（通信与信息系统专业论文）成像声纳数据传输和显控软件的设计与实现.pdf

成像声纳数据传输和显控软件的设计与实现 摘 要 高分辨成像声纳系统利用声成像技术获得水中世界的信息，并将其以图像形式直观 的显示出来。系统的实时性、高分辨性等特点，导致大数据量的高速传输与处理成为系 统设计的重点和难点。 本文的主要工作是在硬件平台上实现成像声纳系统的高速数据传输，同时在软件平 台上设计显示控制软件。论文首先研究了数据在数字信号处理机上的高速传输，根据系 统要求设计了可靠的传输模型。重点研究了基于tms320c6416的tcpip协议以及 edma传输方式的实现。其次，在labwindowscvi的开发平台上设计了显示控制软件。 软件的主要功能有：控制和协调成像系统的各设备运行；完成基于套接字的网络编程和 基于rs232的串口编程；设计并实现数据的高速实时传输、保存、显示；完成日志记录、 数据回放以及软件后置成像等功能。本文从显示控制软件的功能需求出发，详细讲述了 软件各个模块的实现，重点研究了多线程技术并且设计了基于windows编程的高速数 据处理模型。最后，进行系统联调保证高速数据流在软、硬件接口部分的正确传输。 经水池实验表明，设计的数据传输和处理模型满足系统要求并且能够长时间稳定工 作，显示控制软件各功能模块运行良好，人机交互性强，达到了系统要求。 关键词：成像声纳；数据传输；显控软件；dsp；mwind0顺ic：vi 成像声纳数据传输和显控软件的设计与实现 abstract the information in the water call be obtained by high resolution imaging sonar system using underwater acoustic imaging technology,and displayed in the form of visual images directlythe characters of the imaging system such as realtime and iligh-resolution result in the highspeed data transmission and processing becoming the difficulty of the system design the main contents of this article are design and implementation of the high-speed data transmission on hardware platform and the display console on software platformfirstly,the hi曲-speed data transmission on the digital signal processor is studied and a reliable transport model is designed according to the system requirementsthe implementation of tcpip protocol and edma transmission base on tms320c6416 is researched；secondly,the display console is developed under the environment of labwindowscvithe main functions of the display console arecontrol and coordinate the operation of each device；complete socketbased network programming and serial port programming；design and implement the realtime transmission,storage and display of high-speed data；complete logging,data-replay this article begins with the softwares functional requirements，narrated each software module realization in detailthe technologies of multithreading and windowsbased programming model for high-speed data processing are researchedfinally,the system test is done to ensure highspeed data streams between the software and hardware interface is transported correctly the pool test indicates that the design of data transmission and processing model call