（水声工程专业论文）图像声纳发射与控制模块的设计与实现.pdf

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) ：粼 日期：妇年弓月2 三日 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( 口往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) ：删 日期：沛年3 月弓e t 导师( 签字) ：聿不白 凇b 年吾月弓日。 簟 rr ，- 哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 最近几年，随着海洋的开发和探测的需要越来越大，高分辨率成像声纳 的研究和使用也越来越受到人们的重视。目前，利用高分辨率成像声纳探测、 识别、跟踪水下目标也越来越广泛的利用在军事和民用企业中。 本文研究了通用成像声纳的工作原理、系统结构以及设计思路，并在其 基础上设计了通用声纳的发射模块和控制模块。 本文的重点是发射模块和控制模块的硬件设计，确定采用高性能 t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 数字处理芯片为主的结构体系。实现了功率放大、f p g a 控制、 d s p 处理、数据缓存、数据传输。软件方面，完成了单片机控制程序、f p g a 控制程序、d s p 接口程序和网络通信程序的编写。实现了u a r t 通信、数据 缓存、网络通信。打通了整个系统的数据流。本文设计达到了预定硬件设计 的要求。 关键词：成像声纳；f p g a ；d s p ；网络通信 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ei n c r e a s i n go fo c e a ne x p l o i t a t i o n ，t h er e s e a r c ha n d e x e r t i o no fh i g hr e s o l u t i o ni m a g i n gs o n a rh a sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t n o w a d a y s ，t h eh i g hr e s o l u t i o ni m a g i n gs o n a rh a sb e e nm o r ea n dm o r ew i d e l y u s e dt od e t e c t ，i d e n t i f y , t a i la f t e rt h eu n d e r w a t e rt a r g e t t h i st h e s i sw o r k so nt h ep r i n c i p l e ，s p e c i f i c a t i o n ，s t r u c t u r ea n dt h ep r i n c i p l e o ft h eu n i v e r s a li m a g i n gs o n a r o nt h eb a s i so ft h o s em e n t i o n e da b o v e ，t h e t r a n s m i t t e rb l o c ka n dt h ec e n t r a lc o n t r o lb l o c ki sd e s i g n e d t h i st h e s i sm a i n l yf o c u s e so nt h ed e s i g no fh a r d w a r eo ft h et r a n s m i t t e rb l o c k a n dc e n t r a lc o n t r o lb l o c k m a k es u r et h ep r i m a r yp a r to ft h ep l a t f o r mi sa h i g h p e r f o r m a n c et m s 3 2 0 c 6 4 1 6d s pc h i p p o w e re n l a r g e r , f p g ac o n t r o l ，d s p p r o c e s s i n g ，d a t ab u f f e rs t o r i n ga n dd a t at r a n s m i s s i o na r cr e a l i z e d t h ep r o g r a mo f s i n g l ec h i pc o n t r o l ，f p g ac o n t r o l ，d s pi n t e r f a c ea n dn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n