（信号与信息处理专业论文）用于金属密闭容器的超声通信系统研制.pdf

加c l a s s i f i e di n d e x ： 一 u d c ： i i i ii iiiii i i1 ii iiiiil y 18 0 8 6 4 0 ad is s e r t a ti o nf o rt h ed e g r e eo fm e n g d e s i g no f u l t r a s o u n dc o m m i n i c a t i o n s y s t e m f o rse a l e dm e n t a lc o n t a i n e r c a n d i d a t e ： z e n gw u s u p e r v is o r ： a s s o ci a t ep r o f w a n gd a c h e n g a c a d e m i cd e g r e ea p p li e df o r ： m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l i t y ：s i g n a l i n f o r m a t i o np r o c e s s i n g d a t eo fs u b m i s s i o n ：d e c 2 0 0 9 d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ： m a r 2 0 1 0 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y 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) ：、辔磁 日期：驯口、月缃 一 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。 本论文囱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) ：曾以、 蹦一以锥乒2 l e 导师( 签字) ： 仂f 。年弓月湘 红屯 产 一 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 摘要 应课题“高可靠性声学释放器”实验需要设计一套用于金属密闭容器的 超声通信系统。该系统可以在不开启金属密闭容器和不破坏密闭容器完整性 的情况下，以无线缆连接的方式实现对金属密闭容器内的电路系统进行检测 和参数配置，使设备操作更便捷。 论文重点介绍了超声通信系统硬件平台的搭建及相关软件设计与实现。 硬件设计包括：系统的结构、电路结构、芯片选型及接口设计。软件设计包 括：f p g a 程序设计、d s p 程序设计和u s b 2 0 接口芯片固件程序设计。系 统硬件具有超声通信和u s b 2 0 数据采集两项功能。系统可以穿过2 c m 厚的 钢板进行数据通信，通信速率为1 k b ，经常时间测试未发现误码；u s b 2 0 数 据采集功能模块的数据采集速率为6 4 m b s 。 系统软、硬件功能实现均达到设计要求，并具有后续开发的潜力。 关键词：超声通信；u s b 2 0 数据采集；f p a g ；d s p ，i 一 哈尔滨t 稗人学硕+ 学位论文 a bs t r a c t a c c o r d i n gt ot h es u b j e c t h i g hr e l i a b i l i t ya c o u s t i cr e l e a s et r a n s p o n d e r ” t h i sp a p e rp r o p o s e dab l u e p r i n to fa i r p r o o fm e t a lc o n t a i n e ru s i n gu l t r a s o n i c c o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h es y s t e mc a nd e t e c ta n dc o n f i g u r ep a r a m e t e ro ft h e c i r c u i ti n s i d ew i t h o u to p e n i n gt h es e a l e dc o n t a i n e ro rd e s t r o y i n gt h ei n t e g r i t yo f t h ea i r t i g h tc o n t a i n e r , t h i sc a nb ea c h i e v e dw i t h o u tc a b l e sc o n n e c t i n gt h em e t a l c i r c u i t r yi n