（水声工程专业论文）声学释放系统数字平台设计及在同步定位系统中应用.pdf

哈尔滨1 ：科火学硕十学位论文 a bs t r a c t a tp r e s e n t t h em a i nm e a n so ft h em a r i n es c i e n t i f i cr e s e a r c hi sa c o u s t i c t e c h n o l o g y ，a n dw i t ht h ed e v e l o p m e n to fa c o u s t i ct e c h n o l o g y ，v a r i o u st y p e so f a c o u s t i ce q u i p m e n ta r ec o n s t a n t l yu p d a t e d a c o u s t i cr e l e a s et r a n s p o n d e rs y s t e m a se s s e n t i a la c o u s t i ce q u i p m e n ti nt h em a r i n em o n i t o r i n ga n dm a r i n ee n g i n e e r i n g ， f o r e i g nc o m p a n i e sh a v ea l r e a d yh a ds e r i e sp r o d u c t s ，b u td o m e s t i cr e s e a r c hi nt h i s a r e ai sv e r yl i m i t e d i nt h i sc o n t e x t ，t h i sp a p e rp r e s e n t sa na c o u s t i cr e l e a s es y s t e m o ft h ed i g i t a lp l a t f o r md e s i g n sw i t hf u n c t i o n so fr e l e a s i n g ，p o s i t i o n i n g t h i sp a p e rd e s i g n st h ed i g i t a lh a r d w a r ep l a t f o r m so fa c o u s t i cr e l e a s es y s t e m a n dg i v e ss o f t w a r ei m p l e m e n t a t i o np r o g r a m s b a s e do nt h ed s p 6 4 16a n df p g a ， t h ed i g i t a lp l a t f o r mo fd e c ku n i tw i t hr s 2 3 2 ，u s ba n de t h e r n e ti n t e r f a c e s ，h a s s t r o n gr e a l t i m ed i g i t a lp r o c e s s i n gc a p a b i l i t ya n di se a s yt oe x p a n s ef u n c t i o n s b a s e do nt h ed s p 5 5 0 9 ，t h ed i g i t a lp l a t f o r mo fa c o u s t i cr e l e a s et r a n s p o n d e rh a s t h ec h a r a c t e r i s t i co fl o wp o w e rc o n s u m p t i o n t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ei m p o r t a n c e o fs i g n a li n t e g r i t y ；g i v e st h ep c bd e s i g nf l o wb a s e do nt h es i g n a li n t e g r i t y a c c o r d i n gt ot h es y s t e mf u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t s ，t h i sp a p e rg i v e st h es y s t e mt h e s i g n a lw a v e f o r md e s i g na n dd e t e c t i o np r o g r a m b e c a u s eo ft h er e q u i r e m e n to fa s y n c h r o n o u sp o s i t i o n i n gs y s t e m ，t h ed i g i t a l p l a t f o r mi su s e di nt h i ss y