p r o g r a m m ea r ec o m p l e t e d u a r tc o m m u n i c a t i o n ，d a t ab u f f e rs t o r i n g a n d n e t w o r kc o m m u n i c a t i o na r er e a l i z e d t h ed a t as t r e a mo fe n t i r es y s t e mi sg o t t e n t h r o u g h f i n a l l y ，d e s i r a b l er e q u i r e m e n t so ft h ed e s i g ni nh a r d w a r es y s t e ma r e m e e t k e yw o r d s ：i m a g i n gs o n a r ；f p g a ；d s p ；n e t w o r kc o m m u n i c a t i o n 卜- r o l r r l i - e l l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 目录 第1 章绪论1 1 1 课题背景及意义1 1 2 成像声纳发展现状2 1 3 论文研究内容3 第2 章发射模块的设计5 2 1 概j 苤5 2 2 发射机的设计6 2 2 1 功放部分设计”6 2 2 2 控制部分设计”7 2 3 发射机的测试结果9 2 4 本章小结1 0 第3 章控制模块电路的设计与实现”1 1 3 1 成像声纳系统组成1 1 3 2 命令接收部分设计1 3 3 2 1 命令接收部分设计原理1 3 3 2 2 命令接收部分电路1 4 3 3 逻辑控制部分设计1 5 3 3 1 逻辑控制部分的功能1 5 3 3 2 逻辑控制部分的电路设计1 6 3 4 数据处理部分设计”2 1 3 4 1 芯片介绍2 1 3 4 2 外围电路设计”2 2 3 4 3d s p 的外围存储器接口”2 6 3 4 4d s p 外围设计配置3 0 3 5 数据传输部分设计3 1 3 5 1 串行数据发送部分3 2 3 5 2 并行数据发送部分3 3 卜irrii l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 暑宣置 i i i 宣i i 审置暑；i 昌；i i 薯暑；置罱 3 6p c b 板设计中的考虑3 6 3 7 本章小结- ”3 8 第4 章相关软件的设计与调试”3 9 4 1 单片机程序设计与调试3 9 4 1 1 单片机程序。”3 9 4 1 2 单片机程序调试4 1 4 2f p g a 程序设计4 2 4 2 1 对数据采集模块控制4 2 4 2 2 对数据处理部分的控制4 4 4 3d s p 程序设计4 7 4 3 1d s p 外部r a m 的存储”4 7 4 3 2 网络通信软件设计4 8 4 3 系统连调5 3 4 4 本章小结5 5 结 论5 6 参考文献5 7 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果6 0 致谢6 1 附录6 2 i 。 e 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景及意义 海洋占有地球7 0 以上的面积。从古代的近海捕鱼、到郑和下西洋，人 类对于海洋的探索就从未停止过。随着科技的持续发展和提高，人类在海洋 上进行探索与开发的活动也日趋频繁和深入，逐渐了解了海洋中除了蕴含丰 富的矿产资源外，还蕴藏着丰富的生物资源和海洋化学物质资源u 1 。1 9 世纪 初，各国科学家开始研制和发展水声器材和声纳技术。声纳是利用水下声波 判断海洋中物体的存在，位置以及类型的方法和设备。因此，声纳常常被比 喻成舰船的“眼睛 和“耳朵吲。 目前各个国家都非常重视海洋的战略地位。很多发达国家在针对海洋开 发和海洋战略的部署都有着大量资金和技术的支持。其中，日本更是长时期 的利用成像声纳探测海底石油资源和进行海域检测。而美国和俄罗斯不但在 自己国家的领海内积极探索，而且还针对南极和北极冰层下的海域进行了部 署和研究。我国属于海洋资源丰富的国家，境内湖泊众多，海域也非常辽阔， 海岸线有1 8 0 0 0 多公里。其中海底资源相当丰富，除此之外，还有有很多隔 海相望的邻国。因此大力开展海洋的探索和开发，大力发展水声技术不但有 促进利于社会主义现代化建设，而且也是我国领土安全的保障。 在实际的海洋资源开发过程中，尤其需要对特定海底场所进行详细的测 试和绘画工作，国际研究机构表明，因为对海底测量的精度较低，造成海底 石油管道铺设不当，造成石油泄漏的可能性和造成污染的影响都远远大于油 轮失事所造成的结果。在浅海，由于大部分的浅海海域都具有海水浑浊，能 见度较低的特点。普通的声纳已经无法满足人们探测和开发的需要。所以这 些都需要具有获得高分辨率图像能力的图像声纳来完成。