（水声工程专业论文）模拟成像声纳的数字化技术研究.pdf

哈尔滨1 科人学硕+ 学位论文 a b s t r a c t t h ed i g i t i z a t i o no fa n a l o gs o l l a rc a nn o tb er e a l i z e dw i t h o u td a t ac o l l e c t i n g s y s t e m i nt h i st h e s i s ，a n a l o gi m a g i n gs o n a rh a sb e e ns t u d i e db a s e do na n a l y s e so f t h es e a b a t 6 0 1 2s o n a r , w ed e v e l o pas e to fd a t ac o l l e c t i n gs y s t e mw h i c hc a n r e a l - t i m ec o l l e c tt h ea n a l o go n s i g n a l t h i st h e s i si n t r o d u c e st h et h e o r ya n dd e v e l o p m e n to fd a t ac o l l e c t i n gs y s t e m a l s oi n c l u d i n gt h es e a b a t 6 0 12s o n a r , a n dt h e n ，p r e s e n t i n gr e a l i z i n gp l a na n d c o u r s ed e s i g n e da n dd e b u g g i n go ft h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mf o rt h ea n a l o g s o n a r ss i g n a l t h es y s t e mh a r d w a r ea d o p t st h ep c ib u sb o a r di np ca n du s e s c y 7 c 0 9 4 4 9 a c ，c y p r e s si n ca sp c ii n t e f f a c ec m o sc h i p sw h i l ee p m 7 2 5 6 ， a l t e r ai n ch a sb e e nu s e di ns y s t e ml o g i cd e s i g no fa i 卫e r aq u a t u si i b a s e do ns i g n a lc h a r a c t e r i s t i c s ，w ed i s c u s st h em o d eo fa dc o n v e r s i o n ，a n d b u f f e rs t r u c t u r ei nt h ed a t ac o l l e c t i o n s t a r t i n g w i t hc o n c e p t i o na n df u n c t i o no ft h ew d md r i v e r s ，t h i st h e s i s e x p l a i n sb a s i cs t a t u sa n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h ew d m d r i v e r s w ea l s oc h o o s e d r i v e r w o r k sa so u rd r i v e r s d e v e l o p m e n tc o n s i d e r i n gs y s t e mc h a r a c t e r i s t i c s w e h a v es u c c e s s f u l l yd e s i g n e dad r i v e ro p e r a t e do nw i n d o w s 2 0 0 0 i no r d e rt o c o m b i n ed e s i g nt h o u g h t sa n ds p e c i f i cr e a l i z i n gm e t h o d s ，w ec l e a r l yp r o v i d e s t r u c t u r ea n df l o w so fd r i v e r s a n df i n a l l yw eb r i e f l yp r e s e n td r i v e r si n s t a l l a t i o n a n dd e b u g g i n gp r o c e s s i n ga n dd i s c u s st h ep r o b l e m si nt h ed e b u g g i n gc o u r s e 。 