s t e m ，p a r to f t h ed e c ku n i tu s e da sad a t ac o l l e c t o ra n d p a r to fa c o u s t i cr e l e a s et r a n s p o n d e ru s e d a sas y n c h r o n i z a t i o nb e a c o n t h i s p a p e rs e l e c t st h es y n c h r o n o u so s c i l l a t o ru s e di nt h es y s t e mt h r o u g he x p e r i m e n t ， d e s i g n st h es y s t e ma p p l i c a t i o ns o f t w a r e ，a n d v a l i d a t e ss y s t e mp e r f o r m a n c e t h r o u g he x p e r i m e n t k e yw o r d s ：r e l e a s et r a n s p o n d e r ；d e c ku n i t ；d s p ；f p g a 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。 。l 作者( 签字) ：王该 一 、日期：少d 1年多月j 1 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( 曰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) ：王谤。导师( 签字) ：扩1 氏 ，i、忱 日期：1 年多月f 1 日 订年3 月c1 日 1 哈尔滨丁程人学硕十学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 随着社会的进步对能源和资源的需求日益迫切，尤其是陆地上大部分人 类目前能够利用的资源已经丌发殆尽，人类的注意力渐渐从陆地转移到海洋。 众所周知，二十一世纪是“海洋世纪”，占地球总面积三分之二的海洋蕴含着 极其丰富的资源，海洋开发关系到国家资源和国家安全，而海洋丌发依赖于 海洋高新技术的水平。如今，世界各国竞相制定海洋科技丌发规划、优先发 展深海高科技，以加快海洋丌发的进程，我国周边海上邻国也不断加强海域 管理和控制。因此，我国急需大力实施大洋开发战略，提升海洋开发技术和 科研水平。 声波作为目前已知的唯一能在水中远距离传播的能量形式，其在水中的 传播损失远小于电磁波。尽管海洋环境复杂多变，但经过多年的研究，现在 已经对声波在水中的传播规律、声辐射、反射、目标特性、水下噪声以及水 声信号处理等形成了较为成熟的理论，因此水声技术是当前海洋科学研究的 主要手段。为了提高深海的探测能力和更好的进行水下通信，水声学的研究 重点日益倾向于低频、大功率、深海和信号处理等方面。 水声技术随着海洋开发得到广泛应用，各类水声设备也不断推陈出新， 如水声双频测深仪、水声多普勒计程仪、水声定位系统、水声成像系统、水 声导航系统等。声学释放系统是综合了水声遥控技术和水声定位技术的一种 水声设备，大量应用于海洋监测和海洋工程中。水声遥控技术是水声通信技 术的一种简单应用，通过水声信道传递控制指令，需要对指令进行简单的编 解码。水声定位技术是通过对目标回波信号到基阵的各个基元的时间差或相 位差，确定目标相对基阵位置的技术。 声学释放系统一般由e p 板单元、舰载收发换能器、声学释放器、浮球和 待释放的重物等组成，其核心部分是甲板单元和声学释放器。甲板单元在舰 船上用于控制舰载收发换能器发射释放命令，显示声学释放器的状态信息和 位置信息。声学释放器在水下用于接收释放命令，执行释放操作，释放操作 哈尔滨。1 ：稃人学硕十学何论文 完成后，向甲板单元发射确认释放信号。图1 1 为声学释放系统工作的示意 图，该图中：1 为甲板单元，2 为舰载收发换能器，3 为浮球，4 为声学释放 器，5 为带释放的重物。 图1 1 声学释放系统工作示意图 1 2 国内外发展现状 国外多家水声设备公司都有系列的甲板单元产品和声学释放器产品，例 如o c e a n o 公司、o r eo f f s h o r e 公司、t e l e d y n eb e n t h o s 公司、s o n a r d y n e 公司、 i n t e r o c e a ns y s t e m s 公司等。 o c e a n o 公司的甲板单元t t 7 0 l 工作频率8 1 6 k h z ，声源级1 9 0 d b ，采 用2 f s k ，8 b i t 字长编码，外部供电1 1 0 v 或2 3 0 v a c ，内置充电电池和充电 器，采用防溅塑料机箱，体积3 5 6 c mx2 6 9 c mx1 5 7 c m ，重量6 k g 。 