这也是为什么成像 声纳技术的发展和应用在各个国家都成为一个越来越重要的课题的原因之 一。 目前，成像声纳装置一般都以舰船为载体，来获得水下环境或者目标的 图像，为了获得较高的分辨率，成像声纳设备一般工作频率都在数百到上千 k h z ，于此同时，还需要非常多的基元数。成像声纳设备的特点是具有较高 卜 l i 。 f 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的工作频率，具有较多的基元数，数据吞吐量大，运算量大，电路结构和电 路规模复杂。其图像处理和识别主要有神经网络方法，小波和分型方法，利 用声图像的阴影暗区进行区别，变换模板等方法。 成像声纳设备在结构上可分为前端处理( f r o n t e n dp r o c e s s o r ) 、中级处理 器( m i d p r o c e s s o r ) 和视频处理器。其中前端处理包括有接收基阵、发射基 阵和波束形成器，是整个系统的核心。发射基阵发射探测脉冲信号，接收基 阵接收目标返回的信号，然后送入波束形成器，获得成像数据；中级处理器 ( m i d p r o c e s s o r ) 接收成像数据，然后进行相关的信号处理，比如滤波，幅 度监测等。最后是视频处理器，主要是把得到的图像发送给用户。 本论文主要研究成像声纳的控制模块部分。 1 2 成像声纳发展现状 成像声纳与普通多波束声纳的区别，在于它具有更高的分辨率，可以提 供水下目标外形轮廓的更多细节描述，从而可以对水下目标进行进一步的跟 踪和识别。目前，如果成像声纳按照所使用的设备来划分，可以分为侧扫声 纳( s i d es t a l ls o n a r ) 和前视声纳( f o r w a r dl o o k i n gs o n a r ) 。本论文的研究的成 像声纳属于前视声纳。 我国成像声纳技术的研究虽然比美国，英国，法国等国家晚一些，但目 前已有包括中科院声学所，哈尔滨工程大学，杭州7 1 5 研究所等多所国家科 研机构和重点高校开展了关于此项技术的研究，并且取得了较大的成果。 国外针对成像声纳技术的研究一直都非常重视。自从6 0 年代英国海洋研 究所成功的推出第一款实用型侧扫声纳后，世界各国也都相应的推出了自己 生产的各个类型的成像声纳来装配给军方和民用公司。其中比较知名的有英 国m a r i n ee l e c t r o n i c s 公司和美国的b e n t h o s 公司。其中b e n t h o s 公司生产的 s i s 1 5 0 0 和s i s 3 0 0 0 是世界上最早的全数字调频声纳。日前推出新一代 g e m i n i7 2 0 i 多束成像声纳。g e m i n i 重量轻( 它的水中重量仅1 2 公斤) ，计 小巧且坚固耐用，可在大部分遥控操作水下机器人( r o v ) 和自助式水下航 行器( a u v ) 平台上轻松使用。图1 1 为g e m i n i7 2 0 i 多束成像声纳的外观图 和扫描水下目标示意图。 下面列举两款比较有特点的声纳系统： 2 卜 r l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 一、e d g et e c h4 1 2 5 p 型声纳。此声纳可以单人操作，只需要一个小船就 可以携带。可应用于地质灾害调查，航线调查，考古调查等工作。此声纳是 一种单j 双频高频声纳系统。工作于单频1 2 5 0 k h z 和双频4 0 0 1 2 5 0 舷。扫描 量程最大3 0 0 米。水平波束宽度最大0 3 0 ，垂直波束宽度为3 0 。 二、i m a g e n e xm o d e l8 3 7 型声纳。此声纳可以用于深海拖曳系统，a u v 和r o v 的集成或组合成像系统。可用于近海石油探测，水下搜寻等工作。 有效水平波束宽度为3 0 ，波束数最大为4 8 0 个。最小探测距离为o 5 米，最 大探测距离为3 0 0 米。 图1 1g e m i n i7 2 0 i 型声纳示意图 除了上面的介绍，还有l i m i s ( l i m p e tm i n ei m a g i n gs o n 甜) 、g l a c i s ( g l e n d o r al a k ea c o u s t i ci m a g i n gs y s t e m ) 和a b i s ( a c o u s t i cb a r n a c l ei m a g i n g s o n a r ) 这些公司在成像声纳的研究上都处于世界领先水平。他们的产品可以 提供近乎于视频质量的声图像。 1 3 论文研究内容 本论文主要完成某成像声纳的发射模块和控制模块的电路原理图设计， 电路板p c b 设计，电路板调试以及相关软件的设计。使数据流和控制流能够 正确的传输。 具体的研究内容主要包括： 1 发射模块的电路设计与调试； 2 发射模块单片机程序的编写； 3 控制模块的电路设计与调试。 