meet the system requirements and work stably for a long timeit also indicates that every function model of the display console runs well，while the console is with strong humancomputer interaction and reaches system requirements key words：imaging sonar；data transmission；display console；dsp；labwindowscvl 第1章绪论 第1章绪论 11课题背景及意义 进入21世纪以来，地球环境的恶化和资源的日渐枯竭，使得人类对覆盖地球总面 积7l的海洋在经济上的巨大潜力和战略上的重要地位有了更深入的认识。由于海洋环 境的内在不确定性及传播介质的不稳定性限制了人类对水下世界的感知，人类虽然拥有 海洋，却不了解海洋。 人们认识世界的途径主要通过触觉、听觉和视觉三种方式，其中视觉是最为直接和 全面的，占人类接受信息的70左右1。但是人类在陆地上获得视觉信息的光学成像技 术，同诸多已经发展的很成熟的科技一样，在辽阔的海洋上却是问道于盲。在陆地上光 学成像技术可以精准的记录尽可能远的一切目标，但在海洋里其成像范围十分有限，一 般只有十几厘米。于是作为能克服复杂水文环境，同时具有较远的作用距离，以直观、 丰富、实时、立体的图像来显示被观测区域的状况以及识别目标的成像声纳系统，在水 下探测等诸多应用中发挥着重要的作用。利用成像声纳不仅可以对被观测水下区域成 像，使观察者对地形有直观的了解，还可以探测水雷、水下沉船等可疑物体，指导海底 雷的清扫工作，它能提供不易获得的物体表面的细节信息，使人能够对物体的表面情况 有清晰的了解。成像声纳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、堤坝和水闸的监测、管道检测、电缆安装等冈。无论是在军用或民用领域，成 像声纳技术都将是未来船舶与海洋工程所需要的主要技术之一，所以研究和发展成像声 纳技术是十分必要和迫切的。 ；： 除去工作距离远、探测范围大等优势，成像声纳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成像声纳的成像质量。高分辨成像声纳系统是 探测海洋世界的重要手段，而成像的高分辨率就意味着大量数据的传输，若要达到实时 处理的效果，研究模块接口间的高速数据传输具有很重要的意义。同时，设计和实现作 为成像声纳设备中人们直接获取水中信息并实施操作的显示控制平台，它的稳定性、可 操作性和实时性对高分辨成像声纳系统亦有着重要的意义。 12成像声纳的发展现状 成像声纳的工作原理是利用主动发声设备发射声波，再由接收器接收声波，对所接 收的声波进行数字信号处理便可将其携带的空间中物体的信息提取出来，并通过相关的 显示控制软件形成一维或多维图像显示出来p。 成像声纳系统按照成像方式和声纳系统工作方式可有两种划分闱。首先按照成像方 式可分为一维成像、二维成像和三维立体成像。一维成像声纳也就是测深仪或测距仪， 1 哈尔滨：口掣人学硕士学位论文 它仅能够获得目标的深度或距离，而对目标方位无法测得：二维成像声纳可以得到目标 的方位，而无法得到深度信息；三维成像声纳不但能了解到目标的方位信息，而且可以 了解它的深度信息。其次，按照声纳系统工作方式可分为单波束机械扫描声纳和多波束 预成电子扫描声纳。单波束机械扫描声纳是由机械旋转的单波束形成全方位或某固定扇 面内的的扫描来完成探测；多波束预成电子扫描声纳是由多个波束同时对目标区域进行 扫描，然后对各波束数据进行并行处理来完成的。 随着水声技术的快速发展，以及成像声纳在各个领域广泛应用，成像声纳的研究成 为热点，世界上许多国家都在发展自己的声纳成像技术，发达国家在这方面处于世界领 先地位，有许多公司已研制了多种军用和民用的成像声纳产品。例如，英国coda octopus 公司，英国tritech公司，美国的klein associates公司，美国reson公司。这里列举 几个具有代表性的产品： (1)英国tritech公司生产的多波束成像声纳720igemini。它工作在720khz的频率上， 可视范围达到120。，作用距离02m120m，提供ethernet和vdsl两种接口方式。该 产品特点是体积非常小，声纳头仅重1千克，可以很轻松的装载nd,型的rov、auv 上，为其提供实时的高频图例习扣。 图11 720igemini外观与成像效果图 图12 echoscope mark ii外观与成像效果图 (2)英国coda octopus公司研制的echoscope mark ii。该系统采用48x48的相控二 维基阵，具有2304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16384个波束，对100米范围内的静止和运动目标进行实时成像，是一个真 正的三维实时成像声纳系统。其中最重要的是它的图像刷新率可达10幅秒，这足以使 2 第1章绪论 一个移动目标的轨迹实时地显示出来。