o r eo f f s h o r e 公司的甲板单元8 0 1 1 m 具有简洁的操作界面、支持o r e o f f s h o r e 、e d g e t e c h 、e g & g 、b e n t h o s 、o c e a n o 、m o r s 等公司的指令编码 系统，提供全部控制指令服务，外部供电范围1 1 5 - 2 3 0 v a c ，并具有内部电 池，可以自动切换供电方式，接收到目标确认信号后，自动发声提示用户。 该甲板单元具有基于d s p 的多通道接收处理能力。该公司的另一型号的甲板 单元a m d 2 0 2 r ，操作简单，使用标准碱性电池供电，支持o f f s h o r e 、e d g e t e c h 、 e g & g 公司的b a c s 指令系统。表1 1 列出了这两种甲板单元的性能指标， 从该表中可以看出，该公司的声学释放系统的主要工作频率范围是7 1 5 k 舷。 2 哈尔滨l 样人学硕士学位论文 8 0 1 1 m 型的发射声源级更高，作用距离更远，发射脉宽可调节，计时测距精 度更高。相比之下a m d 2 0 2 r 则体积小，质量轻，使用携带更加方便。 表1io r e 公司甲板单元性能对比”心 型号 8 叭l ma m d 2 0 2 r 应苍频率 75 15 k h z 发射卢源纽 1 9 2 d b18 5 d b 接收灵敏度 8 0 d b8 0 d b 发射脉宽5 - 3 0 m s1 0 m s 计时精度 0 l m s】m s 体积 4 06 c mx3 3 c m 】73 c m2 7 c mx2 5 e mx1 9 c m 重量 7 3 蝇 3 2 k t e l e d y n e b e n t h o s 公司的甲板单元u d b 9 0 0 0 将该公司过去型号的甲板单 元的功能集成到一起。提供2 个r s 2 3 2 接口，用于数据和指令传输，提供大 灰度范围的触摸屏，增强了强烈光照下的可读性，方便用户进行简单的图形 界面控制。该甲板单元工作频率7 1 5 k h z ，多目标接收，每个目标的频率间 隔2 5 0 h z 。两种通信方式：p s k 的波特率2 5 6 0 1 5 3 6 0 b i t s s ，m f s k 的波特率 1 4 0 2 4 0 0 b i t s s 。内部提供2 4 v 的酸性电池，外部可用8 5 2 6 5 v a c 或 1 0 3 0 v d c 。图1 2 为u d b 9 0 0 0 支持多种释放器类型的示意图。 图1 2u d b 一9 0 0 0 支持的释放器类型 o c e a n o 公司的声学释放器o c e a n 0 5 0 0 释放负载2 0 0 k g ，工作频率范围 恩 囵 哈尔滨下程人学硕+ 学位论文 8 1 6 k h z ，指令编码方式f s k 单向通讯，电池供电，使用寿命1 年。 o r eo f f s h o r e 公司的声学释放器一般都有可通信用的i o ，外置丌关和 可充电电池，部分深水型的释放器还有压力传感器用于压力激活释放功能。 表1 2 列出了该公司的部分声学释放器产品。 表1 2o r eo f f s h o r e 公司声学释放器对比”1 型号s w r p o f 汀h l r8 2 4 2 x s 释放负载 4 5 k g2 5 0 k g4 8 0 0 0 k g5 5 0 0 k g 释放深度 2 0 0 m2 5 k m6 k m6 k m k 度 4 5 2 c m6 8 6 c m1 0 8 7 c m9 4 6 c m 直径8 9 c m8 9 c m 重量 2 3 5 k g9 i k g9 1 k g 3 6 k g ：作频率 9 3 l0 7 k h z17 轧19 7 k h z9 3 10 7 k h z 指令编码b a c s 编码b a c s 编码b a c s 编码b a c s 编码 接收灵敏度 1 0 0 d b7 8 d b1 0 0 d b1 0 0 d b 发射声渊级1 9 8 d b1 9 2 d b 电池寿命 1 年4 0 次释放1 5 年门0 0 0 0 次释放2 年2 年1 0 0 0 0 0 次释放 释放机构旋转式释放推离式释放旋转脱钩式释放弹簧旋转脱钩式释放 从表1 2 可以看出，o r eo f f s h o r e 公司的声学释放器的类型很丰富，从 释放负载、释放深度、释放机构上看都有各自的特点。s w r 适用于浅水环境， 轻负载的释放任务，p o r t 适用于一般的海洋环境下的释放任务。h l r 型深 水超重负载型释放器是释放负载最大的释放器，但该释放器不仅能独立进行 释放确认，还可以通过8 2 4 2 x s 型释放器进行声指令激励。8 2 4 2 x s 是目前业 界使用时间最长，可靠性最好的释放器。目前已经有使用了1 5 年以上的该型 号产品仍然在海洋工程中使用着。 s o n a r d y n e 公司的声学释放器系列产品分为轻负载浅水型l r t ，深水型 的o r t 、d o r t 和p d o r t ，以及重负载型的c o m p a t t5 。