4 控制模块单片机程序，f p g a 和d s p 程序的编写； 3 卜 l i 。 i ， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 本论文的第一章描述了论文的课题背景和意义，简单的介绍了目前成像， 声纳的重要性和不可替代性以及国内外在成像声纳技术上的成果和发展现 状。论文的第二章根据功能的要求，设计发射模块的硬件电路并且进行调试。 根据系统的要求设计单片机的软件并调试。第三章从系统整体的角度出发， 对于控制模块相关的硬件设计、特点、工作流程给出了详细的阐述，并且对 于设计时需要考虑和注意的问题进行了简单的说明。第四章从系统要求的功 能出发，介绍了相应硬件芯片的软件设计，其中包括单片机、f p g a 和d s p 的 程序设计与实现。 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章发射模块的设计 本论文的第一章已经介绍了成像声纳的结构组成。可以得知，发射模块 是成像声纳设备的重要组成部分，具有不可替代的作用。 随着现代电子技术的发展，便携式水声通信设备、便携式水下探测设备 等对发射机的要求越来越高p 1 。本章对发射模块的电路原理图和p c b 图进行 了设计并且调试发射模块的电路。 ，2 1 概述 水声信号发射机是主动声纳设备的重要组成部分，它的性能对整个系统 的作用距离和工作带宽，以及蓄电池的工作时间有很大的影响。发射机一般 由信号源、功率放大器和匹配网络三部分组成。图2 1 是水声发射机的结构 框图，它分为三个部分。信号源可以根据需要产生一定形式的信号，通常是 小幅度的电压信号；功率放大部分负责将信号进行电压放大和电流放大，输 出功率信号；匹配网络负责小输出阻抗的功放与大输入阻抗的负载之间的匹 配，调节负载阻抗的相角，使负载输出额定功率，包括变阻匹配和调谐匹配 两个部分。 图2 1 水声信号发射机系统框图 由于水声发射机工作的介质是在水中，这就决定了水声发射机有以下特 占 ，、 一、水声的压电换能器是电容性。 二、水下工作的压电换能器的辐射阻抗较大。 三、水声发射机工作频率从几赫兹到几千赫兹，范围比较宽，输出的功 率范围从零点几瓦到几十千瓦。 图2 2 是功率放大器完整的系统框图，一些简化的设计可以只有电源、 驱动电路和功率输出级这三个部分。 5 f k 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 发射机的设计 2 2 1 功放部分设计 图2 2 功率放大器系统框图 水声信号发射机系统分为信号源、功率放大器、匹配网络和换能器四个 部分。其中功率放大器部分对整个系统性能有很重要的影响。不同的要求使 用不同的功率放大器。本小节将着重对d 类数字功率放大器进行论述。 功率放大器的特点是能提供足够大的输出功率。功率放大器可以在输出 较大电压时输出较大的电流，以满足对输出功率的要求。因此，功率放大器 的输出电阻要小以便给负载提供足够的功率。就本质上来说，功率放大器实 际上是能量转换装置，也就是说把电源的能量转换成信号的能量，由于功率 放大器的实际效率肯定永远小于1 ，多余的能量将会转换成热能，所以一般 都会在功率放大器上装载散热装置。 功率放大器根据功放管的工作状态不同，可以分为甲类、乙类、甲乙类、 丁类等。甲类又称为a 类。在输入正弦电压信号的整个周期内，功率管一直 处于导通工作状态。其特点是失真小，但效率低、耗电多。乙类又称为b 类。 每只功率管导通半个周期，截止半个周期，两只功率管轮流工作。其特点是 失真小，但效率低、耗电多。甲乙类又称为a b 类m 1 。每只功率管导通时间 大于半个周期，但又不足一个周期，截止时间小于半个周期，两只功率管推 挽工作。这种电路可以避免交越失真，因而在高保真功率放大器中应用最多。 6 卜 k i 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i 丁类又称d 类，d 类功率放大器又叫开关型功率放大器，现在又有人称之为 数字功率放大烈7 。它采用无负反馈的放大电路，因此整个频段内无相对相 移。d 类功放不需要传统功放的静态电流消耗，所有的能量都是为输出而储 备，加之无模拟放大和负反馈的牵制，故具有很好的动态特性。另外d 类功 放还有无过零失真并且效率高( 理论上效率可达到1 0 0 ) 、可靠性高、体积 小等特点。在本论文中采用d 类功放。图2 3 是本论文的功放设计。 图2 3 功率设计原理图 2 2 2 控制部分设计 本论文的声纳系统工作的中心频率为1 2 5 m h z ，控制模块接收命令后， 会按照系统要求向发射机发送各种档位信息，包括信号的脉宽档位和功率档 位。其中脉宽档位共有4 档，分别为4 0 比s ，6 6 7 t s ，9 3 6 艘，1 3 3 3g s 。功 率档位共有8 档。要想满足上述要求，在本论文中采用p i c l 8 f 2 4 2 0 单片机嗍嘲 来进行接收控制模块发送的命令，并进行相应的响应。 