工作时，控制模块接收到水上单元的命令后，一边发送控制命令给发射 机，一边发送命令给数据采集模块，控制4 块数据采集板接收数据并进行处 哈尔滨工程大学硕士学位论文 理。数据采集板完成数据采集和处理后通知控制板，控制板再把数据采集板 的处理结果取出并将数据通过高速串行数据发送器传输给水上单元，声纳系 统的一个完整工作流程才结束，并进入等待下一个工作流程的状态。控制板 的结构框图如图2 1 。 d s ph p ii 数据3 2 b i t s l 发射机 串! 口 f p g ak = 】m c u k = 二) ip c 数据发送 模块 ( 7 8 9 2 3 ) 控制板框图 i 同轴电缆 i 图2 1 控制板的硬件结构框图 2 1 1 1 命令接收处理部分 命令接收处理部分硬件上主要由m c u ( 单片机) 和电平转换芯片构成。 m c u 即微控制器负责接收水上单元传送来的命令和配置参数，并且根据相应 的命令通过控制线指示逻辑控制单元的f p g a 进行相应的操作。 命令接收处理部分是控制板和水上单元进行串行通讯的枢纽。水上单元 用p c 机或工控机都可。这一部分之所以选择单片机，就是由于它自身带有 通用异步接收器发射器，即u a r t 。p c 机或工控机串口是r s 2 3 2 c 的标准 电平，所以单片机欲与之通信，必需要电平转换芯片，与其t l 电平进行电 平转换。 单片机是命令接收处理部分的核心器件，负责接收串口命令，并将命令 传给逻辑控制芯片f p g a ，由于本系统中的单片机的用途简单，选用a t m e l 公司的a t 8 9 c 2 0 5 1 即可，它是高性能的c m o s8 位单片机，片内含有2 kb y t e s 可反复擦写的f l a s h 只读存储器，具有1 2 8 kb y t e s 的r a m ，2 7 6 v 的工作电 压范围，1 5 个可编程的i o 口，6 个中断源，可编程串行u a r t 通道，具有 7 略尔滨工程大学硕士学位论文 低功耗空闲和掉电模式。 本设计单片机采用+ 5 v 电源供电，p 1 口是一组8 位双向f o 口，p 1 2 - p 17 由内部提供上拉电阻，而p 1 0 和p 1 1 需要外接上拉电阻，p 3 0 p 3 5 ，p 3 7 ， 是一组双向i o 口，其中p 3 0 和p 31 分别与m a x 2 3 2 的收发数据引脚r x d ， t x d 相连，接收串1 3 命令，并根据串1 3 命令，通过p 1 口( p 1 0 - p 1 7 ) i 0 输 出端和p 3 口中的p 3 2 p 3 5 给f p g a 命令；x t a l l 是振荡器反相放大器和内 部时钟发生器的输入端，x t a l 2 是振荡器反相放大器的输出端，使用内部振 荡电路外接石英晶体和陶瓷滤波器的方法；r s t 为复位引脚，r s t 一旦变成 两个机器周期以上的高电平，所有的i o 口都将复位到1 状态。 具体电路设计如图2 型”。 f j 。 复塞 图2 2 单片机电路 在p c 机中串行口遵循r s 一2 3 2 c 电气标准，为负逻辑，以公共地为一0 电 势点，其逻辑0 电平规定在+ 5 - + 1 5 v 之问；逻辑电平1 规定在一5 1 5 v 之间， 它与1 1 l 等数字电路的逻辑电平不兼容，所以必须使用电平转换。本论文采 用m a x i m 公司生产的r s 2 3 2 收发芯片m a x 2 3 2 作为电平转换芯片，m a x 2 3 2 采用单5 v 供电，内部有两个发送和接收驱动器。本设计控制板上采用9 针 d 型连接器，实现简易串行数据传输，即只有t x d 数据线，r x d 数掘线和公 共参考地”。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 1 1 2 逻辑控制部分 逻辑控制部分的功能有三：第一，在单片机的控制下，向数据采集模块 发送控制字，以及读取数据采集模块上传的数据；第二，在单片机的控制下， 发送命令给发射机；第三，将并行数据转换成串行数据，高速上传给水上单 元。 1 、器件的选择 出于三方面功能的考虑，可以选择f p g a 或者c p l d ，但是鉴于f p g a 较c p l d 灵活，且f p g a 更适合于时序逻辑的设计，所以选择f p g a 。 目前，生产f p g a 比较大而知名的厂商主要是a l t e r a 和x i l i n x 公司，两 个公司的产品比较起来，a l t e r a 公司的产品价格便宜，性价比高，而且该公 司的软件开发环境q u a r t u s i i 比起x i l i n x 的开发环境i s e 有着很大的优点，界 面友好，易操作，最关键的是仿真、编译时间较i s e 要快很多。