其中l r t 是低成 本多功能型释放器，能通过g p s 对4 个l r t 组成的网络校准，实现外场精 确定位。p d o r t 可以预设释放深度，或在特定的时间执行释放，该功能需 要p c 机通过接口盒控制p d o r t 完成。c o m p a t t5 不仅支持重负载释放功能， 还可以用于水下定位导航。该释放器能够通过l b l 和u s b l 进行轨迹跟踪， 能通过舰船或潜器的控制执行释放操作。在图1 3 中，从左到右分别是l r t 、 4 哈尔滨【= 样人学硕十学位论文 o p t 、d o r t 、p - d o r t 和c o m p a l t5 。从酸图中可以看出对于不同释放负载、 释放深度的释放任务，释放器外箱的材质和释放机构都不同。 嚷 懒f l “一f 蕊碱i l = + 1 乒 i 图13s o n a r d y n e 公司释放器系列产品” 相对而吉，国内仅有少数单位在进行声学释放系统研制工作，并且研制 的释放器系统仅供本单位实验使用。杭州瑞声海洋仪器有限公司的s f q l 型 声学释放器是国内少数的商用声学释放系统之一。 s f q 一1 型声学释放器采用微控制器，控制释放机构执行脱钩动作，释放 锚定沉块，实现浮体带着仪器上浮。其主要特点：配有外置式电源丌关和测 试丌关，不用拆装可以丌关电源和控制电机正反转。以便快速复位和投放： 可配置切缆器，甲板单元发出特定的编码控制切缆器动作，同时切缆器又受 预置的定时器控制：整体脱钩上浮方式。其主要技术参数：释放深度为1 0 1 0 0 0 m ；水下连续工作时间为9 0 天；释放作用距离为3 0 0 0 m ：犀大释放负载 ，i _ - 哈尔滨i j 稃人学硕+ 学位论文 为1 5 0 0 k g ；甲板单元体积为2 1 2 c m 2 3 2 c m 2 2 4 c m ；重量为8 k g ；甲板单 元电源为a c 2 2 0 v 1 0 ；或d c 2 4 v 1 5 ；发射机和释放机构为1 2 v 。 目日仃，我国海洋研究和海洋丌发所使用的大多数声学释放系统都是从国 外引进，而引进一套完整的声学释放系统，价格大约几万美金。随着我国海 洋研究和海洋丌发的不断发展，声学释放系统的需求量将越来越大，研制具 有高性能的声学释放系统将改变该类设备依靠从国外引进的情况，具有良好 的社会效益和经济效益1 9 1 。 综合以上国内外发展现状，可以得出以下结论：声学释放系统的功能已 经不仅仅限于释放功能，具有定位功能的声学释放系统是声学释放系统的发 展方向之一。国外的部分声学释放系统已经具备了定位功能和轨迹跟踪功能， 而在国内只有少数声学释放系统的产品，这些产品的功能也很有限，一般只 能完成身份识别和释放功能，不具备定位功能。 1 3 声学释放系统总体方案 本论文中声学释放系统的预期目标是实现释放功能和应答定位功能。 释放功能工作原理：声学释放器布放完成后，通过水声遥控技术，甲板 单元发射释放指令。声学释放器识别出释放指令后，控制释放机构执行释放 操作，声学释放器与重物分离。释放操作完成后，声学释放器发射释放完成 的确认信号。 应答定位功能工作原理：通过g p s 定位，确定接收基阵在大地坐标系下 的位置。声学释放器布放过程中，通过应答定位，根据姿态信息的修正，确 定声学释放器在接收基阵坐标系下的位置，最后通过坐标变换得到声学释放 器在大地坐标系下的位置。 整个声学释放系统包括甲板单元、声学释放器、接收基阵、发射换能器、 g p s 、姿态仪、主机、浮球和待释放重物。甲板单元、接收基阵、发射换能 器、g p s 、姿态仪和主机为舰载部分；声学释放器、浮球、重物为水下部分。 图1 3 和图1 4 分别给出了舰载部分和水下部分的结构图，其中声学释放器又 由收发换能器、声学释放器的电子舱和释放机构组成。 6 哈尔滨l ：稃人学硕十学位论文 图1 3 水声释放系统舰载部分结构 收发换能器 l 释放应答器电子舱 释放机构 图1 4 水声释放系统水下部分结构 1 4 论文主要工作 本论文主要工作是设计声学释放系统的数字处理平台，包括设计甲板单 元的数字处理板，声学释放器的数字处理板，提出释放功能、应答定位功能 软件设计方案。 7 哈尔滨i ：稃人学硕十学位论文 本论文的主要内容安排如下： 绪论：简单说明了研制具有定位功能的声学释放系统的意义，在参考大 量国内外声学释放器和甲板单元的基础上，提出了声学释放系统的总体设计 方案。 基本原理：声学释放系统数字平台的设计基于超短基线定位原理和水声 遥控原理。第二章详细论述了超短基线定位基本原理，简要介绍了水声遥控 的基本原理。 硬件设计：第三章详细描述了甲板单元和声学释放器的数字处理板的设 计思路，在硬件调试中遇到的问题和解决方法。通过硬件仿真与实际结果的 对比，分析了信号完整性在硬件设计中的重要性。 软件设计：第四章给出了基于硬件的系统波形设计及其检测方案，并给 出了释放功能和应答定位功能软件设计方案。 本论文设计的数字平台要应用于同步定位系统，因此，通过实验选取高 精度的系统同步晶振。论文重点分析了同步定位系统中f p g a 和d s p 的软件 设计和调试，在水池实验中验证了数字平台同步定位系统中的可靠性。 