s i d et h es e a l e dc o n t a i n e r st o o ，s ot h a to p e r a t i o no ft h ee q u i p m e n ti s m o r ec o n v e n i e n t t h i sp a p e rf o c u s e so nu l t r a s o n i cc o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n da s s o c i a t e d s o f t w a r e d e s i g n a n di m p l e m e n t a t i o n h a r d w a r e d e s i g n ，i n c l u d i n g ：s y s t e m a r c h i t e c t u r e ，c i r c u i t ，c h i ps e l e c t i o n , a n di n t e r f a c ed e s i g n s o f t w a r ed e s i g n ， i n c l u d i n g ：f p g ap r o g r a m m i n g ，d s pp r o g r a m m i n ga n du s b 2 0i n t e r f a c ec h i p f i r m w a r e p r o g r a m m i n g s y s t e mh a r d w a r e h a st w of u n c t i o n s ：u l t r a s o n i c c o m m u n i c a t i o na n dd a t aa c q u i s i t i o nu s i n gu s b 2 0s y s t e mt h r o u g ht h e2c mt h i c k s t e e lp l a t ef o rd a t ac o m m u n i c a t i o n ，t h es p e e dr a t ei s1k b s ，t h eb i te r r o rr a t ei s a l m o s tz e r o ；u s b 2 0d a t aa c q u i s i t i o nf u n c t i o nm o d u l e sf o rd a t aa c q u i s i t i o nr a t ei s 6 4 m b | s s y s t e m s s o f t w a r ea n dh a r d w a r e c a p a b i l i t y b o t hm e e tt h ed e s i g n r e q u i r e m e n t s ，a n dh a st h ep o t e n t i a lf o rg r o w t h k e yw o r d s ：u l t r a s o n i cc o m m u n i c a t i o n ；u s b 2 0d a t ac o l l e c t i o n ；f p a g ；d s p 哈尔滨下挥大学硕十学位论文 目录 第1 章绪论l 1 1 课题背景及立题意义1 1 2 超声通信研究现状l 1 3 超声通信系统的总体说明3 1 3 1 超声通信系统的工作原理3 1 3 2 超声通信系统完成情况3 1 4 本文研究的主要内容4 第2 章超声通信系统理论研究及设计5 2 1 超声波5 2 2 通信系统5 2 3 超声通信系统的设计方案6 2 3 1 系统设计要求与分析7 2 3 2 发射机与接收机设计8 2 3 3 超声通信系统结构”1 0 2 4 本章小结”1 l 第3 章超声通信系统软硬件设计1 2 3 1 超声通信系统硬件设计1 2 3 1 1 外部电路硬件设计“1 2 3 1 1 1 电路结构1 2 3 1 1 2 主要芯片选择1 3 3 1 1 3 电源供电与接口设计1 7 3 1 2 内部电路硬件设计”2 5 3 1 2 1 电路结构2 5 3 1 2 2 主要芯片选择2 6 3 1 2 3 电源供电与接口设计2 7 3 2 超声通信系统软件设计”2 9 3 2 1 系统工作的流程”2 9 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 3 2 2 系统f p g a 程序开发”3 0 3 2 3 系统d s p 程序开发3 7 3 2 3 1 外部电路d s p 程序设计3 7 3 2 3 2 内部电路d s p 程序设计”4 0 3 2 4 系统u s b 2 0 接口固件程序开发4 2 3 2 4 1 构建固件框架4 3 3 2 4 2 固件程序设计4 5 3 2 4 3 固件程序引导与下载4 