f i n a l l y , t h et h e s i sa l s op r e s e n t st h ea p p l i c a t i o no ft h i sc o l l e c t i n gs y s t e m o nt h eu n d e r w a t e ri n t e l l i g e n tr o b o t t h i ss y s t e mh a sa c c o m p l i s h e dt h et a s ko f t e s t i n gi nt h eo u t f i e l de x p e r i m e n to ft h eu n d e r w a t e ri n t e l l i g e n tr o b o ta n dp r o v e d t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t k e yw o r d ：d a t aa c q u i s i t i o n ：p c ib u s ：w d md r i v e r 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 献等的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中 已经注明引用的内容外，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，均已在文中以明确的方式标明。本人完全 意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： 日期：蜥月够e t 哈尔滨： 程大学硕士学位论文 1 1课题背景 第1 章绪论 随着海洋开发的同益深入，用于水下勘探的相关技术越来越受到人们的 重视。作为水下探测的个重要分支，水下声成像技术在水下探测领域中的 诸多场合发挥着不可替代的作用，其重要性也r 益提高。各类研究机构针对 不同用途的成像声纳进行了研究。同大多数电子系统一样，成像声纳也正在 经历一个由模拟电子系统向数字电子系统发展的过程。在模拟成像声纳系统 中，s e a b a t 6 0 1 2 具有一定的代表性，本论文即针对s e a b a t 6 0 1 2 作为研究对象。 s e a b a t 6 0 1 2 是美国r e s o n 公司生产的水下二维模拟预成多波束声纳， 其性能价格比较好，轻便实用，工作稳定，可靠性高。s e a b a t 6 0 1 2 及其升级 产品在很多领域得到了广泛的应用，譬如水下运动目标轨迹测量、水下目标 的探测识别、水下地形地貌测量、堤坝及桥墩检测、水下管线检测安装、水 下实时监测，水生物研究等等。 r e s o n 公司只提供了声纳头以及专用的水上处理机和模拟视频显示器， 不能够保存声纳数据，给声纳的进一步应用造成了困难。r e s o n 公司也有 与多波束声纳配套的数据采集系统6 0 4 2 作为产品单独出售，但尚未引进，而 且由于其技术封闭，使得我们将不能够根据需要来改装使用。 为了更好地利用s e a b a t 6 0 1 2 声纳，需要根据我们的应用环境来将其改造 成具有数字化接口的声纳系统。这就需要设计相应的数据采集系统，将数据 存储于计算机中，通过计算机的处理来取代原有的信号处理机。以往设计的 采集系统虽然比较成熟，并在实际中得到了应用，但是还都存在着若干不足， 需要进一步改进和完善。 1 2 数据采集系统概述 数据采集系统是信息科学的一个重要分支，它与传感器技术、信号处理 哈尔滨i ：程入学硕十学何论文 技术、计算机技术一起构成了现代检测技术的基础。在许多应用场合，如声 纳、雷达、通信、图像处理、智能仪器等，特别是在是实时| 生要求高的情况 下，人们都需要设计与应用高速数据采集系统，以在极短时间内获取大量数 据。近年来，微电子技术突飞猛进地发展，已能提供各种新型的数据采集部 件，单片超高速a d c 的转换速率已经达到1 gs p s ，各种高速采样保持放大器、 精密电压参考源、高速低噪声放大器等配套元件也都已经达到相当高的技术 指标，实现个高性能多通道数据采集系统已经不再是非常困难的事情了。 数据采集系统追求的最主要目标有两个：一是精度，二是速度。对任何 量的测试都要有一定的精确度要求，否则将失去测试的意义；提高数据采集 的速度不仅仅是提高了工作效率，更主要的是扩大数据采集系统的适用范围， 便于实现动态测试。 现代数掘采集系统具有如下一些特点： ( 1 ) 现代数据采集系统般都有计算机控制，使得数据采集的质量和效 率等大为提高，也节省了硬件投资。 ( 2 ) 数据采集过程一般都具有“实时”特性，实时的标准是能满足实际 需要。 ( 3 ) 随着微电子技术的发展，电路集成度的提高，数据采集系统的体积 越来越小，可靠性越来越高，甚至出现了单片数据采集系统。 ( 4 ) 总线在数据采集系统中有着广泛的应用，总线技术对数据采集系统 结构的发展起着重要作用。数据采集在经过几十年的发展后，目前已经成为 一门很成熟的技术。它主要完成两部分工作：一是信号的采样，主要由采样 保持电路完成；二是采样值的量化，主要由a d 变换器完成。