（信号与信息处理专业论文）水下移动通信系统硬件设计与实现.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 随着人类对海洋探索的不断深入，水下机器人技术已成为一种重要的海 洋开发手段，并得到了迅速的发展。对于水下机器人的控制命令和航行作业 状态信息的传送，岸基或船基平台通常借助于水声通信来完成。本文开发的 水声通信系统就是以水下机器人为工作载体，设计与实现一个水下移动通信 系统的硬件平台。 水声通信系统的设计充分的考虑了水下机器人的应用需求，主要围绕系 统低功耗、“a r m + d s p ”的双处理器结构、以及嵌入实时操作系统v x w o r k s 三个方面展开。系统硬件平台主要包括基于c o d e c 的音频编解码模块、基 于f p g a 的逻辑控制与数据缓冲模块、基于a r m 的嵌入式系统模块和基于 d s p 的协处理器模块。整套硬件平台能够完成数据采集、通信信号处理和系 统控制。 信号处理板是硬件平台的研究重点。在信号处理板设计与调试过程中， 首先通过可编程逻辑器件f p g a 建立了系统的数据通路，实现了f p g a 、 a r m 、d s p 三个模块间相互通信；其次，进行了独立模块的存储器与外设的 调试和底层软件设计；最后，在基于a r m 的嵌入式系统模块上建立了操作 系统v x w o r k s ，以实现系统任务调度和进程管理，并在v x w o r k s 下完成了与 硬件相关的应用模块调试，从而实现了可应用于水下机器人的实时水声通信 系统的基本功能。 关键词：水下机器人；水声通信系统；a r m + d s p ；v x w o r k s a bs t r a c t a l o n gw i t ht h er a p i de x p l o i t a t i o no ft h eo c e a n ，t h eu n d e r , v a t e rv e h i c l e t e c h n o l o g yh a sb e c o m ea ni m p o r t a n tm e a n s t h ev e h i c l ec o n t r o lc o m m a l l d si _ r o m s h o r e - b a s e do rs h i p - b a s e dp l a t f o r m sa n ds t a t u sm e s s a g e sa r eu s u a l l yt r a n s m i t e db v t h ea c o u s t i cc o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h ec o n t e n to ft h e p a p e ri st h ed e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o no fah a r d w a r ep l a t f o r mi nt h eu n d e r w a t e rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s s y s t e mw h i c hc a r r i e si nt h eu n d e r w a t e rv e h i c l e t h ea p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t so fu n d e r w a t e rv e h i c l e i sa d e q u a t e l yt a k e n a c c o u n tm t ot h e d e s i g no ft h es y s t e m ，w h i c hm a i n l yf o c u so i lt h ef o l l o w i n g ， a s p e c t s ：l o w - p o w e rc h i p s ，d u a l - p r o c e s s o rs t r u c t u r e ”a r m + d s p ”a sw e l la s e m b e d d e dr e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m v x w o r k s t h eh a r d w a r e p l a t f o r mi n c l u d e s t h ea u d i oc o d e cm o d u l e s ，f p g a b a s e d l o g i cc o n t r o la n dd a t ab u f f e rm o d u l e a r m b a s e de m b e d d e ds y s t e mm o d u l e sa n dd s p b a s e dc o p r o c e s s o rm o d u l e t h e e n t i r eh a r d w a r ep l a t f o r mi s d e s