6 3 3 本章小结”4 7 第4 章超声通信系统的调试与测试4 8 4 1 系统软硬件调试4 8 4 1 1 系统硬件调试4 8 4 1 2 系统软件调试5 0 4 2 超声通信系统性能5 2 4 2 1 系统通信性能”5 2 4 2 2u s b 2 0 数据采集性能“5 4 4 3 本章小结5 6 结论”5 7 参考文献5 8 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果5 8 致j 射”6 2 附录6 3 产 一 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景及立题意义 本论文来源于国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 中的课题“高可靠 性声学释放器”。应课题实验的需要，希望在不开启金属密闭容器和不破坏密 闭容器完整性的情况下，以无线缆连接的方式实现对金属密闭容器内的电路 系统的检测和参数配置。 目前，实现金属密闭容器的内外数据传输的主要方法是通过电缆连接来 完成。用电缆连接就必然要在容器上穿孔，这样就会影响金属密闭容器的密 闭性和整体完整性，从而影响其对工作环境的适应性，特别是对抗压性和密 闭性要求很高的设备中这一点很重要。以无线电作为传输信号进行传输的方 式是实现无线数据传输的常用方法，由于金属密闭容器对无线电信号有屏蔽 作用，所以采用无线电作为传递信号进行通信是无法完成通信的。选择一种 既可以穿过金属密闭容器又可以完成通信系统设计要求的信号载体是很有必 要的。通过对通信系统的理论学习，现采用超声信号作为信息传递的载体。 超声波在固体、液体的传输时衰减小，可以远距离传输。利用超声波的 这一特性，以超声波作为信息的载波，金属容器壁作为信号传输的媒质，再 加上通信信号处理的方法，可完成金属密闭容器内外数据的传输任务。通过 实验证明，以振动的方式通过金属密闭容器壁来传输信号是可行的。实验中 壁厚2 c m 的金属密闭容器内的振动信号可以通过容器壁传播出来，在容器外 部检测到信号，并具有较高的信噪比。所以采用超声通信的方式实现金属密 闭容器内外设备的通信是可行的。 利用超声通信来完成金属密闭器的内外电路数据传输，可以使设备操作 更便捷。 1 2 超声通信研究现状 频率高于人类可闻声频率极限2 0 k h z 的弹性振动称为超声，这种振动以 波动形式在媒质中的传播过程就形成了超声波。自从人类从蝙蝠的夜间飞行 中认识到超声的奥秘以来，人们对超声的研究就从没间断过。压电效应的发 哈尔滨t 稃大学硕十学何论文 t 现使超声可以应用到实际的生活中，从而产生了超声波技术。最初的超声波 技术主要是用于探测固体内部缺陷，随着科技的发展，超声波技术的应用领 域越来越广泛。现代超声技术则是结合了医学、仿生学、电子技术、电子计 算机、计量技术、相关技术等新技术成就的综合应用1 。 超声波技术在工业和医学中应用比较广泛，具体应用有超声检测、超声 探伤、b 超、超声焊接、超声钻孔、超声清洗等。采用超声波进行通信和数 据传输的研究在国内外都有，国内对这方面的研究比较少。 将超声波应用于通信，在上世纪9 0 年代美国就有人就进行这方面的研究 了，并实现了利用超声波在空气中传播来进行远程通信，还给出用超声进行 远程通信的机制口1 。图1 1 为文献 2 中完成超声通信的设备。 7 f i g u r e ， 8 o n r a s 0 n cc o f ￥v n u n i c 越 o nt r a n s 竹1 ：e f5 f s i e p ltr 碲5 y 钟幸n 1l t - , c i “d e sa r o l * ec 锄1 、p “：e 卜! a s e ad a t al f oe 撑e n lh a r f p g a a d c 转换控制 时序模块 图3 6a d 9 2 4 4 与f p g a 的连接图 3 、f p g a 与c y 7 c 6 8 0 1 3 a 的接口设计2 明3 0 1 在本文中c y 7 c 6 8 0 1 3 a 的主要作用是进行数据传输，将a d c 采集的数据 存储到计算机中。c y 7 c 6 8 0 1 3 a - i - 一作在s l a v ef i f o 模式下是从设备，主设备 是f p g a ，由f p g a 来控制传输的时序。其接口设计如图3 7 所示。 c y 7 c 6 8 0 13 a卜- 一f l a s l a v ef i f o 模式 卜一f i f ( 图3 7c y 7 c 6 8 0 1 3 a 的s l a v ef i f o 模式典型电路 图3 7 是c y 7 c 6 8 0 1 3 a 工作在s l a v ef i f o 模式的电路连接。c y t c 6 8 0 1 3 a 工作s l a v ef i f o 模式其工作的时钟可以使用内部时钟和外部时钟两种时钟 源。