现在a d 变换 器的集成化很高，很多都内置采样保持放大器和电压参考源等单元电路，为 应用的简化提供了方便。典型数掘采集系统框图如图1 1 所示。传感器( 声 基阵) 输出的模拟信号经过前置放大器放大后进入采集系统，先经过信号调 理电路进行信号的放大、滤波、使信号带宽限制在需要的范围内，并使信号 的的幅度与a d c 的量程相匹配；有时由于传感器的响应是非线性的，那么信 号调理电路还要将其线性化。经过以上处理后，信号被送入采样保持器进行 采样，然后被模数转换器量化：量化后的数据被送入存储器进行存储以供处 理。 2 哈尔滨i ：程大学硕士学位论文 堕丑 疆 传感螺 器? 声 基阵 啦 图1 1 典型数据采集系统结构框图 1 2 1高速数据采集系统发展概况 目前高速采集系统都是采用并行数据采集方法，这样可以保证各路信号 采集的严格同步性。性能较好的数据采集系统普遍带有外部触发、可编程增 益放大、多板同步信号、可编程采样率、可调输入信号量程等功能，有的还 配有程控低通、带通滤波器，可以方便的组成满足用户需要的采集系统，并 配有使用方便的数据采集和数据分析软件。 表1 1 国外几种高速多通道采集系统的性能比较 分辨率 采集系统最大采样率通道数 特性 ( b i t s ) a n a l o g i c 1 ms p s1 2 ，8 1 6最多可存储8 m 样点 f a s t1 2 1 4 个差分外部触发，多种量程，可多 v m i c3 1 1 52 ms p s 1 2 输入 板同步工作 p e n t e k 外部触发，每通道4 m 样点 2 0 ms p s1 24 4 2 6 3 缓存 p e n t e k 带有d s p 接口，主要用于 6 5 ms p s 1 2 2 6 2 1 1 软件无线电 表1 1 是国外几种高速采集系统的性能比较，从中可以看出，当前高速 3 哈尔滨jr 程人学硕士学位论文 数据采集系统已经达到了相当高的技术水平，通用性和性价比很高。 1 2 2 数据采集系统的关键指标 在实际应用中，人们关心的是如何从要求的技术指标出发，设计一个性 价比较高的数据采集系统。数据采集系统的主要技术指标有：系统的采集速 率；系统精度；系统分辨率；系统共模抑制比；系统通道串扰抑制比；系统 的稳定度。 除了以上这些指标外，还有诸如系统功耗、可靠性、系统控制方式以及 系统总数据存储量等一些重要指标。在这些指标中，最为重要的是系统的分 辨率、精度与系统的采集速率。 采集系统分辨率是指数据采集系统可以分辨的输入信号的最小变化量， 通常用最低有效位值( l s b ) 来表示。如果系统的量化比特数为8 位，那么 1 l s b 占系统满度值的0 3 9 1 。系统分辨率与系统的动态范围是两个不同的概 念，但两者有着一定的关系。对于数据采集系统，动态范围是指系统可数字 化的最大信号与可分辨的最小信号的比值，通常以对数值表示。系统分辨率 每增加l 位，动态范围相应扩大6 d b 。 采集系统精度是指当系统工作于额定通过速率下，每个离散的采样样本 的转换精度。模数转换器的精度是一个系统精度的极限。比如对一个8 b it 分辨率的采集系统，如果采用8 b i t 的a d c ，那么前置的信号调理、采样保持 等电路的精度必须远优于所选的a d c 器件，系统的精度才能保证。而且应注 意的是，精度是指系统的实际输出值与理论输出值之差，它与系统的分辨率 是两个不同的概念。 采集系统采集速率是指在满足系统精度指标的前提下，系统对输入模拟 信号在单位时间内可完成的采集次数。数据采集系统的采集速率受多种因素 影响，主要包括系统中各通道调理电路中滤波器的建立与恢复时间、放大器 的建立和稳定时自j 、采样保持器的孔径与捕捉时间、a d c 的转换时涮以及数 据的传输与存储时间等。对于一个高速数据采集系统而言，系统的采集速率 可以说是最重要的一个技术指标。 哈尔滨i ：程人学硕十学位论文 1 3s e a b a t6 0 1 2 多波束声纳简介 s e a b a t 6 0 1 2 多波束声纳是目前国际上性能价格比较好、分辨率商，且轻 便实用的预成多波束前视图像声纳，由美国r e s o n 公司生产。当它水平摆放 时可获得9 0 0 ( 水平) 1 5 。( 垂直) 的观测角以及2 5 m 一2 0 0 m 的有效作用距 八 h 。w 八 八 八 八 、 v 、 - x j v t r n w l t t d 、 v 、 、 v z r t o o r 一、 5 e 一 图1 2s e a b a t 6 0 1 2 声纳系统工作框图 哈尔滨【：程火学硕士学位论文 离。由于在9 0 。的水平开角中平分成6 0 个波束，因而其方位分辨率为1 5 。 其距离分辨率为5 c m 。s e a b a t 6 0 1 2 声纳系统方框图和波束指向性图如图1 1 和图1 2 所示。s e a b a t 6 0 1 2 声纳系统由声纳头、处理机、监视器、控制器等 组成，由于在本课题中只利用声纳头，而且所有回波处理都是在声纳头中完 成，所以下面详细给出s e a b a t6 0 1 2 声纳头的技术指标： 声纳工作频率：4 5 5 k h z ； 距离分辨率：5 c m ： 发射束宽：水平1 6 5 。