刀 图13 seabat7112成像声纳 (3)美国reson公司生产的seabat系列高频成像声纳。seabat8125是第一个宽观 测角、宽带、使用聚焦技术的多波束声纳，它通过友好的图形用户接口来进行操作，最 深可下潜到1500米进行探测工作。它工作在455khz的频率上，具备以下特点：240个 波束；o5。的波束宽度；6厘米的距离分辨率；120。的覆盖角俐。另外，seabat7112是 一种先进的、基于cots的高分辨率对象检测的声纳，适合商业及军事上的应用。商业 用途包括检测与跟踪海洋哺乳类动物：在军事上的应用，包括潜水员和游泳者的检测与 跟踪、监视并提供资产保护p1。它的技术指标有： 表11 seabat7112成像声纳主要技术指标 频率 100khz 波束数 208 发射信号形式 cw 作用距离 500m 覆盖角度 360。 距离分辨率 375cm 虽然成像声纳产品众多，但是由于成像声纳系统本身的高速数据传输与显示的要 求，成像声纳的数据传输方式一般选择ethemet和vdsl两种接口方式，同时在设计成 像声纳显示控制软件时，用户对目标的可见性是重点。例如：基于seaking和seapfince 成像声纳显控软件，可方便的安装在windows操作系统上，如图14所示：左图是软件 的整体显示效果图，图像的显示占了软件几乎全部的界面，主要包括的功能有图像放大 缩小、色棒的设定、增益、扫描范围、刷新率、设置菜单等：右图是设置菜单对话框，包括发射舭收机、接收滤波等工作参数的设置，它被设计成单独的面板以避免占用图 像的界面。 3 哈尔滨jr程人学硕士学位论文 “， ”=。鍪f-：。磊i黧 二二4 二“ 一p - 硼冀x 制， 粉=。雾爹鞫翳紧；妻=罗 图14 dst micron sonar显控界面 13成像声纳系统 成像声纳系统组成框图如图15所示，整个系统由接收分系统(包括接收基阵、接收 数据采集和存储1、信息处理单元、显示控制软件构成。整个系统工作流程是：接收基 阵接收声回波信号，进行采集和存储工作，把模拟信号转化为数字信号送入信号处理单 元，信号处理单元通过声成像算法将回波数据转化为图像数据，然后上传给显示控制软 件，最终显示控制软件以图片的形式将水下信息呈现出来。 图1-5成像声纳系统框图 14论文内容安排 本文的主要工作是在硬件平台上实现成像声纳系统的高速数据传输，同时在软件平 台上设计显示控制软件。硬件平台上的高速数据传输是指信号处理单元上以dsp为核 心器件的数据传输，包括dsp与fpga之间的数据传输和dsp与显示控制软件之间的 数据传输。成像声纳系统显示控制软件运行于控制计算机上，控制和协调整个成像系统 的运行，完成高速数据的保存与显示。论文主要包括以下内容： 一、介绍成像声纳系统的研究背景与意义；简述了成像声纳系统的发展现状，介绍 具有代表性的产品；并具体说明成像声纳系统的总体结构和工作流程。 二、研究数据在数字信号处理机上的高速传输，根据系统要求设计了可靠的传输模 型，满足高分辨系统的数据高速传输要求，使整个成像声纳系统工作在稳定的状态下。 重点研究了基于tms320c6416的tcpip协议的应用以及edma传输方式的实现。 三、在labwindowscvi的开发平台上设计了显示控制软件。本文从显示控制软件 的功能需求出发，详细讲述了软件各个模块的实现，重点讲解了后置成像模块的声成像 4 第1章绪论 算法，高速数据保存和显示模块的实现。研究了多线程技术并且设计了基于windows 编程的高速数据处理模型。 四、通过水池实验，对系统功能和性能进行测试，验证基于硬件的数据传输模型和 基于软件的高速数据处理模型的可行性和稳定性。 5 哈尔滨t程大学硕士学位论文 第2章成像声纳系统高速数据传输 21引言 论文研究的高速数据传输是成像声纳系统信号处理单元中以dsp为核心器件的数 字信号的传输。在信号处理单元中，dsp作为系统的核心数据发送器件，负责将fpga解算出来的图像数据读到dsp内部洲(图21数据通路d，然后再发送到显示控制软 件(数据通路ii)，同时还需要将显示控制软件下发的控制命令发送到fpga(数据通路 iii)。本章研究数据在数字信号处理机上的高速传输，即图21中数据通路i、 和i 接口模块的设计与实现，以及基于dsp的高速数据传输模型。 图21论文研究的数据通路 22系统接口选择 221 dsp与fpga间接口 在本文讨论的成像系统中，对dsp来讲，fpga只是dsp的外部存储器，二者需 要利用外部存储器接口连接。ti公司的c6xdsp系列的外部存储器接口(emifexternal memory interfaces)，具有很强的外设连接能力，支持的器件包括同步突发静态 ram(sbsram)、同步动态ram(sdram)、各种异步设备(sram、rom、fifo)以及 同步fifo。其总线数据宽度根据不同型号的dsp分为16位、32位或者64位，可寻址 空间一般都较大，几乎可以和目前各种类型的存储器无缝连接，数据的吞吐较快n0川。 emif接口所处理的总线请求有四种来源，分别为： 处理cpu程序取指的片内程序存储器控制器 处理cpu数据取指的片内数据存储器控制器 6 第2章成像声呐系统高速数据传输 片内直接存储器存取控制器(dma) 外部共享存储设备的控制器 由图21可知，dsp需要处理三个数据通路的通信，若都采用cpu控制的方式，需 要将cpu时间进行分割，必然影响系统运行速度。