p i c l 8 f 2 4 2 0 是m i c r o c h i p 出产的一款2 8 脚的单片机。p i c l 8 f 2 4 2 0 具有 低功耗，具有较高的拉电流和灌电流，在工作时可以选择备用运行模式、多 种空闲模式、动态模式切换，以及有多种振荡器选择的特点。根据系统的功 能要求，设计电路图如图2 4 所示。 7 l l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 4 单片机原理图 根据设计，在控制部分向发射模块发送命令后，发射模块要根据命令进 行相应的反应。图2 5 为单片机程序流程图。 图2 5 单片机程序流程图 8 哈尔滨工程大学硕七学何论文 另外，在发射机的调试时，匹配问题也是尤为重要的。在水声换能器匹 配方面需要考虑两个方面：一、通过匹配使变压器向换能器输出额定的电功 率，需要把换能器的阻抗变换成最佳负载，也即阻抗变换作用；二、由于换 能器有静电抗的原因，造成工作频率上的输出电压和电流有一定相位差，从 而使输出功率得不到期望的最大输出，使发生器输出效率降低，因此在变压 器输出端并联上一个感性的阻抗，使发生器负载为纯电阻，也即调谐作用h 嘲。 2 3 发射机的测试结果 将示波器连接到发射机的输出端，可以分别测出八个功率档输出的电压 峰峰值。测量加载在负载上的电压最大值和不同的功率档位如表2 1 所示。 表2 1 发射机各功率档位输出功率测试 功率档 12345678 位 电压 1 1 4 1 6 3 2 0 22 8 8 3 4 85 8 18 01 5 0 功率 0 4 wo 9 7 w1 5 w2 9 7 w4 4 w1 2 7 w2 4 2 w8 5 2 w 图2 6 和图2 7 分别是功率7 档和功率8 档的电压峰峰值波形图。由于示 波器所限，在表头在探测的时候使用了1 0 倍衰减。功率7 档所测电压峰峰值 为8 0 v 。功率8 档所测电压峰峰值为1 5 0 v 。 ： 。 蟾一盎辇渣 ； 麴率 ，八。、l 。厂厂、八，名焉孟 平= 铆蠢 ：把 图2 6 功率7 档的波形图 哈尔滨- t 程大学硕+ 学位论文 i 1 1i i 置宣置宣誓宣；暑；i 置i i i 葺i 宣宣昌i ；i i i ；昌；i i ；i 昌；i i i i i ；i ；暑宣；i ；i ；暑；暑；篁i i 葺 t e + k 几，5 协pm 0 5 ：2 8 8 0 肼：m 慧u r e c 2 4 本章小结 1 4 - j a n - 1 01 6 - 。210 h z 图2 7 功率8 档的波形图 本章开始对发射模块的原理进行了阐述，然后介绍了发射机的组成，并 根据原理和功能要求，对发射模块的硬件部分以及工程实现方法进行了设计， 并给出了软件设计流程，最后给出了发射模块的设计结果和调试结果。 1 0 l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章控制模块电路的设计与实现 本章将通过介绍成像声纳系统组成的方法来论述控制模块在整个系统中 的重要性。然后再分别介绍控制模块上不同功能电路的功能、特点、设计思 想和电路设计。最后简单的介绍了设计p c b 图的思想。 3 1 成像声纳系统组成 整个成像声纳系统总体是由两部分组成：水下部分和水上部分。水上部 分是一台p c 机。水下部分是由数据采集模块、发射机模块、控制模块和电 源模块4 个模块构成的。在水下部分另外还有两块起连接作用的数据转接板。 其框图如图2 1 所示。 图3 1 声纳系统框图 p c 机是水上部分。其主要有以下两个功能： 1 负责给控制模块发送命令，如设置距离档位，发射信号脉宽档位，发 射机功率档位。 2 接收控制模块最终处理的数据，进行存储和后期处理。 整个系统除了p c 机外，其它的都是水下部分。控制模块接收到上位机 发送的命令后，会在单片机内进行翻译，并且在单片机的相应管脚上进行高 低电平的变化，并将这种信息传送到逻辑控制芯片( f p g a ) 上。控制芯片 ( f p g a ) 接收到相应的信息，会给发射机模块发送相应的命令，使发射机在 要求的功率下进行工作。当基阵接收到回波信号后，数据采集模块会对数据 l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 进行采集。采集到要求的数据后，数据采集模块会给控制模块发送传输数据 的请求。控制模块响应请求后，把数据采集模块采集到的数据读到控制模块 内进行处理，最终把处理后的结果传送到上位机内，进行存储和后期处理。 其中处理后的结果会有两种方法传输到上位机上，一种是通过同轴的方式进 行传输，另一种是通过网络芯片来进行数据传输。 由此可以看出，控制模块是不仅是和水上部分沟通的桥梁，而且还要控 制水下各个模块的协调工作。即实现下行传命令，上行传数据的功能。控制 模块按照功能可分为：命令接收与处理部分、逻辑控制部分、数据处理部分 和数据传输部分。控制板设计框图如图3 2 所示。 