，垂直1 5 0 ： a 6 0 1 2 垂直发射波束b 6 0 1 2 水平发射波束 c 6 0 1 2 垂直接收波束d 6 0 1 2 水平接收波束 图1 36 0 1 2 声纳波束指向性图 哈尔滨：l 科人学硕士学付论文 接收束宽：水平1 5 。( 一3 d b 点) 每波束，垂直：1 5 。； 波束数：6 0 个； 工作深度：标准3 5 0 米： 更新率：2 5 ，5 ，1 0 米距离时= 3 0 帧秒；2 5 米距离时= 2 7 帧秒；5 0 米距离 时= 1 4 帧，秒，；1 0 0 米距离时= 7 帧秒；2 0 0 米距离时= 3 5 帧秒： 上行数据：伪视频信号( 要求1 5 m h z 黑白视频通道) ： 下行控制：r s 一2 3 2 或r s 4 2 2 ，3 0 0b a u d ； 1 4 系统总体方案 s e a b a t 6 0 1 2 声纳系统其主要部分是水下部分，水上信号处理机的主要功 能是显示与控制，而且其体积与功耗较大，不适合下装到大型系统设备中。 s e a b a t 6 1 0 2 声纳系统如图1 3 所示，最后完成的整套系统如图1 4 所示，适合 于各种计算机平台。 示器 s e a b a t 6 0 1 2 信号处理机 轨迹球控制 图1 4s e a b a t 6 0 1 2 声纳系统 本设计中数据采集系统的工作原理是计算机利用数据采集板，实时采集 s e a b a t6 0 1 2 声纳头6 0 个波束的上行信号并将其数字化，经“乒乓”缓存后， 通过p c i 局部总线，送入计算机内存。根据声纳系统上行信号的特点，数据 采集系统的采样频率应大于1 2 5 m h z 。鉴于声成像的特点和上行信号已经是 哈尔滨：i ：程大学硕十学位论文 图1 5s e a b a t 6 0 1 2 数据采集系统框图 波束形成后的数据，对于系统精度和分辨率没有过高要求。 计算机针对任务需求，研制信息处理软件，对实时采集s e a b a t 6 0 1 2 多波 束声纳的输出信号进行图像恢复、处理或判读。图像恢复软件可从所记录的 声纳数据中，解算和恢复成声纳扇形图像并可转换为对应的矩形图像。后者 由于在显示时不丢失数据，因而将有更高的判读精度。图像处理软件中汇集 了部分传统的数字图像预处理技术，包括平滑、滤波、增强、边缘特征提取 等。判读软件中主要包括角度和距离等参数测量程序。 1 5 论文主要研究内容 本课题的任务主要是完成s e a b a t 6 0 1 2 声纳头数据采集系统的设计，为将 来的应用做好准备。具体工作包括以下几个方面： 数据采集系统的论证和设计。其中包括硬件电路的总体设计，原理图设 计、电路板设计，电路板焊装与调试。采用c p l d 器件( 大规模可编程逻辑器 件) e p m 7 2 5 6 ，并利用数字逻辑设计工具q u a r t u si i3 0 用v h d l 语言完成整 个数据采集系统的逻辑设计，提高系统的可靠性和可编程性。 p c i 总线设备驱动程序的编写。利用d r i v e r w o r k s 及w i n d o w s2 0 0 0d d k 在v is u mc + + 6 0 环境下编写1 】| d m 驱动程序，从而使数掘采集系统可安装在 p c 机内，利用p c 机控制采集系统完成采集任务。 哈尔滨一程人学硕+ 学付论文 第2 章数据采集系统的电路设计 2 1引言 数据采集系统的设计要根据测试对象及系统的技术指标，主要考虑下列 因素： 1 输入信号的特性。在输入信号的特性方面主要考虑以下问题：信号的数 量，信号的特点，是模拟量还是数字量，信号的强弱及动态范围，信号的输 入方式( 如单端输入还是差动输入，单极性还是双极性，信号源接地还是浮 地) ，信号的频带宽度，信号是周期信号还是瞬态信号，信号中的噪声及共模 电压大小，信号源的阻抗。 2 对数据采集系统性能的要求。数据采集系统的主要技术指标有：系统采 样频率；系统的分辨率；系统的精度。此外，还有系统的非线性误差、共模 抑制比、串模抑制比等指标。 3 接口特性。接口特性包括采样数据的输出形式( 是并行输出还是串行输 出) ，数据的编码格式与什么数据总线相接等。 对于不同的测试对象，数据采集系统设计的具体要求是不相同的，但是 由于数据采集系统是由硬件和软件两部分组成的，因此，系统设计的一些基 本原则还是大体相同的。下面介绍数据采集系统遵循的基本原则；确保性能 指标的完全实现；系统结构的合理选择；对于较大型的应用软件，应参考软 件工程学的方法进行设计；安全可靠，有足够的抗干扰能力； 这罩要指出，标准仪器总线为数据采集系统的设计提供了很多方便。这 些标准总线已经对系统结构、通信方式及接口、可靠性甚至机箱结构尺寸都 做了充分考虑，设计人员只需按照标准的规定设计自己要开发的部分即可。 在系统总体设计完成之后，便可同时进行硬件和软件的设计。本章主要 介绍硬件设计。硬件设计的任务是以所选择的微型机为中心，设计出于其相 配套的电路部分，经调试后组成硬件系统。明确硬件设计任务；尽可能详细 地绘制出逻辑图、电路图：制作电路和调试电路。 