8 哈尔滨i ：样人学硕+ 学 _ 7 ：论文 第2 章基本原理 2 1 超短基线定位基本原理”川”u 水声定位技术按照接收基阵的基线长度分为长基线、短基线和超短基线。 长基线的基线长度在几公里到几十公里，利用目标声源到各基元的距离确定 目标位置。短基线的基线长度在几米到几十米，而超短基线的基线长度在几 厘米到几十厘米。短基线和超短基线都是利用目标发出的信号到达各基元的 相位差或时间差，解算目标方位和距离。这三种定位技术都有两种工作方式： 同步工作方式和应答工作方式。同步工作方式要求在待测目标和本舰都安装 同步高精度时钟，待测目标按约定时间间隔定时发射信号，以此确定目标位 置。应答方式要求应答器，待测目标和本舰都安装收发换能器，通过本舰询 问，应答器应答来确定目标位置。 在超短基线定位技术中，使用单频脉冲信号进行定位，常用的方法是根 据接收基阵的不同基元接收到信号的相位差进行定位解算；使用宽带信号进 行定位，主要是根据接收基阵的不同基元接收到信号的时间差进行定位解算。 两种定位解算方式都需要通过测算待测目标到接收基阵中心的斜距实现定位 的，其原理如图2 1 所示。 气 ， ， y 3 么j 一旦 2 ：百7一l j 气盂、， 、r 、 二一二一一一一二、s z 图2 1 超短基线定位原理示意图 9 s ，、 、 ， 、 r 、r 、 哈尔滨i ：群人学硕+ 学位论文 图2 1 中，取“北东地”直角坐标系，数字1 、2 、3 、4 表示超短基线基阵的 4 个基元，坐标原点为接收基阵的中心，待测目标位于s 处，其坐标为 x ，y ， z 】。a 为待测目标向量o s 与x 轴央角，p 为待测目标向量o s 与y 轴夹角，r 为 待测目标s n 原点o 的斜距。s 为s 在平面x o y 上的投影，其与x 轴央角丫，s 到 原点o 的距离r 为待测目标水平斜距，z 为待测目标深度，则有以下关系式成立： c o s 口：三( 2 1 ) r c o s 口：y( 2 2 ) 月 。 尺= x 2 + y 2 + z 2 ( 2 - 3 ) y ：缈c 培上：口，c 留业 ( 2 4 ) 石c o s 口 ，= 如2 + y 2 ( 2 - 5 z ：柝e 7( 2 6 ) 对于超短基线，接收基阵的基元间距很小，远小于待测目标到接收基阵 中心的斜距，待测目标发射声波可视为平面波，如图2 2 所示。 二i j ： 图2 2 远场声源近似平面波示意图 对于单频脉冲信号，设频率为f ，波长为九，水中声速为c ，根据波动理论： c = 五 ( 2 - 7 ) 图2 2 中，d 为接收基阵的基元l n j g g ，应满足d d a t a l 5l od a t a 0 c p u r e a ds t r o b e ( r w ) r d , - , q i l es t r o b e d s ，w r c h i ps e l e c t c s 图3 4i s p l 5 8 1 通用处理器方式连接图1 1 7 1 3 2 3 数模转换模块设计 设计数模转换模块是考虑到声学释放系统需要发射宽带信号。 数模转换模块选取d a 7 8 2 1 ，该芯片是1 2 位的电流输出型d a ，其最大 数据转换率2 0 4 m s p s ，带宽1 0 m h z ，写周期1 7 n s ，具有读反馈功能。d a 7 8 2 1 输出电压可以单极性输出，也可以是双极性输出，图3 5 给出书出这两种电 压的电路设计。 v v q 量。 a 图单极性输出电路 2 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 t 瓮s v 卜1 0 协 戆31 0 程2 b 图双极性输出电路 图3 5d a c 7 8 2 1 的两种电路设计涨 要使d a 7 8 2 1 输出稳定的电压，必须注意的是在硒引脚和i o t r r l 引脚必 须加补偿电容，帮圈a 中的e l 和图b 中的c l 、锡，使d a 正常工作豹有效的 取值范围是l p 到2 0 p 。补偿电容的目的是弥补运放带宽受限和翻转点过大的 寄生电容，傻输出可以达到蜂管避。本设计孛采用双极性电路，参考毫莲菇 5 v ，以达到和发射板的匹配的目的。 3 2 4u a r t 接口模块设计 u a r t 接口模块选用芯片n ，1 6 c 7 5 4 ，该芯片具有4 个通道，可分别进行 硬件流控铡或软件流控制，内部含有6 4 b y t e 的接收f i f o 和6 4 b y t e 的发送 i = i i f o 明。 本设计中采悉辨接1 m 3 2 斓电晶振，以确保在9 6 0 0 波特率节没有晶掇 带来的误差。采用4 通道的a d m 2 0 8 和t l l 6 c 7 5 4 匹配完成们m 与r s 2 3 2 阙盼电平转换。 3 2 。5 数据处理模块设计 数据处理模块罴甲板单元数字处理平台的核心，由a l t e r a 公司的f p g a ； e p 2 c 8 和h 公司的d s p ：n 疽s 3 2 0 c 斛1 6 组成。 