现在，a l t e r a 公司的主流f p g a 主要有两大类，一种是侧重低成本应用，容量中等，可以 满足一般的逻辑设计要求，应用于中低端领域，产品有c y c l o n e 系列；另一 种是侧重于高性能的应用，容量大，应用于高端领域，产品有s t a r t i x 等系列。 针对于本系统c y c l o n e 系列已经足以能满足需要了。又鉴于购买和系统设计 便捷的考虑，选用与数据采集模块相同的f p g a 的型号a l t e r a 公司的 c y c l o n e 系列中的e p i c l 2 q 2 4 0 c 8 ，经论证，这款f p g a 达到系统控制要求。 c y c l o n e 系列有着其独特的肿it 厶匕b v , 优势嗍： ( 1 ) 、集成度方面： c y c l o n ef p g a 具有丰富的逻辑单元，具有多达2 0 0 6 0 个逻辑单元， 可用来实现复杂的应用。 c y c l o n e 器件中m 4 k 存储块提供2 8 8 k b i t s 存储容量，能够被配置来 支持多种操作模式，包括r a m 、r o m 、f i f o 的单口和双口模式， 通过直接调用i p 核可以很简单的设计需要的存储器。 ( 2 ) 、时钟管理电路方面： c y c l o n e 器件具有两个可编程锁相环p l l ( p h a s el o c k e dl o g i c ) 和八 个全局时钟线，提供健全的时钟管理和频率合成功能，实现最大的 系统性能。 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 c y c l o n ep l l 具有多种高级功能，如频率合成、可编程相移、可编程 延迟和外部时钟输出。这些功能允许设计者管理内部和外部系统时 序。 ( 3 ) 、调试运行方面： c y c l o n e 器件能用a l t e r a 新的串行配置器件进行配置。 有j t a g 边界扫描测试电路，使电路调试时可使用j t a g 口。 支持多电压操作，更灵活。 c y c l o n e 器件具有健全的片内热插拔和顺序上电支持，确保和上电顺 序无关的正常工作。这一特性在上电前和上电期间起到了保护器件 的作用，并使i o 缓冲保持三态。 低功耗，维持工作状态时，功耗小于0 5 m w 。 部分c y c l o n e 器件提供工业级温度范围4 0 0 c 至+ 1 0 0 0 c 的产品，支 持各种工业应用。 ( 4 ) 、i o 方面： 支持l v d si o ：c y c l o n e 器件具有多达1 2 9 个兼容l v d s 的通道， 每个通道数据率高达6 4 0 m b p s 。 支持各种单端从) 标准：3 3 v 、2 5 一v 、1 8 一v 、im ，、l v c m o s 、 s s t l 和p c i 标准，满足当前系统需求。 c y c l o n e 器件每个i o 引脚都有一个独立的三态输出使能控制，每个 i o 引脚都有漏极开路选择，可编程输出电压的摆率控制可以减少开 关噪声。 ( 5 ) 、内部连线方面： 具有快速、可预测连接延迟的快速通道连续式布线结构，能够实现内部 三态总线，更加便于大系统的集成。 c y c l o n e 系列的f p g a 主要有e p l c 3 、e p i c 4 、e p l c 6 、e p i c l 2 和e p i c 2 0 几个型号，表2 1 对于该系列的这几个常用型号的f p g a 作了直观的比较一l 。 可以看出，各型号的器件在逻辑单元，i o 数量以及r a m 容量等方面有很大 差别。本文选用的是e p i c l 2 系列，从软件仿真上看，f p g a 程序使用逻辑 单元只有3 1 2 个，占3 ，并且控制板程序没有用到f p g a 片内的r a m ，只 用到片内2 个锁相环的其中一个，所以所选的f p g a 型号完全可以达到系统 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 设计要求。全编译的结果如图2 3 。 