如上文所述，emif接口处理总线请 求的第三种来源是基于片内的dma控制，而dma控制器在存储器映射的区域中直接 传输数据时不需要cpu的参与p习，若采用这种方式，数据通路i的传输就不需要cpu 参与，cpu可以有更多的时间分配给其它数据通路，所以dsp与fpga间数据通路l 选择edma传输方式。 另外，数据通路iii功能相对简单，只需要将dsp接收到的显示控制软件下发的命 令发送到fpga，这条通路偶尔使用且每次仅有几百个字节需要传送，这里选择多通道 缓存串行i口(mcbsp)来实现该数据通路。 222 dsp与显示控制软件间接口 由于显示控制软件运行于控制计算机上，所以数据通路h的接口即dsp与控制计 算机间的接口。计算机常见的接口为：普通串行接口、usb接口、pci接口、网络接口。 成像系统传输速率需求和各接口性能及特点决定接口的选择。 2221成像声纳系统需求分析 对于图像显示来说，速率需求的计算方式为是：图像像素大小幸像素深度(字节)车图 像每秒刷新率。本文讨论的成像声纳系统以上各个参数分别为： ， 图像大小为512512像素。 像素深度为8比特。 量程分为25m50m75m100m四个档位，各个档位最高刷新率为28 hz14 hz10 hz肿。 由上述计算方式计算得出的该成像声纳传输速率要求见表21。由表可知在28hz 的刷新率下，dsp与显示控制软件间接口的数据传输速率高达60mbps。 表21传输速率要求分析表 每幅数据量(字节) 传输速率要求(mops) 28hz伪m 14hz50m loh折5m 7hz，loom 512512(长木高) 60 293 208 147 2222常见接口性能比较 (1)普通串行接口：如rs232，成本较低，但其传输速率为几十到100kbs，而系统 哈尔滨t程大学硕士学位论文 所需的数据传输率要求达到60mbs以上，远远不能满足要求。 (2)usb接121：常用的usb20规范，在速度上可以满足系统要求，可以热插拔， 携带方便，良好的抗干扰性、标准统一，但是需要用户自己开发合适的设备驱动 程序。同时usb接口要求单个usb连线的长度不超过5米，最大级联不超过5 级，而本文讨论的成像系统的连线长度超过100米，所以不能使用该接口【埘。 (3)pci接1：3：在速度上可以满足系统要求，总线结构简单、成本低、设计简单， 但是仍然存在很多缺陷：安装麻烦；受计算机插槽数量、地址、中断资源限制，可扩展 性差；在一些电磁干扰性强的测试现场，无法专门对其做电磁屏蔽，导致采集的数据失 真；容易受到机箱内环境的影响：在使用中也会因为其不具备热插拔功能而相对繁琐n叼。 (4)网络接口：通信速度由网卡决定，千兆以太网卡速度一定可以满足系统需求，性 能优良的百兆以太网卡亦可用；用于网络连接的tcp口协议是成熟的、开放的协议标 准，提供面向连接的和可靠性的传输；基于网络通信的套接字编程简单、易于控制旧。 综上所述，本成像系统选择网络接口作为dsp与显示控制计算机间的通信接口， tcpip协议作为通信协议。 23 1ms320c64x的edma控制器 231 edma简介 edma(enhanced direct memory access)是-ims320c621xc671xc“x系列dsp特 有的访问方式，是直接存储器访ih(dma)控制器的扩展，具有dma的所有特性，例如： 独立于cpu访问外部存储器或外设、各通道独立编程控制、高吞吐量、多帧传输。除 此之外，c64x的edma相对于dma，其增强之处包括：64个通道、优先级可编程、 连接数据传输链功能等pq。edma控制器由以下几部分组成： 事件和中断处理寄存器 事件编码器 参数ram(param) 地址产生硬件电路 各部分相互衔接配合完成edma的工作，流程如下：事件寄存器捕获edma事件， 事件是触发edma启动的同步信号。如果有多个事件同时发生，通过事件编码器决定 事件的优先级。此次事件的传输参数存放在edma参数ram中，并且传递给地址发生 器产生读或写需要的硬件单元，从而寻址emif或外设来执行必要的数据操作。 edma定义了表22中的术语，用来诠释edma的传输方式。 表22 edma术语1哪 单元传输 l从源地址传输单个数据单元到目的地址。每个单元可以基于同步事件传输。 8 第2章成像声呐系统高速数据传输 一组单元组成一个帧，一帧中的单元可以是离散的或连续的。一帧既可以同步 帧 传输也可以不同步传输。 阵列 一组连续的单元组成一个阵列，阵列中单元的位置是不可以改变的。 一组阵列或者帧可以组成一个块。对于一维传输，一组帧组成一个块；对二维， 块 一组阵列组成一个块。 一组帧组成一个1d块。每块中帧数取值范围为1-65536。每帧中单元个数取 一维传输(1d) 值范围1-65536。 一组阵列组成2d块。第一维为一个阵列中连续单元的帧数，第二维为阵列的 二维传输(2d) 个数。一块中阵列的取值范围1-65536。 初始化使用edma的数据传输方式有两种，第一种是cpu初始化的edma，第二 种是事件触发的edma。在使用edma时，后一种是更典型的方式，这使得传输请求 是基于系统事件，而不需要cpu的参与。