哈尔滨1 ：程人学硕十学位论文 2 2 数据转换结构确定 2 2 1s e a b a t 6 0 1 2 声纳数据上行协议 s e a b a t 6 0 1 2 声纳数据上传采用伪视频信号传输，所谓伪视频信号就是其 信号形式与视频信号相似，但是协议并不完全相同。 s e a b a t 6 0 1 2 采用的伪视频信号每一行分为了8 8 个时问间隔，每个时间间 隔为8 0 0 n s ，每行的时间长度为7 0 4 u s ，每个时间间隔代表一位信息，通 过每一位的电平来传输数据。 其每一位的具体定义见图2 1 。 + 0 0 0 v o2 5 v 图2 1 s e a b a t 6 0 1 2 声纳上行信号格式 前1 6 位是行同步脉冲，其标准电平为一0 2 5 v ：第1 6 位为空；第1 7 、1 8 位为o d b 信号参考电平，标准电平为+ o 7 5 v ；第1 9 位是帧同步信号，当此行 o 哈尔滨：i ：程人学硕十学位论文 信号为当前帧的有效行时，此位为高电平( + 0 7 5 v ) ，否则为低电平( + o o o v ) ； 第2 0 、2 1 位为零信号的参考电平，其标准电平为+ o o o v ；从第2 2 位到第8 1 位为数据区；第8 2 、8 4 、8 7 位为空；第8 3 、8 5 位对于s e a b a t 6 0 1 2 声纳没有 定义；第8 6 位是信息位，声纳头上的信息通过对一帧中的此位进行编码上传。 s e a b a t 6 0 1 2 声纳水平方向上有6 0 个波束，声纳头将相同距离上每个波束 的幅度数据调制在伪视频信号每一行上，每一帧伪视频信号就包含一次成像 的所有点上的信息数掘。 所谓一帧信号，就是声纳主动发射一次信号探测目标并接收回波进行波 束形成的过程。帧同步脉冲在高电平的时候，行信号是有效的接收信号；在 低电平的时候，行信号无效。所谓行信号有效，就是指这一行中含有目标回 波的模拟信号，丽在帧同步脉冲为低的时候，虽然依然有行信号，但是这些 行信号中并没有目标回波信息。按照s e a b a t 6 0 1 2 声纳的技术指标，在选择不 同的探测距离档位时，发射的帧率是有分别的，具体数量如下：2 5 米距离 时每秒3 0 帧，每帧5 0 行有效；5 米距离时每秒3 0 帧，每帧1 0 0 行有效；1 0 米距离时每秒3 0 帧，每帧2 0 0 行有效；2 5 米距离时每秒2 7 帧，每帧5 1 2 行 有效：5 0 米距离时每秒1 4 帧，每帧1 0 2 4 行有效；1 0 0 米距离时每秒7 帧， 每帧2 0 4 8 行有效；2 0 0 米距离时每秒3 5 帧，每帧4 0 9 6 行有效。在一帧内， 帧同步脉冲是高电平的行是连续的。 在s e a b a t 6 0 1 2 声纳数据采集系统中最重要的就是同步信号的分离，即把 包含在上行信号中的帧同步脉冲和行同步脉冲解调出来。 行同步脉冲的分离则必须要通过解调上行信号获得。根据行信号的格式 特点，行同步脉冲是低于o v 电平的，所以很容易想到可以让行信号通过一个 门限比较的电路，这样低于门限的部分就变为低电平，而其他部分变为高电 平，从而完成行同步脉冲的分离，具体的电路图如下： 哈尔滨，翻鼙大学硕士学位论文 图2 2 行同步脉冲分离电路 电路中的m a x 9 1 3 是m a x i m 公司生产的高性能比较器，既支持单电压+ 5 v 供电，也支持双电压5 v 供电，具有速度快，功耗低，应用简便灵活的特 点。当输入电压i n + 高于i n - 时，正向输出端输出高电平，反之，输出低电平。 在实际设计中，避免使用o v 作为参考电平，原因是。0 、r 较容易受到干扰， 而且行信号在o v 附近也不稳定，所以容易造成多次反转，使同步分离不能完 成。为了避免这种情况的发生，应采用把参考电平拉低的办法。设冒参考电 平在一0 2 5 v 到0 v 之间，并且可以调节，可以根据实际情况适当的选择参考 电平的电压值。这样一来就可以顺利的将行同步脉冲分离出来了，分离后的 信号如下图所示： 卜一”- 8 队8 0 7 2 竺8 8 0 0 n s ：二爿 _ ” - n 一一” 图2 3 分离后的行同步脉冲形式 上图中的行同步脉冲可以在数据采集过程中，作为每一帧数掘中行计数 器的触发信号，用它来计数行号，它的周期是7 0 4 s 。 行同步脉冲分离出来后，很容易就可以确定帧同步脉冲的位置，进而确 定帧同步脉冲。 哈尔滨一i ：程人学硕士学何论文 2 2 2 模数转换的常用方法 模数转换是数据采集系统中最为重要的一个环节，它的性能好坏将直接 关系到整个采集系统的技术指标能否实现。模数转换器的任务是将一个连续 的模拟输入信号( 通常为电压) 用一个数字化的值来表示，以进一步用于处 理、显示、记录和传输。a d c 是整个数据采集系统的关键部件，它的性能往 往直接影响整个系统的技术指标。实现模数转换的方法很多，表2 1 给出了 这些常用类型a d c 的主要性能比较。 