i g n e dt or e a l i z et h ef u n c t i o n si n c l u d i n gd a t a a c q u i s i t i o n ，c o m m u n i c a t i o ns i g n a lp r o c e s s i n ga n ds y s t e mc o n t r 0 1 t h ek e yo ft h eh a r d w a r ep l a t f o r mi sas i g n a lp r o c e s s i n gb o a r d i nt h ec o u r s e o fd e s i g n i n ga n dd e b u g g i n gs i g n a l p r o c e s s i n gb o a r d ，d a t aa c c e s si ss e tu pb v f p g aa tf i r s t ，w h i c hr e a l i z e st h ec o m m u n i c a t i o na m o n gf p g a , a r ma n dd s e s e c o n d l y , m e m o r i e sa n dp e r i p h e r a l so ft h ei n d e p e n d e n tc h i p s b a s e dm o d u l e sa r e d e b u g g e ds u c c e s s f u l l y a n dl o w l e v e ls o f t w a r eo ft h es y s t e mi si m p l e m e n t e d s u b s e q u e n t l y f i n a l l y , av x w o r k si sb u i l ti nt h ea r m b a s e de m b e d d e ds y s t e m m o d u l ei no r d e rt or e a l i z et h et a s ks c h e d u l i n ga n d p r o c e s sm a n a g e m e n t m o r e o v e r , d e b u g g i n gt h ea p p l i c a t i o nm o d u l e sr e l a t i n gt ot h eh a r d w a r ec a nb ec a r r i e do u ti n t h ev x w o r k so p e r a t i n gs y s t e m t h u s ，t h eb a s i cf u n c t i o n sa r er e a l i z e d ，w h i c ha r e a p p l i e dt ot h er e a l - t i m ea c o u s t i cc o m m u n i c a t i o np a r to fu n d e r w a t e rv e h i c l e k e yw o r d s u n d e r w a t e rv e h i c l e ；a c o u s t i cc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ；a r m + d s p ； v x w o r k s 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己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) ：维喜问1 日期：删1 年弓月l 矿日 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太邕哈尔滨 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) 日期：2 叫 ：雌园i 】 年；月心日 导师! ：签字) ：聿确 工咋；月日。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 论文研究背景和意义 随着人类开发海洋的深入，水下机器人由于机动灵活，能够在深海中 长时间工作而日益成为人类开发利用海洋的重要工具。水下机器人是一个 水下高技术仪器设备的集成体1 。它除集成有水下机器人载体的推进、控制、 动力电源、导航等仪器、设备外，还需根据实际应用需要配备声、光、电 等不同类型的探测仪器b 1 。对于自治式水下机器人，由于采用无缆操作，它 的航行命令、动力定位、探测、信息收集等任务与岸基或船基间的通信通 常都采用水声通信系统来完成。 水声通信技术是应用于水下机器人的一项关键技术p 1 ，尤其是对于无缆 的自治式水下机器人显得十分重要。根据水下机器人的需求，水声通信技 术可以有三类应用：首先，命令、指令传输。自治式水下机器人的优点在 于活动范围可以不受限制，但对于大范围的水下工作，需要高可靠性、安 全保密性好、通信距离远的的水声通信技术作保障，可靠的控制机器人。 