对c64x系列的64个edma通道，每个通 道均与一个特定的同步事件相对应q。当通道接收到它的同步事件，通道只请求一次数 据传输，被传输的数据量由通道的参数设置所决定。 使用edma需要根据具体系统需求选择合适的传输方式，以及同步与否或者同步 事件等。这些都可以通过配置edma控制寄存器来设置，表23中给出了edma事件 的寄存器以及寄存器完成的工作。 表23 edma事件参数 opt：设置通道优先级、传输方式，中断、同步等 src：源地址 frmcnt：阵列胞计数 l elecnt：单元计数 dst：目的地址 frmidx：阵列帧索引 eleidx：单元地址索引 elerld：单元计数重载 unk：链接地址 232接口设计 本成像系统中，数据通路i的功能是完成dsp从fpga读取数据。读取的数据分为 实时传输的图像数据和存储卡存储的原始基元数据两种。需要根据不同数据类型，在 dsp内部分别配置edma控制寄存器，完成接口的设计。主要步骤为： (1)如前所述，选择edma接口是为了数据通路i不占用cpu时间，所以初始化 edma时必定选择事件触发的edma传输。根据中断源选择合适的edma通道号，硬 件系统配置extint4管脚作为edma同步事件，根据edma通道同步事件对应表选 择edma通道四。 9 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 (2)实时图像传输时，由于fpga每准备好一行图像数据即给出中断信号，且准备好 的数据根据乒乓规则放在fpga固定的地址空间，所以启动一次edma传输仅有连续 的一行数据可供传输，同时图像数据为8比特位长度，所以配置选项参数opt为：数 据位为8bit位宽度；一维源；一元目的单元；传输完成中断指示有效；帧同步；源地址 单元递增；链接事件无效。 (3)原始基元数据传输时，除数据宽度为16bit外，其余与实时图像数据传输相同。 (4)每次传输完成后，在传输完成中断子程序里重新配置edma参数，只需要修改 源地址(乒乓)，目的地址(乒乓)即可，直到系统退出，关闭edma。具体流程见图22。 图22 edma接口设计流程 24多通道缓存串行口 多通道缓存串行13(multichannel buffered serial port，mcbsp)是tms320c6000系列 最基本的片内外设之一。主要功能是用于串口通信，一般用于连接串行接口的外设【朔。 mcbsp的基本功能如下： 支持全双工的串行通信，数据传输速率最高为dsp指令周期的一半。 提供独立的帧同步和位同步的时钟，可以设置帧同步和位同步时钟的极性和延 迟时间。 数据传输时钟可以使用外部时钟或者dsp的内部时钟。 10 第2章成像声呐系统高速数据传输 和dsp的dma结合，缓存串口具有自动缓存的功能。 通过设置，可以支持很多串行协议，例如spi设备：t1e1帧协议。 支持硬件的u律和a律的数据压缩和解压。 缓存串口支持各种不同数据宽度的外设，8、12、16、20、24、32位。 mcbsp结构如图23所示，工作方式是：发送数据时，dsp向数据发送寄存-器(dxr) 写入待发送的数据，写入dxr的数据通过发送移位寄存器r(xsr)移位输出到dx引脚， 外设从dx引脚读取数据；读取数据时，dsp从dr引脚读取数据，移位后写入接收移 位寄存器(rsr)，然后将数据写入到数据接收缓存寄存器(rbr)op，rbr再将数据移动 到数据接收寄存器r(drr)中，最后由dsp从drr中读取数据。mcbsp还包括一些控制 引脚，这些引脚提供读写的位同步和帧同步时钟信号以及产生dma控制器需要的同步 事件和中断信号u刨。 图23 mcbsp结构 初始化mcbsp的方法是：根据硬件连接，配置mcbsp相关通道寄存器；设置数据 读写的位同步时钟和帧同步时钟；最后使能串口数据收发位，便可以开始发送和接收数 据。实际工作方式是：dsp接收到显示控制软件的命令后，判断当前命令是否需要通知 fpga，例如更改图像刷新率和发射功率的消息均需要fpga参与才能有效，如果需要 的话，将当前命令打包成32位数据宽度的新数组后，依次写入dxr，发送成功后再通 过网络接口回复显示控制软件命令确认的消息。 11 限畎 鬣量一 c c c 哈尔滨t程大学硕士学位论文 25 tcpip协议 251协议简介 tcpm(transmission control protocolintemet protoc01)，中文译名为传输控制协议 因特网互联协议，这个协议是intemet最基本的协议、intemet国际互联网络的基础。 tcpflp产生于intemet的实践中，是应实际需求产生的，与标准化组织所制定的osi相 比，尽管osi架构完整、功能详尽，但在internet中tcpflp才是实际应用的协议0810tcpip 协议模型分为四层：应用层、传输层、网络层、网络接口层，如图24所示。 应用层 relnet f。ip ht皿 s姗 dns 传输层 tcp udp d 网络层 嫩 rarp ic玉dp ig奎皿 网络接口层 sone：tsdhpdh硬件以太网接口，以太网驱动程序 图24 tcpip协议集族 应用层：应用程序间沟通的层，面向最终的用户，常见的应用有：电子邮件传输 (smtp)、文件传输协议(ftp)、网络远程访问协议(telnet)等。 