e p 2 c 8 是a l t e r a 公司c y c l o n ei i 系到低畿零f p g a ，其资漂如下：1 3 寒 个l l o 引脚，8 2 5 6 个逻辑单元，1 8 个乘法器，1 0 k w o r d 内存，2 个锁相环删。 2 l 哈尔滨1 ：稃人学硕十学位论文 该f p g a 可以实现外部时钟的锁相环倍频，使其工作于1 0 0 m h z 的频率下， 这一频率足以满足a d 采样率为5 0 0 k w o r d s 的数掘采集，也能满足与d s p 进行2 m w o r d s 的数据传输；其1 0 k w o r d 内存可以用来完成a d 采集数据的 缓存工作；其丰富的i o 引脚不仅满足系统设计，还能利用冗余的引脚资源 将内部信号引出用于软硬件调试。 配置e p 2 c 8 有三种方式：p s 、a s 、j t a g 。f p g a 必须经过配置、对寄 存器和i o 初始化后才进入用户模式”州。p s 方式：数据要先下载到存储器中， 再由a l t e r a 配置器件或者主机控制配置过程，该方式下，系统运行时可重新 配置f p g a 。a s 方式：要先用j t a g 接口对串口配置器在系统编程后者直接 使用下载电缆对串行配置器件进行编程，然后上电时f p g a 控制配置过程。 j t a g 方式一般用于在线调试，由主机通过下载线直接将程序加载到f p g a 。 本设计中采用a s 和j t a g 两种配置方式，如图3 6 所示，使用配置器件 e p c s 4 ，其容量4 m b i t 。 图3 6e p 2 c 8 的a s 配置方式和j t a g 配鼍方式1 哈尔滨厂祥人学硕十学忙论文 c y c l o n e 系列支持用j t a g 方式通过f p g a 下载* j i c 文件下到e p c s 芯片 中，具体方法如下：将需要下载的工程文件编译生成乖s o f 文件，然后将该文 件转换成* j i c 文件，这罩需要选择f p g a 器件和相应的配置器件，最后将生 成的* j i c 文件通过j t a g 方式下载到e p c s 芯片中。 t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 是t i 公司的定点型d s p ，其主频6 0 0 m h z ，内核具有6 4 个通用寄存器，6 个算术逻辑单元，2 个乘法器，两级缓存，v c p 和t c p 编 解码器；外设含有中断共4 个，多通道e d m a 控制器，2 组高性能e m i f ，3 个定时器以及g p i o 引脚1 1 2 1 。该芯片的高速数字信号处理性能足以满足声学 释放系统应答定位算法的实时解算，高性能的e m i f 接口足以满足8 个不同 的并行总线的外设灵活的数据传输。 d s p 6 4 1 6 的外部硬件配置主要有以下几个方面：锁相环模式选择，e m i f 接口时钟选择，e n d i a n 模式选择，引导模式选择，h p i 位宽选择以及p c i 、 m c b s p 2 、u t o p i a 使能选择b 引。锁相环模式若选择l 模式，p l l 无需外接 辅助电路；若选择其他模式，p l l 要外接辅助电路，如图3 7 所示。 33v 图3 7p l l 外接辅助电路 本设计中锁相环模式为x 1 2 模式，e n d i a n 模式为l i a l ee n d i a n 模式， 引导模式为8 位r o m 引导模式，e m i f 接口时钟选择c p u 4 模式，p c i 、 m c b s p 2 、u t o p i a 均不使能。 本设计中f p g a 产生同步信号的引脚以及d s p 控制发射机的g p i o 引脚 都需要和模拟端互连，必须对其进行保护。其首要主要目的是对数字端实施 过流保护，此外还可以避免模拟端产生在未知的情况下产生反射的信号对数 字端产生干扰。对与模拟端互联的数字信号实施保护的主要手段是将数字端 输出信号引入非门，将t e f - 的输出接入模拟端。在这种设计中，为了非门输 哈尔滨一1 j 稃人学硕+ 学付论文 出的稳定性，需要通过电阻将非门输入端的置高，这样在数字端没有信号输 出时，非门输出端保持低电平，避免上电时非门输出端的状态不定现象。 3 2 6 电源管理模块设计 表3 2 数字板主要资源和功耗 供电电n ( v ) 53 31 41 25最人功耗( m w ) a d 7 6 5 5、，、，1 2 0 d a 7 8 2 1 、， 约2 5 a d 8 0 6 5 、，3 0 a d m 2 0 8、，1 5 e p 2 c 8、， 、， 约5 0 0 t m $ 3 2 0 c 6 4 l6、，、，1 4 6 2 5 s s t 3 9 l f 0 4 0 、，3 3 t l l6 c 7 5 4 8 2 5 l s p l 5 8 1 约1 0 0 0 w 5 3 0 0一8 2 5 表3 2 列出了数字板主要芯片的电压需求和功耗情况。根据该表和甲板 单元数字平台设计对各芯片需求的数量，估计甲板单元数字处理板的总功耗 最大约4 5 w 。