其次，图像数据获取与上传、语音( 载人机器人) 通信等。水下机器人的 工作目的在于获得关心的水下信息，当水下机器人已获取到信息时，需要 发送至岸基或船基进行处理。最后，作为水下信息网的移动网关节点。水 下机器人可以临时充当一个中继节点，以扩大通信网的工作范围。因此， 水下机器人技术的发展离不开水声通信技术的全面运用。 本课题来源于某水下机器人集成系统，水下移动通信系统设计目的在 于开发一个能够为智能水下机器人提供无缆移动通信服务的、集成度高、 性能可靠、低功耗实时运行的水声通信系统。它可以在远距离完成高可靠 性低速通信传输，在近距离完成大量多媒体数据处理与高速传输，并且能 实现本系统的智能任务调度。本课题研究的通信系统也可以作为水声通信 网的一个移动节点，实现水下信息的通信转发功能。 1 2 水下机器人通信系统的发展现状 搭载在水下机器人上的水声通信系统是水声通信技术与水下机器人技 哈尔滨工程大学硕士学位论文 术结合的产物，是近年来一个重要发展的领域。水声通信系统的研究依赖 于水声通信技术的不断发展。目前，国内外对水声通信技术的研究主要是 水声通信声纳和水声通信网的研究p 1 。 水下通信系统的一个重要的应用就是水声通信声纳。目前，国外已开 发出许多可用的先进技术，例如，俄罗斯、白俄罗斯和美国的研究单位已 研制出低误码率、高可靠性、基于扩谱通信的水下通信系统。其比特率可 达1 0 2 0 b p s ，误码率最低可达1 0 。7 以下，传送距离可达几十至几百公里p 1 。 而高速通信声纳或调制解调设备多使用相干或非相干调制技术、自适应均 衡抗多途技术及纠错码技术等多种技术的联合。试验样机的通信速率最高 可达8 k 1 0 k b p s ，传送距离最远可达1 0 k m ，误码率最低可达1 0 4 以下。典 型的产品有美国b e n t h o s 公司的a t m 8 7 1 8 7 0 、8 9 1 8 8 0 ( 上端) 和a t m 8 7 5 8 7 7 、8 8 5 8 8 7 ( 下端) m 1 。另外，水声通信网的应用也比较多。鉴于其在军 用和民用的巨大应用潜力，美国、加拿大和欧共体等国家，都投入相当的 力量进行研究和实验。例如，美国d a d s ( d e p l o y a b l ea u t o n o m o u sd i s t r i b u t e d s y s t e m ) ，它的名称原义为“可展开式的自组织分布式系统”，该系统迄今 已完成三次定型海试p 1 。 从水声通信系统研究的横向比较来看，世界水声通信系统的研究主要 集中在美、英、法等发达国家的大学和科研机构，一些国外公司也开发了 许多应用产品，而我国的研究起步相对较晚。目前，哈尔滨工程大学、中 科院声学研究所、7 1 5 所、西北工业大学等一些科研单位都对水声通信进行 了大量的研究工作，在水下图像传输、语音通信、自适应均衡技术、纠错 编码、扩频通信、通信网络等许多方面各自取得了一些成果垆1 。总之，我国 在水声通信领域的研究水平还落后于国际先进水平，需要进一步努力。 1 3 系统总体方案 1 3 1 系统设计要求 水下移动通信系统的设计目的在于为智能水下机器人提供无缆移动通 信服务。该通信系统的开发是以水下机器人为应用背景进行的，其设计要 求也主要考虑水下机器人的应用限制。 通信系统作为水下机器人通信的工具，由于需要不间断的在水下运行， 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 实时接收水声信号，因此系统对于通信方式有一定的要求。对于点对点的 通信，按消息传送的方向和时间关系，通信方式可以分为单工通信、半双 工通信及全双工通信三种网。半双工通信和全双工通信方式都可以满足本课 题通信的要求，可以接收来自各方向的信号。但两种通信方式在通信效率、 实现的复杂度及实现成本上差异较大。全双工可以同时进行信号的接收和 发射，可以获得较高的通信效率和较高的通信速率，但在水声通信中，接 收到的信号都是微伏级的弱信号，并且信号的本地发射对信号的接收有很 大的干扰。如果采用全双工通信方式，则必须将发射和接收换能器隔离， 使发射对接收的干扰低于本地环境噪声，因此实现全双工通信是十分复杂 且成本很高。而出于对系统的复杂度、成本、体积等方面的考虑，半双工 通信方式占有较大的优势。综合考虑这些因素，系统采用半双工通信方式 是工程上的折中，也是合理的设计方法。这样，系统的设计满足了整体系 统通信、体积、功耗的要求，又充分的降低了系统的开发成本。 本文设计的通信系统主要以智能水下机器人为工作载体，根据水下机 器人的自身特点，其在水下的续航能力及携带仪器的数量和复杂度大大受 制于载体上能源的容量大小限制们。因此，本课题对通信系统设计主要有以 下的特点： 1 通信系统需要限制电路板的体积，应符合电子耐压舱的规格； 2 为满足水下机器人长时间工作要求，系统要求采用低功耗设计，而 系统中发射机的功率是固定的，因此系统低功耗设计要求主要体现在信号 处理板的设计中； 3 通信系统要求实时运行，接收控制命令智能判断，因此要采用智能 操作系统实现任务调度，以满足自治式水下机器人的智能控制。 另外，通信系统要可以在远距离完成高可靠性低速通信传输，在近距 离完成大量多媒体数据处理与高速传输，这需要对水声数字通信算法进一 步研究。