控制模块的主要功能是如下： 1 接收并处理上位p c 机发送的命令信息，如开始，停止，设置功率发射 机的距离档位，功率发射机发射信号脉宽档位。 2 响应数据采集模块发送的数据传出请求，并做出相应处理。 3 读取并缓存数据采集模块的数据，处理后发送给上位p c 机，以备后期 处理。 本章重点介绍控制模块的硬件电路的设计。 图3 2 控制板设计框图 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 2 命令接收部分设计 3 2 1 命令接收部分设计原理 命令接受与处理部分在整个系统中是十分重要的，因为它是负责连接水 下部分和水上部分的重要桥梁之一。它主要负责接收水上部分发送过来的命 令和配置参数。当接收完成后，在m c u ( 单片机) 内进行翻译，然后根据翻 译后的结果改变相应的管脚电平状态。最终通过控制线指示逻辑控制模块的 f p g a 进行相应的操作。 命令的发送方式在这里采用r s 2 3 2 通信协议。r s 2 3 2 有如下特点：采 用直通方式，双向通信，基本频带，电流环方式，串行传输方式，d c e d t e 间使用的信号形态，交接方式，全双工通信。 r s 2 3 2 是个人计算机上的通讯接口之一，是由电子工业协会( e l e c t r o n i c i n d u s t r i e sa s s o c i a t i o n ，e 认) 所制定的异步传输标准接口。r s 2 3 2 是o s i 基 本参考模型物理层部分的规格，它决定了连接器形状等物理特性，以0 和1 表示的电气特性以及表示信号意义的逻辑特性。通常r s 2 3 2 接口以9 个接 脚( d b 9 ) 或是2 5 个接脚( d b 2 5 ) 的型态出现。在多数情况下主要使用 主通道，对于一般双工通信，仅需几条信号线就可实现，如一条发送线、一 条接收线及一条地线。所以采用d b 9 的接口方式。 为使计算机、电话以及其他通信设备互相沟通，现在，已经对串行通信 建立了几个一致的概念和标准：传输率，电特性。 1 传输率：所谓传输率就是指每秒传输多少位，传输率也常叫波特率。 国际上规定了一个标准波特率系列，标准波特率也是最常用的波特率，标准 波特率系列为1 1 0 、3 0 0 、6 0 0 、1 2 0 0 、4 8 0 0 、9 6 0 0 和1 9 2 0 0 。大多数接口的 接收波特率和发送波特率可以分别设置，而且，可以通过编程来指定，在这 里我们采用了9 6 0 0 的波特率。 2 r s 2 3 2 c 标准：r s 2 3 2 c 标准对两个方面作了规定，即信号电平标准 和控制信号线的定义。r s 2 3 2 - - c 采用负逻辑规定逻辑电平，信号电平与通 常的1 几电平也不兼容，r s 2 3 2 c 将5 v 1 5 v 规定为“1 ，+ 5 v - - + 1 5 v 规定为“o 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 2 2 命令接收部分电路 由于命令接收和处理部分的电路功能上的要求只有两点：接收水上部分 的p c 机通过串口所发送的命令，接收到命令后在单片机的管脚上转换成相 应的高低电平。所以在电路设计上主要是以要求的功能为依据进行设计1 0 h 1 1 1 。 具体电路图如图3 3 所示。 图3 3 命令接收处理部分的电路1 那3 1 命令接收与处理部分在硬件上的设计主要是由电平转换和m c u ( 单片 机) 芯片构成。 电平转换采用的是m a x m 公司生产的m a x 2 3 2 收发芯片。m a x 2 3 2 作 为电平转换芯片采用单5 v 供电，内部有两个发送和接收驱动器。因为只是 要实现简易串行数据传输，因此本设计控制板上采用9 针d 型连接器，在这 里只用到了t x d 数据线和r x d 数据线以及公共参考地。 m c u ( 单片机) 部分是主要的命令接收处理部分的核心器件，负责接收 串口命令，并将命令翻译后传给逻辑控制芯片f p g a 。因为在此部分的电路 上要求的功能和用途比较简单，故在选择上采取功耗小，资源相对较少的单 片机即可。经过考虑，选用a t m e l 公司的a t 8 9 c 2 0 5 1 。 a t 8 9 c 2 0 5 1 型号的单片机是高性能的c m o s8 位单片机，它采用的是 2 7 、，_ - 6 v 电源供电，时钟频率范围0 h z _ _ 2 4 m h z ，片内含有2 k b y t e s 可反复擦写的f l a s h 只读存储器，具有1 2 8 kb y t e s 的r a m ，共有1 5 个可编 程的i o 口线，6 个中断源，两个1 6 位定时计数器，有可编程串行的u a r t 通道，可以工作在低功耗空闲和掉电模式嘲。 