甲板单元中充电电池提供2 4 v d c 电压，需要选取2 4 v 转+ 5 v 的 d c d c ，充分考虑余量设计，选取电压转换模块v r bl d 1 5 w ，其提供电流 3 a ，转换效率8 3 。选取t p s 7 5 5 3 3 用于+ 5 v 转+ 3 3 v ，可输出电流5 a ，提 供足够的电流驱动能力。t p s 7 4 9 0 1 用于+ 3 3 v 转+ 1 4 v 和+ 3 3 v 转+ 1 2 v ，可 输出电流3 a ，以确保d s p 和f p g a 的内核有足够的电流驱动，保证d s p 和 f p g a 正常工作。选取m a x 7 6 4 用于5 v 供电，可提供电流2 5 0 m a ，足以满 足d a 输出端2 个a d 8 0 6 5 的驱动要求。 m a x 7 6 4 选用可配置电压输出，通过电阻匹配实现，其电路连接如图3 8 所示，通过调整该图中的r 1 和r 2 的值来调节输出电压。经过测试，该图中 的电感l 1 ，不能选择贴片式电感，只能选择直插式电感，否则电压输出不稳 定，贴片式电感不能提供足够的电流。 哈尔滨1 ：程人学硕十学位论文 图3 8m a x 7 6 4 可配置电压电路图例 3 3 声学释放器数字平台硬件设计 声学释放器作为声学释放系统的水下部分之一，其数字平台的硬件设计 必须考虑低功耗的要求，同时为了使声学释放系统实现释放功能、应答定位 功能和轨迹测绘功能，其声学释放器的数字平台应选取一片具有相应数字处 理性能的芯片。声学释放器的数字处理板一般处于休眠状态，只有被激活才 处于工作状念。 在执行释放功能时，声学释放器的数字平台需要识别释放指令信号，通 知值班电路板执行释放操作，值班电路板释放完成反馈信息后，向本舰发射 释放确认信号。 在执行应答定位功能时，声学释放器的数字平台需要识别询问信号，产 生应答信号。 综合考虑声学释放器的工作环境和系统要实现的各个功能，选取t i 公司 的d s p ：t m s 3 2 0 c 5 5 0 9 a 作为声学释放器的数字平台的数字处理芯片；受声 学释放器的结构限制，其数字处理板面积比较小，因此选取了封装较小的功 耗低的a d ：a d 8 3 2 0 和d a ：t l v 5 6 3 6 ；d s p 的b o o t l o a d e r 选用e e p r o m ： m 9 5 5 1 2 以s p i 方式引导；考虑到d s p 数据存储的扩展，选取了低功耗的 s 洲：g d 6 2 h 1 0 0 8 。声学释放器的数字平台硬件结构如图3 9 所示。 哈尔滨1 j 程人学硕十学何论文 ：一一茸闺 值 班 国 一 电 l 控制l ： 路 板 图3 9 声学释放器数字平台硬件结构图 3 3 1a d 模块设计 b b 公司1 6 位的a d 8 3 2 0 处于采样率1 0 0 k w o r d s 的工作状态时，其功耗 为1 8 m w ，满足功耗的要求。在a d 8 3 2 0 的输入端需要射随驱动电路和电平 抬升电路，使a d 输入端信号范围在0 v + 3 3 v 。图3 1 0 给出了a d 8 3 2 0 与 d s p 的硬件连接设计。 + 27 v ? ，+ 52 5 v “i j 上i fi o ：二1 0 , i f a d s 8 3 2 0 一 v 冀e 。r ：c 1 l i ft o ：ii i f 二- - - - 一1 0 l t f 一l nc s f j l c r o c or l ! r 0 e r - i r l 0 0 。： g n 0d o l o c k 图3 1 0 a d 模块设训2 5 1 2 6 哈尔滨r 稃火学硕十学何论文 3 3 2d a 模块设计 t i 公司1 2 位的t l v 5 6 3 6 最大数据转换率为1 2 5 m h z ，这罩设计该d a 模块考虑到声学释放器需要发射宽带信号，其在输出端设计了射随驱动电路， 匹配发射机。图3 1 1 给出了t l v 5 6 3 6 与d s p 的硬件连接设计。 t m $ 3 2 0 d s pf s x d x c l k x t l v 5 6 3 6 f s d l n s c l k c s 图3 1 1d a 模块设计 3 3 3d s p 模块设计 t i 公司的d s p 5 5 0 9 是声学释放器的数字处理板的核心，本设计中，主要 使用该芯片的外设m c b s p 和g p i o 。 执行释放功能时，d s p 5 5 0 9 需要与值班电路进行指令传输，采用s p i 方 式实现。d s p 5 5 0 9 共有3 个可以配置为s p i 模式的m c b s p ，而a d 、d a 、 e e p r o m 各占用一个。考虑到只有在b o o t l o a d e r 中才使用e e p r o m ，而d a 不会影响b o o t l o a d e r 过程，因此采用e e p r o m 和d a 复用一个m c b s p 。 g p l 0 6 、g p l 0 7 用于产生差分信号控制d 类发射机发射释放确认信号、 应答信号。 