现今的水声通信算法主要是数字调制技术的研究，下面就对其常 见技术和本文可行的数字调制技术进行讨论。 1 3 2 数字调制技术的研究 本文设计的通信系统是一种要可以在远距离完成高可靠性低速通信传 哈尔滨工程大学硕士学位论文 输，在近距离完成大量多媒体数据处理与高速传输的通信系统，而且要求 在不同距离上实现高可靠性传输，并将可靠的传输技术作为基本传输方式。 对于近距离的高速传输，是为了实现大数据量的传输要求，以完成系统工 作过程中的语音、图像等监测信息的收集与备份。 由于系统在不同距离上实现高可靠性传输的要求，根据近年来对水声 通信仿真和实验的结果，系统基本的通信技术采用扩频通信技术。扩频技 术的历史可以追溯到2 0 世纪5 0 年代中期，随着扩频技术在空间通信中的 应用越来越广泛，人们已经开始重视其在水声通信中的应用。尤其是在抗 干扰通信和移动通信方面，扩频通信技术有一定的优势n 。 所谓扩频通信，可简单表述如下：“扩频通信技术是一种信息传输方式， 其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽；频带的扩展是 通过一个独立的码序列来完成，用编码及调制的方法来实现的，与所传信 息数据无关；在接收端则用同样的码进行相关同步接收、解扩及恢复所传 信息数据”。 一个数字扩频通信系统主要包括信道编码器、信道解码器、调制器和 解调器等几个基本构成单元3 1 。扩频通信系统中，除了这些单元之外，应用 了两个相同的伪随机序列发生器，分别作用在发送前端的调制器与接收前 端的解调器。这两个序列发生器产生伪随机噪声( p n ) 二值序列，在调制 端将传送信号在频域进行扩展，在解调端解扩该扩频发送信号。整个数字 扩频通信系统的基本框图如图1 1 所示。 据 图1 1 数字扩频通信系统基本框图 在通信系统的设计中，为了实现系统工作过程中的语音、图像等监测 信息的收集与备份等功能，需要采用能使近距离大量多媒体数据高速传输 的通信算法。从通信算法的频带利用率，抗干扰能力以及可实现成本考虑， 系统的近距离的高速通信方案采用正交频分复用技术| 1 4 1 。正交频分复用调制 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 技术的应用追溯到本世纪6 0 年代，当时主要用于军用的高频通信系统。正 交频分复用( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，o f d m ) 技术是 多载波调制技术的一种，是近年来无线通信领域的研究热点。 正交频分复用技术( o f d m ) 的主要思想5 1 是：在频域内将所给的信道 分成多个相互正交的子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制， 并且使各子载波并行传输，这样，尽管总的信道是非平坦的，具有频率选 择性，但是每个子信道是相对平坦的，并且在每个子信道上进行的是窄带 传输，信号带宽小于信道的相干带宽，因此可以大大消除符号间干扰( i s i ) 。 在接收端，分别对这些子频带进行解调，解出多路低速数据流后，再通过 并串转换恢复出高速数据流。 一个典型的正交频分复用系统叫通常是将发射数据进行编码映射、串并 转换、i f f t 、并串变换、加入循环前缀、数模变换、调制到载频上进行 发射，经过水声信道的滤波后，接收机进行解调，通过模数变换、去循 环前缀、串并转换、f f t 、并串变换、解码反映射后得到接收数据。整个 o f d m 通信系统基本框图如图1 2 所示。 叫州州= h 篁h 兰 p 狮i 广 图1 2o f d m 通信系统基本框图 1 3 3 系统硬件方案 水下移动通信系统是以水下机器人为工作载体，主要为水下机器人提 供通信服务。系统硬件平台应该包括收发合置换能器、电子耐压舱和连接 用水密电缆。其中，电子耐压舱设计装有信号处理板、预调理电路板和发 射机三个电路模块，并整体工作于水下。图1 3 是水下移动通信系统的硬件 哈尔滨工程大学硕士学位论文 方案框图。 孓 l l i l 厶 图1 3 水下移动通信系统的硬件方案 在通信系统的硬件方案中，信号处理板和预调理模块是本文主要设计 部分，发射机和收发合置换能器是与外单位合作定制的。信号处理板是系 统控制和信号处理的核心硬件，也是本文的研究重点。它的设计需要充分 考虑系统功耗、体积、实时性等要求，特别是信号处理和智能控制能力的 需求。因此，在系统的设计中，应尽量采用低功耗高性能的处理器，并可 以采用嵌入式操作系统，以达到通信系统的智能控制需求。在系统硬件方 案的设计中，信号处理板采用p c i 0 4 处理机和基于p c i 0 4 总线声卡的组合 的形式搭建了系统硬件平台”，但基于p c i 0 4 的硬件平台具有体积较大、 功耗较高等缺点，因此本文提供一种更符合水下机器人的通信系统。 预调理电路是系统中另一需要设计调试的部分。预调理电路的功能是 对换能器的收发合置和对接收信号的放大滤波调理。另外，系统中的发射 机和收发合置换能器为定制部分，本文中不做调试，只进行系统级联测试。 1 4 论文主要研究内容 本文以水下机器人集成系统为研究背景，依据水下机器人对通信系统 的要求，给出了通信系统的总体方案。