传输层：在此层中，它提供了节点间的数据传送，应用程序之间的通信服务，主要 功能是数据格式化、数据确认和丢失重传等。如传输控制协议(tcp)、用户数据报协议 codp)等，这一层负责传送数据，并且确定数据已被送达并接收。 网络层：负责提供基本的数据封包传送功能，让每一块数据包都能够到达目的主机 (但不检查是否被正确接收)，如网际协议(ip)、网络控制消息协议(icmp)。 网络接口层：接收口数据包并进行传输，从网络上接收物理帧，抽取口数据报转 交给下一层，对实际的网络媒体的管理，定义如何使用实际网络(如ethemet、serial line 等)来传送数据。 这里简单介绍下，传输层控制协议tcp和用户数据报协议udp，在进行网络接口 设计前必须根据系统需求选择二者之一。 udp：是建立在网际协议之上的，提供非面向连接的数据报传输的传输层协议，使 数据报进行无连接、不可靠的传输。由于是无连接的传输协议，基于udp的应用程序 在高可靠性、低延迟的网络中运行得很好，但是在可靠性相对低的网络上，它可能由于 数据报丢失过于频繁而无法正常运行。虽然udp协议是如此的不可靠，但是由于它传 输数据的高效率，使得它在实际网络中被广泛的应用川。 tcp：因为网络层的网际协议口并不提供排序或通信确认机制，并且是无连接的， 12 第2章成像声呐系统高速数据传输 这样数据传输的可靠性工作就留给了tcp。tcp必须能满足大范围的应用程序的要求， 能调节网际中的动态环境，还必须建立和管理本地通信进程与远地通信进程之间的会 话。tcp能提供可靠的面向连接的传输，但是相比于udp，它花在建立连接和回复上 的时间使其效率更低。为了支持应用程序在网际中的可靠性传输，tcp提供了一系列 的保障机制： 面向连接的数据管理 可靠的数据传输 面向流的数据传送 push功能 重排序 流量控制，滑动窗口 多路复用 全双工传输 优先权和安全性 从容关闭 252网络芯片w5300简介 利用tcpip协议进行网络通信有软件和硬件两种实现方式。软件实现是在开放系 统中嵌入tcpip协议栈，硬件实现是指使用内嵌tcpp协议栈的网络芯片。硬件实现 的优点是软硬件设计简单，不需要自己开发驱动程序。本系统采用硬件实现的方式，选 择wiznet公司的w5300网络芯片。 。 w5300是一款018zmcmos工艺的单芯片器件，内部集成10100m以太网控制器， mac和tcpip协议栈。w5300使用方便、稳定可靠，广泛应用于高性能、低成本的 intemet嵌入式领域，它通过一个集成tcpip协议栈、以太网mac和phy的单芯片可 以非常简单和快捷地实现internet连接。为了实现高性能的数据通信，w5300的通信数 据存储器扩展到128k字节，与主机(mctj)的接121支持16位数据总线。用户可以使用8 个独立的端口进行高速数据通信。p哪 w5300与mcu采用总线接口，通过直接访问方式或间接访问方式，就像访问sram 存储器。w5300的通信数据可以通过每个端口的读写寄存器独立访问刚。 wlznet公司的socketapi是建立在berkeley socketapi的基础之上的，函数 接口、名称也很类似，因此对其的编程方式和socketapi非常相似。 253接口设计 如上所述，选择网络接口作为通信接口，在网络传输层一定要在传输层控制协议 13 哈尔滨t程大学硕十学位论文 tcp和用户数据报协议udp中选择一种。本系统由于实际应用中网络电缆的长度超过 100m，环境较复杂，且传输的是算法解析出来的图像数据和原始基元数据，要求精确的 目标位置显示与解算，同时网络最高速度要求为60mbps。首先从数据的准确度来说， 应该选择tcp，同时作为百兆以太网60mbps的数据率tcp亦能达到的，所以本系统选 择tcp作为网络传输层协议。另外，tcp有两种连接方式：服务器模式和客户端模式， 前者是被动开启，即等待连接请求以建立连接，后者是主动开启，即发送连接请求到服 务器。对于一个网络通信接el来说，二者必须同时存在，也就是数据通路的两端(dsp 和显示控制软件)必须一个选择服务器，一个选择客户端。本系统选择dsp端作为服务 器模式存在，显示控制软件实现客户端模式。 图25 w5300服务器端工作流程 建立tcp服务器端的工作流程是：在mcu内部，首先初始化网络芯片 w5300(w5300不支持硬件复位，但可以软件复位)，包括：设置主机接口(总线宽度、接 口模式)；设置网络信息(mac地址、网关、子网掩码等)；给端口分配内存空间。作为 服务器端，初始化完成后即可以通过已打开的tcp套接口来进行监听，等待客户端的 连接请求，建立连接以后就可以进行数据的发送和接收操作了刚，具体流程见图25。 14 第2章成像声呐系统高速数据传输 26高速数据传输模型 在许多系统中，双缓存技术(乒乓技术)是常见的数据缓存技术。在这里利用常见的 读写过程来解释它的基本工作方式：进程a往缓存区乒里写数据时，进程b读走缓存 区乓里的数据，然后状态切换，进程a往缓存区乓里写数据，进程b读走缓存区乒里 刚才进程a写好的数据。图26描述了乒乓技术，虚线为时刻l的进程状态，实线为时 刻2的进程状态，两个状态是互相切换的，切换条件是：进程a写完，同时进程b读 完。