3 3 4 电源模块设计 声学释放器采用电池组为数字处理板的供电，供电电压为+ 7 2 v 。数字处 理板的器件只需要+ 3 3 v 和+ 1 6 v 供电，因此选用t i 公司的电源管理芯片： t p s 7 3 h d 3 0 1 。 值班电路板控制数字处理板供电的电路如图3 1 2 所示，由电阻和2 个 c m o s 场效应管组成。图3 1 4 中，p 5 5 0 9c 为是数字电路板的供电控制信号， 当其为高电平时，q 1 导通，数字处理板处于工作状态，否则数字处理板处于 2 7 哈尔滨一1 1 陧人学硕十学位论文 休眠状念。 g n d 图3 1 2 数字处理板供电控制电路 3 4 硬件设计中信号完整性问题 3 4 1 信号完整性原理 对于声学释放系统的数字平台的硬件设计，由于选择了工作频率较高的 d s p 和f p g a ，并且有大量数据总线和敏感信号线，因此在电路设计过程中 需要注意信号的完整性问题，来保证系统工作的稳定性和可靠性。 信号完整性指信号在电路中传输的质量，从表象上看是信号在电路中以 j 下确的时序和电压做出响应的能力，从本质上看是电流在电路中按照规定的 理想闭合回路流动b 丌。 信号完整性问题具体表现为延迟、反射、串扰和“开关”噪声。延迟指信 号延传输线从发送端到接收端的传输延迟，主要影响系统时序：反射指信号 到接收端后，其部分能量延传输线反射回发射端，引起信号畸变；串扰指导 线或器件之间互感和互容，导致信号变化；“开关”噪声指电路中电压或电流 急剧变化时，由于电源和参考地之间的阻抗引起信号起伏m 1 。 减少信号延迟的影响，并不是简单的缩短传输线长度，而是通过良好的 哈尔滨。1 ：稃人学硕十学位论文 系统设计，使延迟对系统时序影响降到最低，例如总线长度尽量保持一致。 减少信号反射，通过控制走线的阻抗和终端匹配技术实现，理想状况下是通 过匹配使反射不存在。串扰的强度取决于器件和导线的几何尺寸和相互距离， 一般通过使走线接近参考地和使敏感信号远离干扰源来减小串扰。对于“开 关”噪声一般利用不同值的电容，通过存储电荷的方式解决。 基于信号完整性分析的p c b 设计方法可以极大地提高系统设计和硬件 设计的效率和可靠性。其基本步骤如下：1 、建立关键信号的模型。2 、进行 设计前信号完整性仿真并确定设计方案。3 、将方案对各信号的要求作为约束 条件设计p c b 。4 、通过设计后信号完整性分析修正p c b 设计中的问题。5 、 p c b 板调试，验证信号完整性模型并修正模型。6 、最终确定正确的信号完 整性模型和p c b 设计。 3 4 2 晶振输出分压电路仿真 对于信号完整性的分析可以有效地指导系统设计和硬件设计，减少设计 中的缺陷，提高设计效率田1 。对具体的电路进行信号完整性分析一般通过硬 件仿真来实现。目前常用的硬件仿真模型有2 种：s p i c e 模型和i b i s 模型。 s p i c e 模型由模型方程式和模型参数组成。采用s p i c e 模型进行硬件仿真， 需要详细的集成电路i o 单元字电路的s p i c e 模型和半导体特性参数，其计 算量较大。i b i s 模型采用w 和v 厂r 表形式描述集成电路i o 单元和引脚特 性。采用i b i s 模型不需要i o 单元的内部设计和半导体特性参数，其计算量 较小f 2 9 l o 硬件仿真一般分为传输线级仿真和p c b 板级仿真，传输线级仿真主要是 对原理图进行仿真，p c b 板级仿真则主要对p c b 板图进行仿真口州。 本设计考虑到系统同步晶振输出信号的信号完整性问题，对其建立了 i b i s 模型，并进行了传输线级仿真。该晶振的输出电压为5 v ，实际需要3 3 v ， 本设计中拟采用电阻分压的方式实现。图3 1 3 给出了品振输出端分压的电路 图、仿真电路图和不同种匹配方法的仿真波形，使用的硬件仿真工具是 h y p e r l y n x 7 5 。c 图和d 图的横坐标为仿真时间，纵坐标为电压幅值。 2 9 哈尔滨t 程火学硕十学位论文 、c l k 挑a ( 。坐1 3 f o u tg n d 1 i s o i 【】r 1 2 l ( ( - l2 i n c + 孔 i 7 o o 6 o o 5 0 0 v 4 0 0 7 3 0 0 t 2 0 0 e 1 o o 0 0 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 a 图同步晶振输出端分压电路 b 图仿真电路 o s ci l l o s c o p e d e s i g nf i l e ：5 m h z - s i m l f f sd e s i g n e r u s e r h y p e r l y n xv 7 5 i o 0 0 0 + 5 v xp r o b e1 ：u 1 1 ( a tp i n ) p r o b e5 ：u 2 1 a tp i n ) 2 0 0 04 0 0 06 0 0 08 0 0 01 0 0 0 0 t i m ei n s ) c 图匹配电阻r 1 1 = 5 k q