本文主要完成了水下移动通信系统 的硬件设计与实现，设计从通信系统要求出发，对系统结构和采用的功能 模块进行了详细的说明；并从设计的特点出发，对信号处理板的调试过程 和调试方法进行了大量的阐述；同时，详细地讲述了如何在嵌入式操作系 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 统v x w o r k s 下调试a r m 相关的功能模块，实现了系统功能。 以下详细说明各部分内容： 首先，本文依据水下机器人集成系统的工程应用需求，给出了通信系 统的总体方案，并总结了论文整体的研究方向和内容。 其次，详细阐述了水下移动通信系统的硬件设计。从硬件的结构设计 出发，说明了系统设计主要考虑的几个方面，并给出了所设计的通信系统 的结构框图。同时，文章对预调理电路和信号处理电路板进行了具体设计 描述。 再次，本文对通信系统的信号处理板调试进行了说明。文章详细讲述 了系统的工作流程、器件间的逻辑关系、各模块间如何进行通信协调以及 各周边电路的调试过程。其中，系统中器件的通信与合理的工作流程是设 计与调试的难点。 最后，完成了基于a r m 的嵌入式模块调试，主要是在嵌入式系统 v x w o r k s 下对a r m 内核及其接口电路进行调试。文中分别从a r m 外围电 路调试、v x w o r k s 的内核编译与调试、与硬件相关的软件模块调试等几个 方面对调试过程进行了讲述，实现了系统模块功能。 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章水下移动通信系统硬件设计 2 1 引言 水下移动通信系统是以水下机器人为载体的移动通信系统。系统的设 计围绕水下机器人的工程应用展开，系统硬件设计主要考虑了供电量、可 容纳体积及自主控制。设计中相应的提出了系统的低功耗设计、双处理器 设计和嵌入式系统应用。此外，系统的设计还要考虑电源电路供电的稳定 性、信号输入输出的抗干扰和外围接口电路等。 2 2 系统硬件结构设计 水下移动通信系统集数据采集、信号处理及系统控制于一身，实现了 模拟信号的接收与发射、模拟信号与数字信号的转换、数字信号处理、嵌 入式系统控制以及外设接口等功能。系统的设计主要围绕低功耗、双处理 器结构和嵌入式操作系统三方面展开。下面给出通信系统的结构框图，如 图2 1 所示。 a r m 嵌入式i if p g a 数据缓 h _ 制 处理模块r i 存模块 d s p 数字信号 处理模块 c o d e c 音频转换 模块 信号处理板 控制接口( r s 2 3 2 ) 机器人接口( 网口) 预调理模块 发射机 收发合置 换能器 图2 1 通信系统的结构框图 2 2 1 系统的低功耗设计 水下机器人可分为两种基本类型，即“自治式水下机器人”和“遥控 式水下机器人”，本文设计的通信系统的工作载体属于自治式水下机器人。 自治式水下机器人的能源全部来自其本身携带的可充电电池、燃料电池、 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 闭式柴油机等可携带能源。受水下机器人所携带能源的限制，为了使其能 在水下长时间工作，系统的设计必须要考虑功耗的大小口1 。系统采用低功耗 的设计既节约了电能消耗，。也对系统的稳定性和体积控制有一定的帮助。 通信系统的低功耗设计主要从电路中元器件的选型出发，尽量选用低 功耗高性能的元器件，并可以通过使能信号对停用器件进行“裁剪”，即进 行无效控制。本文中信号处理板的设计主要考虑了以下几个方面： 首先，选用了a t m e l 公司生产的a t 9 1 r m 9 2 0 0 芯片作为系统控制和 信号处理的核心器件。该芯片融合了a r m 9 2 0 一a r m 圆t h u m b 处理器， 芯片整体都采用了低功耗设计，其内核v d d c o r e 正常工作电流为3 0 4 m a ，待机模式电流为3 1m a ；芯片接入了双时钟以控制功耗，慢时钟振 荡器连接一个低功耗的3 2 7 6 8k h z 晶体，主振荡器接入高速时钟振荡器； 全功能电源管理控制器优化整个系统功耗，并支持普通、空闲、慢时钟及 s t a n d b y 工作模式。 其次，系统协处理器选用了t i 公司生产的t m s 3 2 0 c 5 5 1 0 芯片。在n 推出的系列产品中，t m s 3 2 0 c 5 5 x 系列芯片是主推的低功耗高性能芯片， 该系列处理器的应用领域主要是移动上网和高速无线通信领域9 1 。通过先进 的功耗管理技术，自动关闭空闲状态的外设、内存和内核功能单元，以实 现在极低的功耗下运行。 此外，系统用于接收与发射的模拟数字转换芯片选用了c i r r u s l o g i c 公司生产的c s 4 2 l 5 1 低功耗高性能音频编解码芯片。其内部包括 集成运放、a d 转换、d a 转换等单元，与传统的独立a d 、d a 设计 相比，该设计有集成度高、体积、功耗小、工作稳定等特点。 低功耗的设计对体积控制和工作的稳定性起了很大的作用。系统中主 要器件的选型都采用了b g a 封装的产品，有效地减小了电路面积。该设计 也满足了水下机器人对体积控制的要求。 2 2 2 双处理器结构设计 自治式水下机器人需要智能决策系统自治地指挥，对状态信息进行处 理并控制系统正常运行。