表2 1常见a d c 性能比较 转换器转换速率( 8 位分辨 分辨率成本备注 类型率时) v - f 变换 低，几ks p s低低 武 在高分辨率时转换速度低，缺 斜率式低，几ks p s 低低 乏长期稳定性 双斜积高，可达 分式 低，几ks p s中等可用于高分辨率的场合 2 0 b i t 逐次逼在高分辨率时转换速度降低， 近式 中等，几ms p s中等中等 要求输入信号稳定 很高，可达分辨率非常高，多用于音频场 一式 中等，几十ks p s中等 2 4 b i t 以上合 转换器转换速率( 8 位分辨 分辨率成本备注 类型 率时) 可以达到比闵烁式更高的分 子区式高，可达上百ms p s中等中等 辨率 转换速度很高，可用于视频采 闪烁式高，可达上百ms p s较低高 集 从上表我们可以看出，由于本论文所设计的采集系统要求转换速度比较 高，因而应当选用闪烁式或子区式a d c 。下面针对闪烁式a d c 和子区式a d c 哈尔滨t 程人学硕七学位论文 的原理和主要特点作一下简要的介绍。 闪烁式a d c ( f l a s ha d c ) 又常被称为并行式a d c ，它的一个突出特点就 是其具有很高的转换速度，可以用于直接转换快变的视频信号，而无需再借 助采样保持电路。闪烁式a d c 的原理如图2 4 所示。 对于分辨率为nb i t 的a d c ，共有2 ”一1 个带锁存的比较器，待转换的模 拟信号同时输入到各个锁存器中，锁存器的参考电压从电阻分压器中得到， 每个比较器的参考电压都比相邻的下一个高1 个l s b 。当模拟信号输入到个 比较器的输入端时，对于参考电压低于信号电平的比较器，其输出为逻辑高 电平；反之为低电平。这些输出被送往译码逻辑电路进行译码然后输出到输 出寄存器，由采样时钟控制输出到片外。 、人j 烁式a d c 的输出有两种形式，即 带输出数据锁存器的和不带锁存器的；对于不带输出锁存器的a d c ，其输出 数掘有一段时间是无效期，当采样频率很高时，输出数据的有效期就变得很 短，难以进行存储和传输。而带有内部锁存器的a d c 的数据有效期几乎使整 个采样时钟周期，外部接口就变得很简单了。 模拟输入 输 出 数 字 量 - v r e f 采样时钟 图2 4 闪烁式a d c 的原理框图 由上述的闪烁式a d c 的转换原理可知，对于每一个采样时钟，输入的模 拟信号都只需要进行一次比较就可以输出量化的数字值，因此其转换速度可 以达到很高。但是由于其内部的比较器数目非常多( 2 ”一1 个) ，因而制造工 艺比较复杂，成本较高。另外，出于闪烁式a d c 内部需要大量高精度分压电 哈尔滨i ：科人学硕士学位论文 阻，如果分压器电阻不匹配，就会引起积分和差分非线性误差。当输入信号 电平刚好等于比较器参考电平时，比较器在两个逻辑电平之间来回切换，会 在a d c 的输出端产生误码，这通常被称为“亚稳态”( m e t a s t a b l es t a t e ) 误 差。除了这些静态误差外，当输入信号的变化率增大时，在有效采样瞬问， 孔径发生抖动( j i t t e r ) 也会引起动态误差。因此，采用f 确的接地技术， 加强电源退耦，合理布局印制板以及保证采样时钟的频率和相位的稳定对于 提高采集系统的信噪比都至关重要。 子区式( s u b r a n gj n g ) a d c 的一个例子如图2 5 所示，它是一个基于2 片4 b i t 闪烁式a d c 构成的8 b i t 子区式a d c 。 采 b n 自( 图2 5 子区式a d c 的原理框图 子区式a d c 工作原理如下：首先，用第一片4 b i ta d c ( 优于8 b i t 精度) 数字化出舫4 个b i t ( 高位) ，这4 个二进制输出送到一个4b i td a c ( 优于 8 b i t 精度) ，d a c 的输出从保持的模拟输入中减去，差值信号被放大后送到第 二片5 b i ta d c ，这片a d c 的输出的最高位送到误差校正逻辑( 通常是数字加 法器) 以减少子区式a d c 的非线性和失码。两片a d c 的输出合在一起，构成 了一个8b i t 的输出码字。 对于相同的转换速率，由于在需要达到nb i t 分辨率时，闪烁式a d c 需 要用2 “个高精度电阻和比较器来实现，而予区式a d c 则显然少的多；因而子 区式a d c 可以达到较低的成本，从而具有较高的性价比。 哈尔滨i ：科人学硕士学位论文 2 2 _ 3 采样时钟和a d 转换器的确定 采样时钟的确定是任何数据采集系统的关键，这要取决于被采集信号的 特点和整个系统的要求。对于本系统，需要确定的采样时钟就是对主从两部 声纳上行信号进行采样的时钟。前文中已经给出了6 0 1 2 声纳上行信号的形 式，需要采集的信号是上行信号中从t = 2 2 到t = 8 1 之间的6 0 个8 0 0 n s 的离 散模拟信号，也就是声纳6 0 个波束形成后的信号。由上一节的图中可以看出， 在每一个8 0 0 n s 的时间段内，对应的值是保持不变的，按照这样的情况，只 要采样时钟周期取8 0 0 n s ，即频率为1 2 5 m h z ，就能够保证在每一个8 0 0 n s 内都能采样到一个点，把6 0 个波束形成后的值全部采集到。但是，上述的情 况只是理想的，实际中通过观察发现，并不是每一个时间间隔内的值都是不 变的，相反有比较大的起伏，而且这种起伏变化好像也并没有什么规律可循。 