内部时钟通过配置可以工作在3 0m h z 和4 8 m h z 下，且可以通过i f c l k 管 脚输出。如果用外部时钟源则可以通过i f c l k 管脚输入5 m h z 到4 8 m h z 的时钟 频率。c y 7 c 6 8 0 1 3 a 的s l a v ef i f o 模式又可以通过配芯片的内部寄存器使其 工作在同步模式和异步模式两种状态下，i f c l k 信号只有在同步模式下有效。 f l a g a 、f l a g b 、f l a g c 是c y 7 c 6 8 0 1 3 a 内f i f o 的状态输出信号，其高低 电平分别代表f i f o 的空、满两种状态，通过固件程序可以设置其表示的具体 状态。s l c s ( s l a v ef i f oc h i ps e l e c t ) 是s l a v ef i f o 模式的片选信号，s l c s 的低电平表示工作在s l a v ef i f o 模式下。s l o e ( s l a v eo u t p u te n a b l e ) 是 输出使能信号默认的是低电平有效，只有在数据从c y 7 c 6 8 0 1 3 a 中读出时用 2 l 哈尔滨下程大学硕十学位论文 到。s l r d ( s l a v er e a d ) 是从数据线上读取数据到外部主设备的信号，默认 低电平有效。s l w r ( s l a v ew r i t e ) 是将数据写入c y 7 c 6 8 0 1 3 a 的控制信号， 默认低电平有效。p k t e n d ( p a c k e te n d ) 包结束标志，主设备可以将数据打 包送入从设备中，以p k t e n d 信号判断数据包是否结束，默认低电平有效。 f i f o a r d 0 1 】( f i f os e l e c t ) 是f i f o 选择信号，确定选择哪个f i f o 连接到 数据线上，四种状态o o 、0 1 、1 0 、1 1 分别代表e p 2 ( e n dp o i n t2 ) 、e p 4 、e p 6 、 e p 8 四个端点连接到数据线上。f d 0 ：1 5 是1 6 位的数据线，通过编辑固件程序 可以设置为8 位和1 6 位。 图3 7 中所示的信号线是c y 7 c 6 8 0 1 3 a 工作在s l a v ef i f o 模式下的全部 信号线。按图中连接c y 7 c 6 8 0 1 3 a 的s l a v ef i f o 模式可以工作在以下四种状 态下：同步读操作、同步写操作、异步读操作及异步写操作。 4 、f p g a 与d s p 的接口设计 f p g a 与d s p 之间需要进行双向的数据传输。f p g a 的大部分的管脚是 i o 管脚，可以通过硬件描述语言编程来描述其具体的功能，生成需要的接 1 2 。d s p 用于双数据传输的外设有e m i f 、1 2 c 、u a r t 、u s b 、m c b s p 。考 虑到d s p 与f p g a 连接的管脚和数据传输速率。本系统中f p g a 与d s p 的 数据交换是通过多通道缓冲串1 2 ( m c b s p ) 进行的。 t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a 具有3 个高速、双向、多通道带缓冲的串行接口。它 可以与其他d s p 器件、编码器或其他串行接口器件通信。多通道缓冲串口的 硬件部分是基于标准串行口的。多通道缓冲串口提供了多种功能，包括：全 速双工通信、双缓存发送和三缓存接收，支持连续传送、接收和发送使用独 立的时钟、可由外部提供时钟和帧同步信号、发送中断到c p u ，发送同步事 件到d m a 控制器、字宽可选为8 、1 2 、1 6 、2 0 、2 4 和3 2 b i t 、多通道选择模 式可以允许或禁止每个通道等。 m c b s p 包括数据通道和控制通道两部分，并通过6 个引脚与外部器件相 连。在时钟和帧同步信号的控制下，接收和发送引脚与外部器件通信。通过 m c b s p 与外部设备进行数据交换，由d x 引脚发送数据，d r 引脚接收数据。 通信时的时钟和帧同步信号有c l k x ( 发送时钟) 、c l k r ( 接收时钟) 、f s x ( 发送帧同步) 、以及f s r ( 接收帧同步) 引脚来控制。表3 2 对m c b s p 接 口引脚控制信号功能的详细。 