本文设计的通信系统同样需要实时运行，接收控 制命令并进行智能判断，因此要采用智能嵌入式操作系统实现任务调度， 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 以满足自治式水下机器人的智能控制。 为了实现系统控制和信号处理的工作需求，通信系统的设计选用了 a r m 嵌入式处理器为核心处理器。嵌入式处理器是嵌入式操作系统的开发 平台，对系统硬件进行中心控制，并完成任务的调度和智能控制判断，后 面将对嵌入式操作系统v x w o r k s 做详细的讲述。本文设计中使用的嵌入式 处理器是a t 9 1 r m 9 2 0 0 ，该处理器主要应用于通信领域。它具有丰富的系 统与应用外设及标准的接口，从而为低功耗、低成本、高性能的嵌入式应 用提供了解决方案。 通信系统设计采用的扩频通信算法对处理器的运算能力由一定的要 求。从以往的调试过程看，基于p c i 0 4 结构主频4 0 0 m h z 的处理机在扩频 通信解码时有一定时间延时。虽然解码速度可以满足通信系统的要求，但 仍然要尽量提高系统的处理能力，为系统留有一定的计算冗余能力。因此， 本文提出了采用“a r m + d s p ”的双处理器结构。 “a r m + d s p ”的双处理器结构的采用充分的满足了系统控制和信号处 理的工作需求。在双处理器结构中，嵌入式处理器a r m 作为主处理器，是 嵌入式操作系统v x w o r k s 的工作载体，为通信系统提供系统控制和主要的 信号处理；d s p 作为协处理器，分担部分信号处理工作，当系统运算能力 充足时，可以灵活的进行裁剪；a r m 作为主机可以通过d s p 的主机接口 h p i 对其进行访问，此时d s p 是从设备，受a r m 的控制，两者通过d s p 的主机中断进行事件的同步。主机可以向从设备发送中断、代码段或数据 对其进行操作。辅助信号处理器d s p 相当于主处理器a r m 的一个信号处 理进程，在需要时进行调用并获得处理结构，这样就可以使双处理器同时 工作，提高系统处理速度。 2 2 3 嵌入式系统的选用 水下机器人的智能控制是采用嵌入式操作系统的出发点。嵌入式系统 的应用对系统设计有以下特点：可靠性与稳定性对嵌入式系统有特别重要 的意义；由于采用电池供电、无排风，有减小功耗、减少发热量的要求： 对尺寸的特殊要求。另外，为了满足系统对复杂过程的判断，可以引入进 程管理，这也是采用嵌入式操作系统的重要作用。 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 常用的嵌入式操作系统有以下几种p 1 1 ： 1 v x w o r k s 。v x w o r k s 是美国w i n d r i v e r 公司的产品。这是一个典型 的实时嵌入式操作系统，所有进程的代码与内核的代码静态地连接在一起， 并且在同一个空间中运行。v x w o r k s 提供了高效的实时任务调度、中断管 理、实时的系统资源以及实时的任务间通信，从而使程序员可不必考虑系 统资源管理，集中精力开发应用程序本身。良好可靠性和卓越的实时性被 广泛应用在通信、军事、航空和航天等高精尖技术及实时性要求极高的领 域。 v x w o r k s 是一个具有可伸缩、可裁剪和高可靠性，同时适用于所有目 标c p u 平台的实时操作系统。其可伸缩性指v x w o r k s 提供了大量的应用程 序接口供用户自行选择使用；可裁剪性是指用户可以根据自己的应用需求 对v x w o r k s 进行配置，产生具有各种不同功能集的操作系统映像。v x w o r k s 包括一个微内核、强大的网络支持、文件系统、系统和c + + 支持的各种 模块。 2 q n x 。o n x 是加拿大q n xs o f t w a r es y s t e m s 公司的产品。这是一 个典型的微内核操作系统。除内核以外还包括若干基本的系统进程，如进 程管理进程p r o c 、文件系统管理进程f s y s 、设备管理进程d e v 、网络管理 进程n e t 。q n x 采用存储管理，除p r o c 是个内核线程，与内核共享空间以 外，其他都是进程，各有自己的空间。 3 w i n d o w sc e 。这是m i c r o s o f t 的产品。w i n d o w sc e 也是微内核结构 的操作系统。w i n d o w sc e 采用页式存储管理，并且采用页面换入技术；其 进程调度是基于优先级的可剥夺调度；w i n d o w sc e 的中断处理分成中断服 务程序( i s r ) 和中断服务线程( i s t ) 两部分，其低层i s r 在内核中，而 高层i s t 则独立参与调度；其设备驱动也分为两层，高层是设备驱动程序 的主体；w i n d o w sc e 为网络操作提供了强有力的支持，在插口( w i n s o c k ) 的基础上实现了许多网络规程；w i n d o w sc e 拥有较强的图形界面功能，可 以方便的将其他w i n d o w s 操作系统上的应用软件移植到w i n d o w sc e 上。 4 口c o s i i 。b c o s i i 是由j e a nj l a b r o s s e 编写的一个完整的，可移 植、固化、裁减的占先式实时多任务内核。