p 1 口：p 1 口是一组8 位双向的i o 口，p 1 2 p 1 7 提供内部上拉电阻， 1 4 l l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 p 1 0 和p 1 1 内部无上拉电阻，主要考虑它们分别是内部精密比较器的同相输 入端( 刽时0 ) 和反相输入端( a i n l ) ，如果需要的话，应在外部加上拉电阻。 p 1 口输出缓冲器可以吸收2 0 毫安的电流，并可以直接驱动l e d 。当p 1 口引 脚写入“1 ”时可作输入端。当引脚p 1 2 呻1 7 用作输入并被外部拉低时， 它们将因内部的上拉电阻而输出电流。p 1 口还在f l a s h 闪速编程及程序校验 时接收代码数据。 p 3 口：p 3 口的p 3 0 _ - p 3 5 、p 3 7 是带有内部上拉电阻的7 个双向i o 口。p 3 6 没有引出，它作为一个通用的i o 口但不可以访问，但可以作为固 定输入片内比较器的输出信号，p 3 口缓冲器可以吸收2 0 毫安的电流。 单片机a t 8 9 c 2 0 5 1 的4 管脚和5 管脚连接时钟晶振。其中5 管脚( x t a l l ) 是振荡器反相放大器和内部时钟发生器的输入端，4 管脚( x t a l 2 ) 是振荡 器反相放大器的输出端，使用内部振荡电路外接石英晶体和陶瓷滤波器的方 法。根据电路要求，管脚1 2 ( p 1 0 ) 和管脚1 3 ( p 1 1 ) 需要外接上拉电阻。 2 管脚和3 管脚分别与m a x 2 3 2 的收发数据引脚r x d ，t x d 相连，接收串口 命令。并且根据串口命令，通过p 1 口的i o 管脚和p 3 口( p 3 2 p 3 5 ) 的i o 管脚的输出端给f p g a 传送命令；r s t 为复位引脚，r s t 一旦变成两个机器 周期以上的高电平，所有的f o 口都将复位到1 状态。 3 3 逻辑控制部分设计 3 3 1 逻辑控制部分的功能 逻辑控制部分不但要管理控制模块内各个部分的时序逻辑，而且还要控 制整个系统各个模块的时序逻辑。因此逻辑控制部分是整个控制模块内的核 心部分。控制逻辑部分的主要有以下三个功能。 1 接收到单片机的命令后，发送相应的命令给发射机，令发射机在指定 的功率和脉宽下进行工作。 2 接收到数据采集模块的请求后，响应该请求，并及时读取数据采集模 块上传的数据。 3 把读取的数据进行缓存，并传输到数据处理部分进行处理，最后将处 理后的数据上传给水上单元。 逻辑控制部分的功能框图如图3 4 示。 1 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图3 4 逻辑控制部分功能框图 根据功能，可能需要数据上传至控制模块后，不再进出d s p 处理，这样 f p g a 可以通过与其相连的同轴芯片将数据发送到p c 机。 3 3 2 逻辑控制部分的电路设计 目前在控制时序逻辑方面，设计的主体思路就是在不丢失功能的前提下， 要求灵活，简单，方便。 3 3 2 1 器件选择 虽然f p g a 和c p l d 结构各有其特点和长处，f p g a 芯片中包含的l u t 和触发器的数量非常多，往往都是几千上万。而且f p g a 内部有丰富的触发 器和i o 引脚，可以与c m o s 、1 几电平兼容。因此本设计采用f p g a 。 目前f p g a 的品种很多，有x i l i n x 的x c 系列、t i 公司的t p c 系列、 a l t e r a 公司的f i e x ，c y c l o n e 系列、x x 公司的a c t e l 系列等。我们常常接 触的f p g a 主要是a l t e r a 和x i l i n x 公司的f p g a 。 比较而言，a l t e r a 公司的产品在低端产品上价格相对便宜，性价比较 高，而且该公司的软件开发环境q u a r t u si i 比起x i l i n x 的开发环境i s e 有着 很大的优点，界面直白，上手容易，而且在仿真和编译上所需的时间较i s e 要少。 现在，a l t e r a 公司的主流f p g a 主要有两大类，一种是侧重低成本应 用，容量中等，可以满足一般的逻辑设计要求，应用于中低端领域，产品有 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 c y c l o n e 、c y c l o n e i i 等系列；另一种是侧重于高性能的应用，容量大，应用 于高端领域，产品有s t a r t i x 等系列。 c y c l o n e 系列是在a l t e r a 大获成功的第一代c y c l o n e 器件系列基础 之上，从根本上针对低成本进行设计的。c y c l o n ei i 系列的f p g a 有多种型号 供用户选择，表3 1 是c y c l o n ei i 器件的各种f p g a 产品的资源配置m 。1 5 1 。 