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 表3 2m c b s p 接口引脚控制信号功能及说明 引脚可能的状态可能的用途 提供或者反映接收时钟 c l k ri o z 为采样率发生器提供输入时钟 作为通用的输入输出引脚 提供或反映发送时钟 c l k x、f o f z 为采样率发生器提供输入时钟 作为通用输入输出引脚 c l k s i 为采样率发生器提供输入时钟 作为通用输入输出引脚 i 接收串行数据 d r 通用输入引脚 d x 发送串行数据 o z 通用输出引脚 f s r z 提供或反映接收帧同步信号 当g s y n c = i 时，控制采样率发生器同步 f s x i o z 提供或反映发送帧同步信号 作为通用的输入偷出引脚 将相应的信号线连接到f p g a 的通用i o 管脚上，加上f p g a 和d s p 程 序设计就可以实现通信。f p g a 方面主要是按照t i 的器件手册上提供的接口 协议，用硬件描述语言编写接收和发送时序。而d s p 则是按照器件手册的要 求配置相应及寄存器值，并与f p g a 相配合，就可以完成数据传输。 另外d s p 的输入时钟也由f p g a 提供，f p g a 接在d s p 的m c b s p l 接 口上。其接口连接如图3 8 所示： f p g a m c b s p 接口控审u 模块 图3 8f p g a 与d s p 的m c b s p 连接 哈尔滨丁稃大学硕+ 学位论文 5 、d s p 与触摸屏控制板 d s p 与触摸屏控制板之间是通过 2 c 总线相连。d s p 是从设备，触摸屏 控制板是主设备。1 2 c 总线的信号线有两条：串行数据线( s d a ) 、串行时钟 线( s c l ) 。在应用时这两根信号线都要通过一个电阻将其拉高。1 2 c 总线上 可以连接多个1 2 c 设备，访问时的每个设备的地址不同，如图3 9 所示例。 串行数据( s d a 串行时钟( s c l z “斤睦j 旧2旧s | 但间吧气_ jl_ j l 1ii1 li l 设备。ll 设备4l ” 图3 9 多个1 2 c 设备的连接 将d s p 及触摸屏控制板上的单片机( m s p 4 3 0 f 16 11 ) 的1 2 c 模块管脚通 过拉高电阻拉高后连接在一起，接口连接就完成了。在应用时只需在应用程 序中对片内相应寄存器进行配置就可以实现1 2 c 通信了。 图3 1 0d 类功放的电路图 d s p 通过两个g p i o 口输出调制信号，调制信号为相位相差1 8 0 度的方 波脉冲，调制信号推动d 类功放产生正弦波脉冲，从而是实现2 f s k 调制发 射。图3 1 0 为d 类功放的电路图，d 类功放工作产生可以推动超声压电陶瓷 片振动的正弦波，主要是利用了m o s 管( f d n 3 3 9 a n p u ) 的通断作用和变压 器对电压的放大及滤波作用。d s p 产生的3 3 v 的方波经数字开关后将方波的 2 4 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 电压变成5 v ，m o s 管在导通时电路的电流增大，使电路有足够的能量去推 动超声压电陶瓷片振动。 通过对外部电路的电路结构、主要芯片及电路各功能模块的接口设计的 介绍，外部电路的硬件平台就基本搭建完成了。外部电路可以用来接收和发 射，两块外部电路之间可以完成通信。但是考虑到容器内的工作环境不同， 内部电路设计时主要考虑的是电路的大小和功耗。内部电路与外部电路的工 作原理差不多，内部电路是在外部电路的框架上进行改进完成的。 3 1 2 内部电路硬件设计 内部电路的工作环境和需要完成的功能与外部电路不同，其电路供电是 电池供电，电路的大小和功耗是电路设计主要考虑的一个因数，所以内部电 路的设计与外部电路会不同。 3 1 2 1 电路结构 内部电路是从设备，主要接收外部访问指令并将指令发送到其他执行电 路中，最后向外部电路发送反馈信号返回指令执行情况。内部电路与外部电 路的电路结构大体上相同，内部电路不需要触摸屏进行指令的编辑和通过 u s b 2 0 接口进行数据采集。内部电路结构如图3 1 1 所示： 内部电路的结构与外部电路差不多。模拟部分的放大、滤波及功放所用 的电路和芯片和外部电路都是一样的。电路的电源供电方式不同，内部电路 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 采用电池供电点。数字部分则通过d s p 来实现，在电路中d s p 需要完成控 制模数转换器件、接收信号的解调解码、发射信号的编码调制及将解码后的 指令发给指令执行单元。 3 1 2 2 主要芯片选择 内部电路用到的芯片在外部电路中基本上都用到了，只是电路中的模数 转换器与外部电路用的不一样，外部电路采用的是a d 9 2 4 4 ，内部电路用的 则是a d 9 2 3 5 p 引。选用a d 9 2 3 5 的主要原因是：体积小，2 8 管脚的t s s o p 封 装，且供电为3 v 单电源：a d 9 2 3 5 的功耗与成本均比a d 9 2 4 4 低；芯片在 网上可以申请到节省电路开发的成本。 a d i 公司的a d 9 2 3 5 属于单芯片、1 2 位、2 0 4 0 6 5m s p s 模数转换器 ( a d c ) 系列。