也就是说，每一个真正的波束形成后的信号值，只在每个8 0 0 n s 间隔内的 某一小段时间表现为最大，而其他时间内基本上都低于这个最大值，对于本 数据采集系统，无疑如果能够准确的采集到每一个波束形成后信号的最大值， 将得到最为准确真实的目标信息。通过反复观察试验，最终发现这些最大值 的位黉大部分都集中出现在大约8 0 0 n s 的中间1 3 时间段内，即第3 0 0 n s 到 6 0 0 n s 范围内。 根据这种情况，作者考虑采用对每一个8 0 0 n s 内进行密采样，采样时钟 频率取1 0 m h z ，即采样周期l o o n s ，这样在每一个8 0 0 n s 内都可以采样到8 个 点，这8 个点中基本上就一定包括每个波束形成后那个最大值点，确保采样 到最准确的信息。但是，如果把每一个采样点都进行存储并参与处理的话， 无疑这样的做法会使采集的数据量增大到原来的8 倍，这么大的数据量对后 期的处理将带来很大的工作量，甚至是麻烦，同时从系统需求上讲也没有必 要采集这么多数据。为了解决上述矛盾采用的办法是，采样点虽然多，但是 让后期的存储时钟始终保持是1 2 5 h 4 h z ，而且可以通过控制写存储器逻辑时 序，使存储的那个值，正好是8 0 0 n s 的中间1 3 时间段内的某一个点值。时 序大致如图2 6 所示，图中s i g n a l 就是声纳上行信号，每8 0 0 n s 一个波束值， a d c k 是采样时钟，周期是l o o n s ，在每一个8 0 0 n s 内都有8 个采样值，w e 6 哈尔滨r 程入学硕士学位论文 是存储器写控制信号，在上升沿是数据线上的数据将被写入存储器中，对应 此图中，1 7 和l f 将被作为两个波束值进行存储。 t = 8 竺= = 厂 s i 叫l 一 “i k 1 厂 厂 厂 厂 厂 厂 厂 厂 厂 r 厂 厂 r 厂 厂 厂 厂 t n 亘题丑互珏夏珏互压困匝 回匝弓匝卫四匝卫d 匝 - t 厂厂 图2 6 声纳采集时钟时序图 由上图可以看出，按照这样设计，采集点的位置基本满足f 文中所讨论 的条件，所以可以使采集结果更加趋于准确，而且存储的数据量和理想情况 一样。当然不可否认，这样也会丢失一些最准确的采样点，但是通过实际证 明，采集的结果基本诈确，个别丢失的一些信息并不会对整个系统的性能产 生影响。 a i d 转换器的任务是将一个连续的模拟输入信号( 通常为电压) 用一个 数字化的值来表示，以进一步用于处理、显示、记录和传输。a d 转换器是 整个数据采集系统的关键部件，它的性能往往直接影响整个系统的技术指标。 因为输入的声纳上行信号幅度范围是- 0 2 5 v 到+ 0 7 5 v ，而且需要采集的信号 范围只是0 v 到+ o 7 5 v ，采样频率为i o m h z ，同时考虑到功耗、成本和系统 分辨率，决定，决定选择a d 公司的a d 9 2 8 0 作为本采集系统的模数转换器。 下面简要介绍一下a d 9 2 8 0 的主要性能指标和结构。 c l - p 。犷“k v d dv 日e f t r f 器s n 泔 v 睹半 图2 7a d 9 2 8 0 内部功能框图 1 7 ：爆 溉辨懈 哈尔滨：i ：程火学硕士学位论文 时钟高i 乜，卜低1 也甲输h l管线 _ i 封期脉宽脉宽延迟延迟 f ( -f ( h?t 3 1 2 5 n s1 4 7 n s 1 4 7 n s2 5 n s3 个 m 1 i im i nm a x川期 图2 8a d 9 2 8 0 的输出时序 a d 9 2 8 0 是一种单片高速a d c ，它的分辨率为8 b i t ，最高采样率可以达到 3 2 m s p s 。a d 9 2 8 0 采用了c m o s 工艺，供电电源为2 7 v 到5 5 v ，当供电电源为 3 v 时，其功耗仅为9 5 r o w ，这对于大量使用a d c 器件的多通道的数据采集系统 而言，节约的功耗是相当可观的。而且，a d 9 2 8 0 片内带有高速采样保持放大 器和可编程电压参考源，可以大大地简化和方便设计。它的输入在设计中考 虑了方便其应用于成像和通信领域的需要，用户可以拥有多种输入电压范围 的选择，即可以进行单端输入，也可以进行差分输入。它的输出端为并行接 口，具有三态输出，当数字电源为5 v 时，输出与t t l 电平兼容。其输出支持 多种t t l 系列，尤其在采样率低于2 0 m s p s 时。由图2 7 可以看出，a d 9 2 8 0 属于子区式模数转换器结构，并且，a d 9 2 8 0 采用了数字校正技术，a d 公司 称之为多级差分管线结构( m u l t i s t a g ed i f f e r e n t i a lp i p e l i n e a r c h i t e c t u r e ) 。由于采用了这样的结构，a d 9 2 8 0 可以在3 5 8 m s p s 时提供 7 8 b i t s 有效位数，信号( 噪声+ 失真) 比为4 9 d b ，总谐波失真为- 6 2 d b 。另 外，其孑l 径延迟( a p e r t u r ed e l a y ) 为4 n s ，孔径抖动( a p e r t u r ej it t e r ) 仅 2 p s ，这样可以达到很高的精度，完全能够满足本系统的要求。 