其实时性能和内核的健壮性早 己经在大量的实际应用中得到了证实。程序开发人员可以改写源代码，使 哈尔滨工程大学硕士学位论文 之符合自己的要求。裁减掉不需要的部分，使操作系统变得小巧、灵活， 并且能满足用户特定操作系统的需要。g c o s u 对于学校研究完全免费， 只有在应用于盈利项目时才需要支付少量的版权费，特别适合一般使用者 的学习、研究和开发。 5 a r m l i n u x 。顾名思义，这是移植到a r m 核上的l i n u x 。作为微 控制器或s o c ，各种基于a r m 核的芯片广泛的应用与各种嵌入式系统，而 移植到a r m 核上的l i n u x 成了“嵌入式l i n u x ”。嵌入式l i n u x ( e m b e d d e d l i l l u x ) 是指对l i n u x 经过小型化裁减后，能够固化在容量只有几十万字节 或几十亿字节的存储器芯片或单片机中，应用于特定嵌入式场合的专用 l i n u x 操作系统。开发人员选择l i n u x 一个主要的原因是它公开源代码，可 以让任何人将其修改移植到自己的目标平台系统里使用。a r m l i n u x 支持 包括从a r m 6 1 0 、a r m 7 1 0 、a r m 7 2 0 t 、a r m 9 2 0 t 、s t r o n g a r m 等系列的 a r m 处理器。简单地说，l i n u x 是一套免费使用和自由传播的类u n i x 操 作系统，是一个基于p o s i x 和u n i x 的多用户、多任务、支持多线程和多 c p u 的操作系统。它能运行主要的u n i x 工具软件、应用程序和网络协议。 它支持3 2 位和6 4 位硬件。l i n u x 继承了u n i x 以网络为核心的设计思想， 是一个性能稳定的多用户网络操作系统。 本文选用的嵌入式系统是v x w o r k s 。对于几种常见嵌入式系统的比较， v x w o r k s 具有优秀的实时性能，采用抢占式内核，其可裁剪的最小内核仅 有8 k b 左右，具有非常丰富的系统a p i 函数库，优秀的可移植性能够适用 于大多数主流的c p u 和嵌入式处理器和控制器。鉴于其综合的性能表现， 本文通信系统对其的选用是比较合适的。 2 3 信号处理板 在通信系统中，信号处理板是设计的核心，主要负责系统控制和信号 处理。系统设计为了满足信号处理的要求，设计了“a r m + d s p 的双处理 器结构，实现以a r m 为系统控制和信号处理核心，以d s p 为协处理器， 配合f p g a 做逻辑控制与数据缓冲，并用音频编解码芯片c o d e c 对输入 输出量化，这样就构成了信号处理板的基本框架。图2 2 是信号处理板硬件 结构图。 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 s d r a mi 峰h - , 图2 2 信号处理板结构图 以下将针对各模块的设计与调试作详细说明。 2 3 1 基于c o d e c 的音频编解码芯片模块 本系统的音频编解码芯片c o d e c 选择使用c i r r u sl o g i c 公司生产的低 功耗芯片c s 4 2 l 5 1 。 c s 4 2 l 5 1 是一款高度集成2 4 位9 6 k h z 采样的低功耗立体声编解码器。 该芯片基于多比特d e l t a s i g m a 调制方式，有限取样速率可以在4 k h z - 9 6 k h z 间调整例。芯片的a d c 、d a c 均采用了低功耗设计，适用于各种便携系统 应用。芯片具有低功耗模式运行，在双通道立体声回放模式下，功耗 1 2 9 3 m w ( 工作电压1 8 v 时) ；在双通道立体声录音和回放模式下，功耗 2 0 1 8 r o w ( 工作电压1 8 v 时) 。为适应不同电路的需求电源设置可变，数 字与模拟电源1 8 v 一2 5 v ，接口逻辑电源1 8 v 一3 3 v 。芯片具有关电管理功 能，使a d c 、d a c 、c o d e c 、m i c 预放大器以及模拟可编程增益放大器 p g a 可以在不使用时进行关电处理。模拟数字转换特性包括9 8 d b 动态范 围，模拟可编程增益放大器( p g a ) ，可编程的自动电平控制( a l c ) ，单独 通路控制，+ 2 0 d b 数字放大。芯片还有软件模式1 3 c 和s p i 控制，硬件模式 单独可用的控制，有灵活的时钟选择，一4 0 摄氏度到8 5 摄氏度工作温度。 1 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 c s 4 2 l 5 1 结构图如图2 3 所示。 s e 哟la u d 醅 l n p t n h 甜a w a r e m o d e 钟i 二c a s p ls o f t , 埘a r e m o d e c o n 订o id a t a 厂l 、 一：娑笳i _9 - l e m 洲b n i m ? f fc e n t e r e dl 旺m o d u ) a t o r 叶鬯蕊黔广 一：警编i _瑙 - 一 懈i 。