n o ws t a t u s q 1 1 盯t 岱v e r s i o n r e v is io i li l a m e t o p - l e v e lz n t it yn 鲫e ，锄i l y d e - i c e t i m i n gm o d e l s m e tt i m i n gr e q u i r m e n t s t o t a ll o g ice l e m e n t s t o t a lp i n s t o t dv i r t u a lp x n s t o t a lm e m o r yb it s t o t 毫lf l l s s u e c e s - - f u l w e dl l e b 1 11 0 ：0 0 ：5 了2 0 0 9 5 1b u i l d1 7 6l o 2 6 t 2 0 0 5s 丁f u uy e r s io i l c t r l l 2 5 s o n a i r c t r l l 2 5 s o n a r c y c l o n e e p l c l 2 q 2 4 0 c 8 f i r m l y e s 3 1 211 2 0 6 0 ( 3 篙) 8 3 1 7 3 ( 4 8 鼍) 0 0 2 3 9 ，6 1 6 ( 0 ，i ) 1 2 ( 5 0 薯) 图2 3 编译结果 表2 1c y c l o n ef p g a 系列产品比较 森、型专 e p l c 3e p l c 4e p l c 6e p l c l 2e p l c 2 0 逻辑单元( l e )2 ，9 1 0 4 ，0 0 0 5 9 8 0 1 2 ，0 6 0 2 0 ，0 6 0 m 4 k r a m 块 1 31 72 05 26 4 ( 4 k b i t + 奇偶校验) r a m 总量5 9 ，9 0 4 7 8 ，3 3 6 7 8 ，3 3 6 2 3 9 ，6 1 6 2 9 4 ，9 1 2 p u l s12222 差分通道 3 41 2 97 21 0 31 2 9 控制板中的f p g a 接口控制见图2 4 。 2 、器件的时钟设计 f p g a 具有特殊的时钟机制，它有全局时钟布线资源，设计了专门的时钟 缓冲与驱动结构，保证了全局时钟到达芯片内部的所有可配置单元、i 0 单 元、存储单元的时延和抖动最小，所以它有专门的时钟输入引脚，在设计时 应该注意，外接晶振的输出引脚应该接到f p g a 专门的时钟输入引脚，晶振应 做好电源去耦。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 总线d 1 0 o 1 5 e 1 接口1d i r o e e n n e n a ，r p s v s c k w s c ，d d 1 0 7 l f p g a d p ji n t l d p ji n t 0 d p j p 1 0 7 l e n a 高速串r p 二? s v s 行数据 乏答：发送器 s c ，d “。“ o l o 。7 l i n t l 单 i n t 0 肯 p 1 0 7 1机 图2 4f p g a 接口框图 3 、器件的配置设计 对f p g a 的加载可以通过两种途径：一种是在系统设计开发过程中，为 了便于系统功能的调试，采用器件本身提供的j t a g 接口进行在线编程、加 载，允许在开发过程中快速、有效地重复编程，从而对实现功能反复测试， 直到达到设计要求；另一种是利用e p r o m 对器件进行配置，这种方法主要 用在功能调试结束形成的产品中，使系统一上电就自动开始功能配置进行系 统控制。器件加载配置如图2 5 唧。 根据e p l c l 2 q 2 4 0f p g a 的芯片手册，选用a s 的配置模式，选用e p c s 4 作为配置芯片，它是串行器件，3 3 v 供电，存储容量4 1 9 4 3 0 4 b i t s ，选用a s 配置模式时，m s e l 1 0 1 应拉低。 要确保c o n fd o n e 、n s t a t u s 、n c o n f i g 这几个引脚上拉，n c e 接 地正确，否则可能发生程序不能下载的问题。 ( 1 ) 、f p g a 与单片机的接口逻辑 水上单元通过串口向水下数据接收系统发送工作参数和命令，包括：启 动、停止等控制命令以及档位、功率等参数信息，单片机接收到p c 机的参 数和命令后，通过数据端口p 1 传输给f p g a ，f p g a 根据接收到的参数和命 令采取不同的动作。 