如果进程a写完乒后，进程b未读完乓，此时进程a进入等待状态，直到进程b 读完乓再进行状态的切换。同样的如果进程b读完乓的数据后，进程a未写完乒的数 据，那么进程b进入等待状态，直到进程a写完乒后再切换状态。 图26乒乓技术 乒乓技术在一定程度上改善了两个进程访问同一段缓存的效率，将最开始的进程a 写完进程b再读这个双份的时间，降低到进程a或b中较长的那个时间长度。一般情 况下，系统稳定运行时，某个进程运行所花费的时间是固定的或者说变化很微小，所以 例子中进程a或b中谁花费的时间更长是固定的，那么整个系统运行起来所需要的时间 亦是固定的。如果运行时进程a需要的时间是m，进程b需要的时间是n，假设mn， 那么系统运行100次需要的时间是100宰m。考虑这样一种情况，保证进程a运行时间永 远是m，进程b在某次运行时由于某些干扰或是系统特殊情况花费的时间超过了m，根 据乒乓技术切换条件，整个系统需要的时间将会大于100*m。 如果将乒乓技术用到本系统中，可以认为edma接口为进程a，它从fpga读取 数据然后往dsp缓存里写数据，网络接口为进程b，它从缓存中读走数据。成像系统运 行速度是由刷新率决定的，例如：刷新率为14hz时，每秒需要传输14幅图像数据，每 幅图像512行数据，edma接口每次事件中断读取一行的数据，同时网络接口每次往显 控软件发送一行数据，那么在这个刷新率下每秒edma将会有14512次中断，而且网 络接口一定要在这一秒内将这14512行数据发送到显示控制软件。由此看来，要保证 刷新率，dsp的速度必须由edma接口中断决定，由上文所述，网络接口传输的速度 哈尔滨t程大学硕十学位论文 一定要高于edma接口，否则系统的速度便不是由edma接口速度决定的。这也是选 择网络接口的重要原因，由于系统在最高刷新率28hz下需要的速度为60mbps，网络接 口在百兆以太网下至少可达70mbps。 在这里假设edma接口往缓存写一行数据的时间是m，网络接口从缓存读取一行 的时间是n，那么，在某特定的刷新率下，使用乒乓技术，一旦某次网络接口由于某种 原因读取的速度大于了m，那么传输51214行数据需要的时间将大于1秒，刷新率在 这种情况下便没有被正确的表示。因此需要寻找一种缓存方法使得在这种情况下刷新率 仍能够保证正确。因此，本系统设计了这样一个高速数据传输模型：首先，缓存的空间 不再是乒乓技术中的乒和乓两个，而是n个(n由系统容量和需求决定)；edma接口每 往缓存中写一行数据，可用缓存数量(availablenum)力【l-，同时写索引(writelndex：指示 edma接口往第几个缓存空间里写数据)加一，直到writeindex等于n时再变为1；同 时，网络接口去查询availablenum这个变量的值，一旦不等于o，便根据读索引 (readindex：指示网络接口从第几个缓存中读取数据)读取一行的数据，availablenum减 一，同时readlndex加一，直到readlndex等于n时再变为1。模型工作流程如图27。 操作前 图27高速数据传输模型 在这个模型中，读操作和写操作可以看成是相互独立的，二者仅有可用缓存个数 (availablenum)相联系。总是要求速度较快的那个进程去查询然后进行操作，而速度较慢 的进程不需要查询直接对缓存进行操作。用这个模型分析之前的假设，如果某次网络接 口受到干扰导致操作花费的时间大于m，这个时刻edma接口并不知道，也没有真的 在等待这次传输的完成，它依然按照自己的writeindex往缓存里写数据，而网络接口可 以在下几次读数时将这次多花费的时间补齐，也就是说在这个模型下，只需要网络接口 的平均读数时间小于edma接口的平均写数时间即可以保证刷新率。 所以使用这个模型，可以比乒乓缓存技术更好的达到系统的极限速度。在成像系统 16 第2章成像声呐系统高速数据传输 中，可以更好的表示系统的刷新率。 27软件流程设计 根据系统功能需求，设计工作流程如下(见图28)： 图28软件工作流程 (1)g统初始化。 (2)服务器监听状态，等待连接请求到来。 (3)请求到来，建立连接。 (4)查询网络接v1状态。若客户端请求断开连接返回步骤(2)。若客户端发送数据， 解析数据。若是参数设置命令，进入步骤(5)，若是系统启动命令进入步骤(6)，若是系 统停止命令，进入步骤(7)。 侈)接收到客户端的参数设置命令，判断该参数是否需要发送到fpga，不需要则直 接将命令回复给客户端：需要的话，首先通过mcbsp发送到fpga，然后将命令回复 17 哈尔滨工程大学硕士学位论文 给客户端。最后返回步骤(4)。 (6)接收到系统启动命令，根据命令配置edma，然后启动edma传输，等待中断 到来，然后系统开始按照高速数据传输模型运行。并且在cpu空闲时刻，查询网络接 1：3状态，也就是步骤(4)。 (7)关闭edma，结束运行，返回步骤(4)。 28本章小结 本章研究了数据在数字信号处理机上的高速传输，探索了适合于成像系统需求的接 口。介绍了edma接口、mcbsp接口和网络接口，描述了各接口协议，研究了接口性 能和接口实现方式。在乒乓缓存的基础上，设计了高速数据传输模型，阐述了该模型工 作原理和优势。最后设计了基于dsp的软件工作流程。 