内部电路采用a d 9 2 3 56 5 m s p s 的a d c 芯片。a d 9 2 3 5 采用 3v 单电源供电，该系列均内置一个高性能采样保持放大器( s h a ) 和基准 电压源。多级差分流水线架构，内置输出纠错逻辑，6 5m s p s 数据速率时可 提供1 2 位精度，并保证在整个工作温度范围内无失码。利用宽带宽、差分采 样保持放大器( s h a ) ，可以选择包括单端应用在内的各种输入范围和偏移。 时钟控制方面采用一个单端时钟输入来控制所有内部转换周期，内部占空比 稳定器( d c s ) 用来补偿较大的时钟占空比波动，保持出色的a d c 总体性能。 1 2 位数字输出数据格式可以为标准二进制或二进制补码。与以前的模数转换 器相比，a d 9 2 3 5 的功耗与成本均有所降低，适用于通信、成像和医疗超声 等应用。a d 9 2 3 5 提供2 8 引脚超薄紧缩小型封装( t s s o p ) 。a d 9 2 3 5 的内部 结构如图3 1 2 所示： a v d dd r 、，p o 图3 1 2 a d 9 2 3 5 的内部结构 哈尔滨丁程大学硕+ 学位论文 内部电路用到的其他芯片在外部电路都已经介绍过了，在此不再重复。 内部电路的供电和a d c ( 模数转换器) 接口设计与外部电路不一样，接下来 介绍一下内部电路的供电和a d c 与d s p 的接口设计。 3 1 2 3 电源供电与接口设计 内部电路的电源供电与接口设计与外部电路的不同体现在：电源供电是 电池；a d c 与d s p 相连，由d s p 进行转换控制和接收数据。 1 、电源模块 内部电路的接入电源是电池，它能提供的是+ 3 6 v 和3 6 v 的电源电压。 电路中模拟器件用到的工作电压是+ 3 6 v 、3 6 v 。数字部分用到的是3 3 v 和 1 6 v ，3 3 v 提供给d s p 和a d c 做管脚电压，1 6 v 是提供给d s p 做内核电 压。3 3 v 和1 6 v 可以通过一片t p s 7 6 7 d 3 0 1 来得到，在前面介绍外部电路 电源时介绍了t p s 7 6 7 d 3 0 1 的工作特性和典型电路图，t p s 7 6 7 d 3 0 1 的输入 电压范围为2 7 v 1 0 v 。电池供电的缺点是时间长了电池的供电电压会发生变 化，而3 6 v 离t p s 7 6 7 d 3 0 1 的下限工作电压太近，直接将电池的3 6 v 接到 t p s 7 6 7 d 3 0 1 上作为输入时间长了会影响d s p 的工作，故在电路中加入了一 片t p s 6 0 1 3 0 芯片，这是一款输出为5 v 稳压的高效电荷泵变换器i c 。 t p s 6 0 1 3 0 的输入电压是2 7 v 5 4 v ，输出稳定的5 v 电压，输出电流可 达3 0 0 m a 。电路应用简单，主要用于电池低电压检测和电源工作状态检测。 下图为t p s 6 0 1 3 0 的典型电路： f 图3 1 3t p s 6 0 1 3 l 典型电路 2 、a d 9 2 3 5 的接口设计 前面对a d 9 2 3 5 进行了介绍，从图3 1 2 中可以了解到a d 9 2 3 5 内部结构 2 7 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 和外围管脚。a d 9 2 3 5 的接口设计与a d 9 2 4 4 差不多，包括：前端是模拟信 号的接入、芯片功能配置管脚连接及后端与d s p 的接口连接。 ( 1 ) 、前端模拟信号的接入。a d 9 2 3 5 可以采用多种形式输入，在此与 外部电路的a d 9 2 4 4 一样也采用差分信号形式接入。换能器输出的单端信号 经放大、滤波仍然是单端信号，需要转换为差分信号后再接入到a d 9 2 3 5 的 v i n + 、v i n 管脚上。同样也是通过差分转换芯片a d 8 1 3 8 来完成转换。 ( 2 ) 、芯片功能配置管脚连接。通过连接这些管脚可以使a d 9 2 3 5 工作 在所需的状态下。主要是进行供电电源处理、1 2 b i t s 数据的形式设定、占空 比稳定器使能设定及参考电压设定。电路中a d 9 2 3 5 的供电电压为3 6 v ， m o d e 电压设定为1 3 a v d d 。参考电压可以通过s e n s e 、v r e f 、r e f t 及 r e f b 四个管脚来设定。系统中a d 9 2 3 5 采用内部参考电压，参考电压为2 v 。 ( 3 ) a d 9 2 3 5 与d s p 的接口连接。