删| | | 眦 od 2 线口 总接 剐e r叭船m d 3线口 总接 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 5 加载配置图 ( 萄、f p g a 与总线接口芯片的接口逻辑 数据采集板中的d s p 与控制板中f p g 晓间的总线信号输入、输出切换是 由总线接口芯片s n 5 4 i ，1 6 2 4 5 a 实现的，它避免了总线的冲突，还完成了 总线信号的驱动。s n 5 4 i ，1 6 2 4 5 a 是1 6 位总线接口芯片，f p g a 为其提供 控制信号，使能信号o e 为低时，总线信号有效；为高时，隔离总线。d i r 信 号指示总线的传递方向，低电平表示b 端总线向a 端传输，高电平表示a 端总 线向b 端传输。f p g a 通过h p i 口与d s p 通信，进行数据的读写，数据位为 3 2 b i t s ，总线接口芯片控制f p g a 和d s p 双向数据读写操作。 ( 3 ) 、f p g a 与高速串行数据发送器的接口逻辑 f p 蝴过控常w 7 8 9 2 3 的工作，将数据采集板采集的数据传到水上主机。 其中，7 8 9 2 3 将8 位并行数据转换成串行数据通过同轴电缆上传，f p g a 为其 提供控制信号。c k w 是7 8 9 2 3 的时钟信号引脚，应确保7 8 9 2 3 7 8 9 3 3 这一对 数据收发器的时钟相同。e n a 是并行数据使能信号，若e n a 为低电平，在 c k w 的上升沿，d o d 7 被锁存进内部输入寄存器进而被编码、发送。e n n 为 下一个并行数据使能信号，若e n n 为低电平，则在c k w 的下一个上升沿时， 数据被锁存进内部输入寄存器进而被编码、发送。s c d 是特殊字符数据选择 信号，该引脚为高电平时，对输入数据使用控制码表进行编码，表示此时传 哈尔滨工程大学硕士学位论文 输的是特殊字符；当s c 仍为低电平时，对输入数据使用8 b 1 0 b 数据码表进编 码，此时传输的是数据。 2 1 1 3 串行数据发送部分 由于声纳工作在水下，要将数据快速准确无误的传到水上单元，应采用 串行传输的方式。串行数据传输可实现长距离、高速通信，且电缆线少、成 本低、安装方便，成为长距离数据通信的主要方式。 本论文选用同轴电缆将数据采集板采集到的水下数据传到水上。选用 c y p r e s s 公司推出的高速串行数据收发器c y 7 8 9 2 3 9 3 3 来完成数据从水下 到水上的传输。c y 7 8 9 2 3 是水下数据接收系统数据发送端的控制芯片，适用 于光纤、同轴电缆以及双绞线作为通信介质的传输，根据具体的型号，数据 传输码率最高可达传输速度为1 6 0 、3 2 0 、4 0 0 m b p s ，本系统采用的c y 7 8 9 2 3 最高传输码率为3 2 0 m b p s ，设计时为c k w 提供2 5 m h z 时钟，传输速率为 2 0 0 m b p s 。 c y 7 8 9 2 3 是c y p r e s s 半导体公司推出的一种用于点对点之间高速串行 数据通信的发送芯片。c y 7 8 9 2 3 采用的是基带传输通信方式，并支持带电插拔 ( 热接插) 。其内部电路主要包括时钟产生器、输入寄存器、编码器、移位 寄存器、三对差分p e c l 输出对以及测试逻辑等。该芯片外转帐电路比较简 单，不需单片机或微机控制，并且内置有自测试电路，因此使用比较方便。 c y 7 8 9 2 3 的最大传输速率可达4 0 0 m b p s ，有三种传输速率的器件可供选 择：标准系列的器件有c y 7 8 9 2 3 - j c 、c y 7 v 9 2 3 j i 、c y 7 8 9 2 3 s c 及 c y 7 8 9 2 3 l m b 四种型号，它们的传输速率为1 6 0 3 3 0 m b p s , 高速系列器件有 c y 7 8 9 2 3 4 0 0 j c 和c y 7 8 9 2 3 4 0 0 j i 两种型号，传输速率可达1 6 0 - 4 0 0 m b p s ； 对一些传输速率要求不高的场合，可采用较低价格的c y 7 8 9 2 3 1 5 5 j c 或 c y 7 v 9 2 3 1 5 5 j i ，其传输速率为1 5 0 - - - 1 6 0 m b p s 。c y 7 8 9 2 3 采用单一的+ 5 v 电 源供电，功耗仅3 5 0 m w 。可兼容光纤、i b me s c o n 、d v b a s i 及s m p t e 2 5 9 m 等多种传输协议，适用于光纤、同轴电缆和双绞线等传输媒介。 