2 2 4a d 转换电路 依据上面所讨论的对声纳数据的采集方案，图2 9 给出了实际应用中的 a d c 转换电路图，图中首先让输入的声纳信号通过一级射随器，以增强信号 的驱动能力，然后通过一个简单的低通滤波，实践证明，这个低通滤波器的 作用能够把叠加在信号上的高频干扰滤掉。a n 转换器的参考电压使用的是 a d 9 2 8 0 内部自带l v 的基准源，其精度相对外部参考源较差，但是避免由于 布线不合理而引入的噪声，而且简便易用，可以基本满足系统的精度要求。8 1 8 哈尔滨l i 程人学硕十学位论文 位并行输出的数字信号可以直接进行存储。 2 3 总线接口的确定 图2 ，9a d c 转换接口电路 在确定数据采集系统的总线接口形式时，作者主要基于以下几点的考虑， 第一、数据传输率快，传输稳定；第二、能够安全可靠的安装在多种计算机 平台上；第三、能够为数据采集系统提供多种电源。其实在对任何系统的总 线形式进行选择时，要考虑的因素远不止上面提到的几点，而且各种总线电 各自有自身的特点，都有其适应的系统和环境来满足系统的要求。 计算机总线是计算机与外部设备进行数据交换的通道，根据数据交换和 传输时数据的组织形式，可将总线分为串行总线和并行总线。u s b ( u n i v e r s a l s e r i a lb u s ) 、r s2 3 2 、i e e e1 3 9 4 都是串行总线，常见的并行总线有s t d 总 线、i s a 总线、p c i 总线等。 采用总线结构是微型计算机系统最显著的特点之一。随着计算机技术的 不断发展，微型计算机的体系结构发生了很大变化，要求有高速的总线束传 输数据，从而出现了多总线结构。在多总线结构中，局部总线( l o c a lb u s ) 的发展最令人瞩目。局部总线是指来自处理器的延伸总线，与处理器同步操 作。外部设备如果直接挂到局部总线上，就能以c p t j 的速度运行。 1 9 哈尔滨鼙大学硕七学位论文 2 3 ip c i 总线特点 p c i ( p e r i p h e r a c o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t ) 意为“外部设备互连”，i n t e l 公司于1 9 9 1 年提出了p c i 总线的概念，随后与i b m ，c o m p a q 等1 0 0 多家公司 于1 9 9 3 年提出了p c i 总线标准，目前p c i 规范已经修订到2 2 版本。p c i 总 线是一种高性能局部总线，可同时支持多组外围设备，不受制于处理器，它 为中央处理器及高速外围设备提供内部连接机构，总线宽度是3 2 位，可以升 级到6 4 位宽度，地址长度可变，可重复猝发读写，其访问延迟时间短。总线 的工作频率为3 3 m h z ，传输率为1 3 2 m b s ，其2 1 版规范升级到了6 6 m h z 的 频率及2 6 4 m b s 的传输率，6 4 位总线可达5 2 8 m b s 。p c i 总线采用多路复用 技术，简化了总线结构，节省了成本。它能够自动配罨参数，为此而专门设 计有配置空间，记录p c i 总线的设备信息，使之支持即插即用功能。p c i 总 线与处理器无关，它的占用权、仲裁权不是出c p u 管理，而是出专门的p c i 芯片组完成。同时，p c i 总线具有存储器管理功能，任何c p u 要访问共享存 储器都必须经过p c i 总线的允许。另外，p c i 总线支持多处理器功能，利用 它构建多处理器系统十分方便，该总线支持5 v 和3 3 v 工作电压，将来可达 到2 7 v ，增强了扩展卡的灵活性和通用性。 p c i 总线与微处理器、高速缓存( c a c h e ) 、系统内存( d r a m ) 通过p c i 桥连 接到p c i 总线上，该桥提供了个低延迟的访问通路，使微处理器能够访问 通过它映射到寄存器或i o 空间的p c i 设备：也提供了使p c i 主设备访问系统 内存的高速通路：p c i 桥还具有数据缓存功能，使c p u 可以与p c i 总线上的设 备并行工作。 总之，在比较几种总线特性后，决定数据采集系统采用p c i 总线接口进 行数据传输，但这并不表示该系统只能用p c i 总线接口方式。 2 3 2 p c i 总线接口芯片c y 7 c 0 9 4 4 9 a c c y 7 c 0 9 4 4 9 p v a c ( 以下简称为p c i d p ) 是c y p r e s s 公司p c i d p 系列的 p c i 接口控制器之一，它提供了一个和众多流行的微处理器直接相连接的p c i 主从接口，其内部的1 2 8 k b i t 的双口静态r a m 用作局部总线和p c i 总线的 哈尔滨l ：程火学硕士学位论文 昌宣暑i i i 暑i 毒宣薯；i i i 皇i i i i i 幂i 皇葺i ；i i i i _ r i i 薯i i i i 昌i i 二宣i i i i 嵩宣i ；i i 高i _ 荨皇i ；i j 共享m e m o r y 。p c i d p 允许设计者简单