a d 9 2 3 5 的数据输出为1 2 b i t 并行输 出，t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a 的g p i o 口又有限，故d s p 与a d 9 2 3 5 的连接是通过 e m i f 外设与a d c 相连，将a d c 的1 2 b i t 数据线与e m i f 的1 6 比特数据线 的低1 2 位相连。用e m i f 的控制时钟做a d c 的转换控制时钟。p d w n ( p o w e r - d o w nf u n c t i o ns e l e c t i o n ) 芯片下电控制管脚低电平有效，通过下拉 电阻连接到d s p 的g p l 0 2 管脚上。图3 1 4 为a d 9 2 3 5 在内部电路中的接口 设计。 图3 1 4a d 9 2 3 5 在内部电路中的接口设计 内部电路的其它接口设计与外部电路相同。d s p 通过1 2 c 总线与容器内 的指令控制电路相连，完成指令的传送。调制信号由生成d s p 经g p l 0 0 、 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 g p l 0 1 输出给d 类功放。d 类功放推动超声换能器向外发送反馈信号。 本节结合系统的总体结构，从外部电路和内部电路两个部分对系统的硬 件电路结构、芯片及接口设计作了详细的介绍，完成了系统电路的硬件设计， 为超声通信系统的实现提供了硬件平台。硬件平台是系统功能实现的必要条 件，要完成超声通信的任务还需通过后续软件开发才能实现。 3 2 超声通信系统软件设计 上一节集中介绍了系统的硬件实现，为软件实现提供了硬件平台。在硬 件的基础上开发软件实现系统功能是本节所要讲述的重点。软件的实现主要 是基于f p g a 、d s p 及u s b 2 0 接口这三款芯片来完成，涉及的开发软件有： 开发a l t e r a 公司f p g a 的q u a r t e r1 1 7 0 3 4 删、开发d s p 的c c s 3 1 嗍3 7 删及开 发u s b 2 0 接口固件程序的k e i lc 眇耶们。本节将从系统工作的流程出发，分别 讲述系统的f p g a 程序、d s p 程序及u s b 2 0 接口固件程序的开发。 3 2 1 系统工作的流程 要在硬件平台上用软件编程实现来实现系统的功能，首先就必须对系统 工作的流程有详细的了解。图3 1 5 为系统工作流程图，图中的l 8 的标号是 指令流经系统的过程，下面结合图中的标号详细的介绍系统工作流程。 图3 1 5 系统工作流程图 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 系统的主要指令包括：连接、检测、波形设定、定时、释放及确认。连 接是用来检查你内外通信是否正常的指令。检测、波形、定时和释放是发送 给容器内电路的配置指令。确认是用来确认容器内电路接收到的指令与外部 发出的指令一致的执行指令。容器内电路接收到信息都会反馈给外部电路加 以确认。为保证内部电路执行正确的配置指令，每一条配置指令都需要在接 收到执行指令之后才能够在内部电路中执行，一次指令从编辑到执行都要经 过图中的1 8 。 消息来源于人，操作人员通过触摸屏编辑消息，触摸屏的功能是将人的 指令编辑成机器可以识别的指令信息即人机对话操作。触摸屏通过1 2 c 总线 传给d s p ，d s p 对指令进行编码和调制。d s p 从g p l 0 0 、g p l 0 0 口输出两路 方波脉冲，两路方波的频率相同，相位相差1 8 0 度，峰值为3 3 v 。方波经过 数字开关后峰值变成5 v ，两路方波输入到d 类功放，输出峰值为1 0 0 v 的正 弦脉冲推动超声换能器实现2 f s k 调制。振动信号经金属壁传递后被容器内 超声换能器接收进入内部电路，内部电路对接收到的信号进行放大、滤波及 差分变换后被a d 9 2 3 5 采集进入d s p ，a d 9 2 3 5 的控制和数据传输由d s p 完 成。内部d s p 对信号进行解调、解码得到指令信息，此时指令将不被马上执 行，而是将其返回到外部。 容器外部的超声换能器接收到反馈信号，a d 9 2 4 4 对放大、滤波及差分 变换后的信号进行采集。f p g a 的a d c 控制模块与a d 9 2 4 4 相连，采集到 的信号在f p g a 中进行正交解调、解码，得到的编码信息可以通过u s b 2 0 接口存入计算机也可以通过d s p 的m c b s p 接口送入d s p 。d s p 将得到反馈 信息以发送信息进行比较。如果相同则发送确认指令，令容器内电路执行指 令。如果不同则可以选择重新发送指令或不发。 从图3 1 5 中可以看出，系统需要在f p g a 中完成对a d 9 2 4 4 和u s b 2 0 接口芯片时序控制、对接收的数据进行解调解码并将结果送入d s p 中，在 d s p 中进行编码、调制、解调、解码、i 2 c 模块配置、m c b s p 接口配置及e m i f 接口配置，另外u s b 2 0 接口芯片需要固件程序对其进行配置才能正常工作。 