采用+ 5 v 单电源供电，o u t a _ ，o u t b _ + ，o u t c _ + 是三路差分对串行输 出，f o t o 设置为低电平，允许o u t a + _ 和o u t b 输出，另外，不用的输出端 应上拉，m o d e 接地，即选择8 b 1 0 b 译码方式”们。具体的电路原理图见图2 6 。 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 67 8 9 2 3 电路原理图逻辑控制单元 2 1 1 4 控制板电源部分的设计 控制板上主要器件有单片机，f p g a ，总线收发器和7 8 9 2 3 。它们所需的 工作电压和功耗是板上电源设计时需要考虑的因素。 由于控制板上都是数字器件，只需对其提供数字电即可。单片机采用+ 5 v 工作电压，最大功耗不超过l w ：总线收发器s n 5 4 l v t h l 6 2 4 5 a 工作电压为 + 3 3 v ，最大功耗不超过5 w ；7 8 9 2 3 工作电压为+ 5 v ，最大不超过6 5 0 m w ： f p g ai 0 电压范围是3 v - 3 6 v ，内核电压是1 4 2 5 v - 1 5 7 5 v ，本设计选择中间 值，i o 电压供3 3 v ，内核电压供1 5 v 。按照资源使用8 0 计算，最大功率 不超过2 5 w 。板子总功率最大不超过9 w 。声纳供电系统提供的最高数字电 压为+ 5 v ，最大负载电流5 a ，所以最大功率为2 5 w 。板子设计在系统功耗指 标之内。 着重指出：e p l c l 2 q 2 4 0 对于上电顺序没有要求，所以只要保证i o 电 压和内核电压符合芯片要求即可。p l l 要单独供电，通过磁珠与f p g a 内核 电压相连，注意做好电源滤波设计。 经估算，控制板工作时所需电流不超过1 5 a ，又需要三种不同电压+ 5 v 、 + 3 3 v 、+ 1 5 v ，所以采用5 v 降变到3 3 v ，再降变到1 5 v 的方案。在5 v 降 变到3 3 v 时，选用业内口碑较好的m i c r e l 公司的低压差线性调节器 m i c 2 9 3 1 2 ，这款芯片优点1 ： 封装、体积小，采用t o 2 2 0 5 封装： 15 哈尔滨r t 程大学硕士学位论文 在允许的温度范围内，最大满载负载电流可以达到3 a ，达到设计要 求； 在满载的条件下，有6 0 0 m v 的压差即可工作； 较小的电压调整率和负载调整率； ， 转变速度快； 在3 3 v 降变到1 5 v 时采用m i c r e l 公司的低压差线性调节器m i c 3 7 1 0 2 ， 这款芯片优点1 1 习： 满载的条件下，压差2 6 0 m v 即可工作； 转变速度快，有反向保护功能； 封装较小，采用s o t - 2 2 3 5 封装 控制板电源框图如图2 7 ： 图2 7 系统控制模块电源设计框图 2 1 2 控制模块硬件电路的调试 控制板的调试主要是为了测试控制板硬件上是可正常工作的，每个元件 工作状态良好，本文主要分3 步：第一步，先证明控制板电源部分工作状态 良好；第二步，由单片机发给控制命令，将f p g a 自己造的有规律数据传到 水上单元；第三步，由单片机发给控制命令，将f p g a 从d s p 的h p i 口读取 的数据传到水上单元，这里的数据是由d s p 自己造的有规律的数据。 1 、第一步的调试 先将m i c 2 9 3 1 2 及其周围电路焊上之后，用万用表测量输出的3 3 v 电压 是否正确。实测值为3 3 1 v ，符合要求。然后再将m i c 3 7 1 0 2 及其周围电路 焊上，用万用表测量输出的1 5 v 是否正确。实测值为1 4 9 v ，符合要求。 2 、第二步的调试 哈尔滨工程大学硕士学位论文 为了证明单片机、7 8 9 2 3 和f p g a 的控制上传数据部分的硬件工作良好， 使用单片机的一个i o 脚发送开始命令，控制f p g a 开始往水上传输数据当 f p g a 接收到单片机的开始信号后，开始造有规律的数据，同时控制7 8 9 2 3 将造的数据按照定的时序传到水上。f p g a 仿真结果见图2 8 。 固哪四 l 学i t 娜 国舢 固髓 i 训 啪m 回肿- 妨 l 移i 曰i i 帅_ h t l l l 国啪卫 i 移i m 郧 r - 1 广 广 广 广 广 广 广九 l 1 t i l l l l l10 0 0 0 1 瑚1 x o 咖0 0 x 0 0 0 0 0 0 1 0x0 0 口咖 )