广i i 矿 lc e m e r e dl 君 _ 璺 5 l 鬻l 兰 垂 ； 三 几1 nl r o t t , 、 c s 4 l 5 1 结构框图 4 2 l 5 1 的调试，主要有软件模式和硬件模式两种调试模式。其 中，模式支持两种配置方式12c模式和spi模式，硬件模式是指 stdalone控制模式。本系统中arm既支持12c模式，同样也支持spi 模式sp可以通过mcbsp在时钟停止模式下支持spi模式。所以为了提 高系灵活性，在系统设计中同时保留了这两种配置方式，既可以通过 arcodec进行配置，也可以通过dsp对codec进行配置，在以后 配置d e c 时可以根据方便任选一种。 片接口时，c o d e c 的设计兼容了硬件模式和软件模式两种方 案，也对12c模式和spi模式进行支持。其中，arm的两线接口(nvi) 与cec配置管脚直接相连，并预留了两根配置线的上拉电阻。此处两 种配式对电阻的使用是不同的，12c模式需要焊接上拉电阻，而spi模 式则要焊装。音频编解码芯片codec的数字信号都经过fpga配置t 转接过逻辑控制与arm的接口电路和dsp的接口电路连接。以下是 音频码芯片c o d e c 的接口电路，如图2 4 所示。1 4 蕊 哈尔滨工程大学硕士学位论文 d s p c o d e c 图2 4c o d e c 的接口电路 c o d e c 是本文通信系统模拟与数字的转换单元，包括模数转换单元 a d c 、数模转换单元d a c 。在本系统接收信号时，它将前端经过信号调理 的模拟信号转换成的数字信号，输出到数据缓冲单元f p g a ，待系统数字信 号处理使用；当系统需要将信息发射出去的时候，它又将输入的数字信号 转换成模拟信号送给后端发射机。从而，音频编解码芯片c o d e c 实现了 模拟与数字的转换收发。 2 3 2 基于f p g a 的逻辑控制与数据缓冲模块 基于f p g a 的逻辑控制与数据缓冲模块的核心器件是由x i l i n x 公司推 出的v i r t e x i i 系列f p g a ，x c 2 v 1 0 0 0 f g 2 5 6 。v i r t e x i i 系列f p g a 是x i l i n x 第一代平台f p g a 解决方案。v i r t e x i i 系列产品采用先进的0 1 5 z m o 1 2 z mc m o s8 层金属混合工艺设计，内核电压为1 5 v ，根据输入输出参 考电压的不同设计可支持多种接口标准，内部时钟频率可达4 2 0 m h z ，被认 为是高速低耗的最理想设计田1 。v i r t e x i i 具有逻辑容量大、片内r a m 多、 时钟频率高、内嵌d c m ( d i s t a lc l o c km a n a g e r ，数字时钟管理器) 时钟管 理、含有硬件乘法运算单元、支持多种接口标准等特点，是x i l i n x 公司高 密度、高性能f p g a 产品的代表，已广泛应用于复杂网络设备、无线基站、 高端视频处理器等高性能产品中瞄】。本文采用的x c 2 v 1 0 0 0 主要技术特征 如表2 1 所示。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 表2 1x c 2 v 1 0 0 0 的主要技术特征 c l b s e l e c t r a m 数量 系 统 最大 乘法器 1 8 勋最大 d c m 最大用户 门 阵列数 s l i c e 分布 数量 s e l e c t r a ms e l e c t ra m 数量 l o 接口数 4 里 数 r a m 数量数量 数量 数量 1 m4 0 3 25 1 2 01 6 04 04 0 7 2 0 84 3 2 v i t e x 。i i 系列f p g a 的开发工具是由x i l i n x 公司推出的x i l i n xi s e 。该 软件是针对x i l i n xf p 叫c p l d 的综合性集成设计平台。可编程逻辑器件的 设计过程是利用e d a 开发软件和编程工具对器件进行开发的过程。完整的 设计流程如图2 5 所示。 图2 5 完整的可编程逻辑设计流程 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 可编程逻辑的完整的设计流程主要包括电路设计与输入、功能仿真、 综合、综合后仿真、实现、布线后仿真和下板调试等步骤。本文f p g a 的设计采用的是v h d l 语言的设计方法，它的特点是利于有定向下的设计， 利于模块的划分与服用，可移植性好，通用性好。在功能仿真和时序仿真 中，将i s e 自带的仿真工具i s es i m u l a t o r 和m e n t o rt e c h n o l o g y 公司的 m o d e l s i ms e 进行了综合的利用。设计中f p g a 功能的实现是将配置文件 下载到目标板上反复实际测试实现的。 可编程门阵列( f p g a ) 在系统中可以为各个器件之间的访问提供控制 信号和它们之间的一些信号的对接，以及完成时序调整、总线隔离、高速 设备与低速设备的数据缓冲等功能瞵】。本文设计中x c