18 第3章成像声纳系统显示控制软件 第3章成像声纳系统显示控制软件 31引言 作为成像声纳系统，显示控制软件是必不可少的部分，它控制和协调整个系统的运 行，并最终将水下的世界直观的呈现出来。本系统要求高速数据的传输、保存与显示， 以及复杂的人机交互，对显示控制软件性能有很高的要求，所以选择合适的软件开发平 台是至关重要的。national instrument(美国国家仪器公司)开发的labwindowscvi平台， 是交互式c语言开发平台，它兼有ansi c的耐用性、复用性和特定的工程性能，适用 于仪器控制、数据采集、分析和用户界面开发，它支持windows sdk编程，提供win32 api接口，还支持dll，activcx，net等技术，并能够与microsoft visual c+集成起 来共同进行程序开发p斗倒。该平台利用用户界面接口(um)来实现人机交互界面的设计，可以非常灵活的实现人机交互，所以本系统选择labwindow删作为开发平台。 本章从显示控制软件的功能需求出发，详细讲述了软件各个模块的实现，重点研究 了多线程技术、线程同步技术并且设计了基于windows编程的高速数据处理模型。 32软件功能需求和模块划分 321软件功能需求 成像声纳系统的显示控制软件的核心问题是，如何获得图像数据并快速的在界面上 显示出来。除此之外，在设计软件时要详尽的分析系统需求，因为对于系统来说，为了 适应设备和工作任务的差异，往往需要对系统的硬件和软件进行修改，但修改硬件的成 本高、周期长，因此在不改变或尽可能少的改变系统硬件的情况下，系统的显示控制软 件可以通过不同的数据接口和协议与其他外部设备互联，以满足不同领域的应用，增强 系统的通用性。所以，优质的软件整体流程设计和充分的模块接口预留可以给今后为适 应系统而修改软件带来极大的便利。 成像声纳系统显示控制软件通过网络接口和串口等外部接口与系统各个设备进行 互连，对各个设备的状态进行设置，协调和控制各个设备运行；它也同时获得设备运行 情况，将相关的结果以多种形式实时高效地反馈给用户，并提供友好的、功能多样的人 机界面，方便用户控制系统工作。根据分析，成像声纳系统的显示控制软件需要具有以 下功能： 通过网络接口从dsp读取图像数据和原始基元数据。 通过串口获得时统解码器解析出来的绝对时统时间。 通过位图和伪彩编码的方式将接收到的图像数据以图片的形式呈现出来，并且 将距离剖和方位剖数据用波形显示出来。 19 哈尔滨工程大学硕士学位论文 以一定的格式保存网络接口接收到的数据，并对数据进行回放。包括图像数据 和基元数据两种类型。 对成像系统硬件的发射分系统进行控制，包括：发射脉宽、发射功率和刷新率。 对成像系统接收分系统进行控制，包括：接收增益、归一化档位、触发方式、 量程。 对系统进行声速修正，根据实际温深盐信息，修正当前声速，反映到当前量程 中来。 通过温度传感器，获得系统各接收板的温度，呈现给用户。 软件外观和参数的设置，包括伪彩编码的类别、界面颜色基调和一些需要预设 的参数。 辅助信息的显示，包括当前网络传输速度、信息反馈状态、系统工作时间、硬 盘剩余存储空间、回放的文件大小和指示灯等。 对存储的基元数据，进行成像算法软件仿真，完成系统后置成像功能。 工作日志的记录，记录所有和设备进行交互的事件，以及时间、成功与否，以 表格的形式显示出来，软件退出时以excel的形式对日志进行保存。 ini文件的保存，系统退出时保存当前参数设置状态，下次系统开启前自动加载。 321软件模块划分 软件模块的划分应该根据软件功能需求将相互独立的功能划分为独立的模块来实 现。模块与模块之前的联系应该尽可能的少，公共变量和公共的数据结构都会降低模块 的独立性。一个模块间独立性好的程序，可以限制错误的作用范围，使错误易于排除。 模块化的程序在最初的编写阶段可以进行单个模块的实现和测试，然后再将各模块整 合。模块功能完整和接口清楚明了，也使得日后程序的修改简单化洲。 根据成像声纳系统显示控制软件功能，将其划分为以下模块。 (1)网络接口模块 网络接口模块用于管理程序与网络接口间的数据处理，该模块将协议管理模块下传 的数据包发往到接口设备(网卡)，并负责从网络接口接收数据，并将数据上传给协议管 理模块。 (2)协议管理模块 由于网络接口要处理的数据有多种类型，该模块需要将接收的数据按照既定的通信 协议送到各个模块，同时由于网络传输的实时性可能导致数据包的中断，中断的数据包 也会在这个模块进行重新的拼接或者是抛弃处理。总之，这个模块将完整的数据包送到 相应的上层模块去。另一方面，该模块也将上层模块往下发送的数据进行打包处理送给 网络接口模块。 20 第3章成像声纳系统显示控制软件 (3)串行接口模块和时统信息显示模块 串行接口模块负责从rs232接口读取相应的时统信息，并将时间信息送到时统信息 显示模块呈现给用户。 (4)系统配置模块 系统配置模块负责配置系统的各个组件，满足不同任务的要求。系统配置模块的功 能有： 配置系统显示控制软件的外观和参数 配置成像声纳系统的接收分系统 配置成像声纳的发射分系统 (5)通信控制模块 该模块控制各种命令和数据的发送和确认。发送既是从人机交互界面获得用户输入 信息，并将信息以一定的格式发送到协议管理模块。确认是在命令下发后的一段时间内 等待协议管理模块送出有关命令