表3 1c y c l o n ei i 系列f p g a 产品比较 器件 e p 2 c 5e p 2 c 8e p 2 c 2 0e p 2 c 3 5e p 2 c 5 0e p 2 c 7 0 逻辑单元 4 ，6 0 88 ，2 5 61 8 ，7 5 23 3 ，2 1 65 0 ，5 2 86 8 ，4 1 6 m 4 k r a m 块“k 比 2 63 65 21 0 51 2 92 5 0 特+ 5 1 2 校验比特) 1 ，1 5 2 ，0 0 总比特数 1 1 9 ，8 0 81 6 5 ，8 8 82 3 9 , 6 1 6钙3 ，8 4 05 9 4 ，4 3 2 0 嵌入式1 8 x 1 8 乘法器1 31 82 63 58 61 5 0 p u l s 2 24 4 44 最多用户i o 管脚 1 4 21 8 2 3 1 5 4 7 54 5 0 6 2 2 差分通道 5 87 71 3 22 0 51 9 32 6 2 从所需要的资源分析，选择了a l t e r a 公司的c y c l o n ei i 系列的 e p 2 c 3 5 f 4 8 4 c 8 型f p g a 。 3 3 2 2 器件时钟 c y c l o n ei i 器件支持最多达四个可编程锁相环( p l l ) 和最多1 6 个全局 时钟线，提供强大的时钟管理和频率合成能力，使系统性能最大化。这些p l l 提供的高级特性包括频率合成、可编程占空比、外部时钟输出、输入时钟扩 频、锁定探测以及支持差分输入输出时钟信号。 由于e p 2 c 3 5 f 4 8 4 c 8 型号的f p g a 具有特殊的时钟机制，它有全局时钟 布线资源，设计了专门的时钟缓冲与驱动结构，保证了全局时钟到达芯片内 部的所有可配置单元、i o 单元、存储单元的时延和抖动最小，所以它有专 门的时钟输入引脚，在设计时应该注意，外接时钟晶振的输出引脚应该接到 f t g a 专门的时钟输入引脚，晶振输出端和电源端外加滤波电容进行电源去 耦。 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 3 2 3 器件配置设计 现在对f p g a 的加载程序一般分为三种模式，分别是j a t g 模式、主动 ( a c t i v es e r i a l ) 模式和被动( p a s s i v es e r i a l ) 模式。其中这三种加载模式是通过两 种办法来实现的。一种方法是为了便于f p g a 功能的调试与开发，采用对器 件本身提供的j t a g 接口进行在线编程、加载。这种方法能够在开发过程中 快速的重复编程，直至达到设计要求。这种方法不需要外接e p r o m ，使用 起来简单方便。缺点是掉电之后程序自动丢失。另一种方法是在外部配置 e p r o m 进行程序的加载。这种方法分为主动模式和被动模式两种。这种方 法的好处是上电之后程序自动加载，掉电之后程序存储在e p r o m 内，不会 丢失。缺点是程序加载的时间比j a t g 模式的时间长。 表3 2 是c y c l o n ei i 器件的各个型号的f p g a 芯片匹配的外部e p r o m 器 件。其中打对号的是符合的配置器件。 表3 2 c y c l o n ei if p g a 的适用配置器件 支持c y c l o n ei i 器件 配置器件 e p 2 c 5e p 2 c 8e p 2 c 2 0e p 2 c 5 0e p 2 c 7 0 e p c s l e p c s 4- e p c s l 6 -_0 e p c s 6 4-_j e p c s 系列的配置芯片是s t r a t i xi i 和c y c l o n e 家族系列f p g a 用于主动 模式下载程序的e p r o m 。e p c s 系列的配置芯片用于配置的管脚只有4 根， 应用起来非常简便，工作的电压与f p g a 的i o 电压相同，都是3 3 v 。 根据e p 2 c 3 5 f 4 8 4 c 8 型号f p g a 的芯片手册，选用主动模式，匹配的配 置芯片只有e p c s l 6 和e p c s 6 4 ，选择e p c s l 6 配置器件。e p c s l 6 是串行器 件，存储容量1 6 7 7 7 2 1 6 b i t s ，选用主动模式配置时，m s e l 1 0 】要特别注意。 如果m s e l 1 。o 】这两个管脚的设置没有按照规定的方式配置，那么下载程序 的时候会提示下载失败，而且会导致j a t g 模式功能失效。 在所有的配置芯片中只有e p c s l 6 和e p c s 6 4 这两个配置器件支持快速 主动模式配置。所谓快速主动模式就是指配置时钟为4 0 m h z 。而其它的配置 1 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 器件的配置时钟都是2 0 m i - i z 的。因此选择e p c s l 6 配置器件时要把m s e l l 管脚置1 ，而m s e l 0 管脚置o 。 同时也要确保c o n fd o n e 、