3 2 2 系统f p g a 程序开发 在系统中f p g a 需要实现的功能有：a d 9 2 4 4 的时序控制、u s b 2 0 数据 3 0 哈尔滨t 桴大学硕十学何论文 传输时序控制、m c b s p 接口时序及对接收信号进行解调和解码。f p g a 的输 入时钟由2 0 m h z 晶振提供，通过内部的p l l ( 倍频器) 使f p g a 的系统工 作在时钟2 0 0 m h z 下。 1 、a d 9 2 4 4 的时序控制 a d 9 2 4 4 的转换控制简单，只需输入差分的时钟信号就可以完成模数转 换和输出。时钟输入的管脚为c l k + 和c l k ，c l k + 管脚信号的上升沿完 成模数转换，转换完的数据将寄存在芯片的寄存器中，在之后的第9 个时钟 的下降沿输出。通过f p g a 控制a d 9 2 4 4 实际上是用v h d l 编一个分频器， 在本文中的分频器的设计是通过一个状态机来完成的，通过改变状态机中的 计数器就可以输出任意的时钟信号。系统中a d 9 2 4 4 的采样频率为2 0 m h z 。 a d 9 2 4 4 的转换时序要求如图3 1 6 所示。时序仿真如图3 1 7 所示。 一一习三x 三】j 三题互三刁巳三k 三0 互互汇三x 三丑 一卜一一 图3 1 6a d 9 2 4 4 转换时序图 尘s l 缉m2 雩3 8 ms 1 , 2 u6 ut 畸e8 呻m 1 02 4 u 1 1 罕m 舶0 轧m jui 广 厂 几厂 厂 厂 j 厂 厂 厂 厂 广 广 厂 厂 广 厂 厂 厂 广 广 广 图3 1 7f p g a 控制a d 9 2 4 4 转换时序的仿真图 2 、u s b 2 0 数据传输时序控制【3 9 1 在文中u s b 2 0 接口芯片工作在s l a v ef i f o 模式下，f p g a 属于主设备， u s b 2 0 接口芯片为从设备。c y 7 c 6 8 0 1 3 a 在s l a v ef i f o 模式下有同步模式 和异步模式两种操作模式。系统采用异步模式进行传输，主要是将采集的数 据通过u s b 2 0 接口芯片存储到计算机中。 在前面介绍接口时已经介绍了f p g a 与c y 7 c 6 8 0 1 3 a 的接口连接形式。 实现异步从属f i f o 写操作，涉及到的信号有f i f o a d r 1 ：0 1 、f l a g b ( f i f o 满信号f u l l ) 、f l a g c ( f i f o 空信号e m p t y ) 、s l w r 、s l c s 、f d 1 5 ：0 】、 p k t e n d 。f p g a 主要是通过判断c y 7 c 6 8 0 1 3 a 内f i f o 的空满状态来决定 哈尔滨| t 程大学硕十学位论文 是否继续往c y 7 c 6 8 0 1 3 a 中写数。可以通过状态机来实现这一过程，状态机 的进程如图3 1 8 所示： 图3 1 8u s b 2 0 数据传输状态图 图3 1 8 中各个状态的具体情况如下： 初始化：f p g a 系统初始化，初始化完成后进入状态l 。 状态1 ：设定f i f o a d r 1 ：0 指向i nf i f o 、s l w r 置为高电平、p k t e n d 置为高电平、s l c s 置为低电平，进入状态2 。 状态2 ：判断i nf i f o 的状态标志满为“假 ( f i f o 不满) ，则转向下一 个状态3 ；否则停留在状态2 。 状态3 ：将要写入的数据放到数据线f d 1 5 ：0 上，产生一个s l r w 写入 时钟信号，将数据写入f i f o 中。进入状态4 。 状态4 ：判断是否写完一包数据，进入状态2 。 焉k冀 i 势 l 。1l，! t _ _ 州f _ 岫lh _ 蛳lq _ b ，1 q - - i _ 一l ； ij j i o ；bn _。g = = ；，算多i + 劾静一1 ，曹； ( 鼍 ，t d l 一刁虹 一一 照幽叁生剽 避捌 区：到 l i 二ff 蠹二 图3 1 9c y 7 c 6 8 0 1 3 a 的异步写时序 图3 1 9 为c y 7 c 6 8 0 1 3 a 的异步写时序图。u s b 2 0 数据采集的控制时序 不仅要考虑到c y 7 c 6 8 0 1 3 a 的控制时序，还要配合输出数据给u s b 的数据 源的时序，u s b 2 0 接口主要进行数据采集，将a d c 采集到的数据存入计算 机。为了保证数据实时且不丢失，通常会在a d c 与u s b 接口之间加入f i f o 或乒乓r a m 。在本文中是通过乒乓r a m 来进行数据的缓冲，其工作过程是 a d c 采集的数据先存入r a ma ，r a ma 存满后切换a d c 的数据线将数据 3