（水声工程专业论文）水声遥控设备中显示控制系统的设计与开发.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) ：刁争节 日期：0 20 0 年；月22 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( 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) ：孝哗 日期：od d 年弓月z z 日 导师( 签字) ：乙勾t 纱 枷f 秒年弓月2 汨 f j t 图2 6 起始和停止条件 e 2 7 是一个完整的1 2 c 总线数据传输周期，其中发送到s d a 线上的每个 字节必须为8 位，数据传输必须带响应。 a c k n o w l e d c j e m e n t ( n o ) a c k n o w l e d g e m e n t b i t 靠o ms l a v eb i tf r o mr e c e i v e r 图2 71 2 c 总线的数据传输 1 2 c 接e l 模块结构阳如图2 8 所示： 1 2 圈蝌件 班 | 控麓 器网步 图2 81 2 c 接口模块 在本系统设计的过程中更关注的是：发送缓存( 1 2 c d x r ) 和接收缓存 ( 1 2 c d r r ) ，总线上的数据送到1 2 c d x r 之后，被拷贝到发送移位寄存器 ( 1 2 c x s r ) ，按位移出，送到s d a ；接收移位寄存器( 1 2 c r s r ) ，负责将 s d a 上的数据移入，合并成字节后，放到1 2 c d r r ，并将数据发送到数据总线。 2 3 3u a r t 通信 通用异步收发器u a r t ( u n i v e r s a la s y n c h r o n o u sr e c e i v e r t r a n s m i t t e r ) 遵 守一种通信协议( 数据链路层概念) ，衍生出多种总线接口标准规范，包括 r s 2 3 2 、r s 4 9 9 、r s 4 2 3 、r s 4 2 2 和r s 4 8 5 等，这些规范规定了通信口的电气 特性、传输速率、连接特性和接口的机械特性等内容。 控制板卡与触摸屏的连接主要使用了u a r t 的9 针串口( d b 9 ) 中接收数 据( r x d ) 和发送数据( t x d ) 引脚。通过设置控制板卡中单片机的发送控 制寄存器( u t c t l l ) 的时钟源选择位( s s e l l + s s e l o ) 来定义s m c l k = 8 m h z ， 并通过波特率选择寄存器( u b r 0 1 = 0 x 4 l 肘b r ll = 0 x 0 3 ) 和调整控制寄存器 ( u m c t l l = o x l l ) 来设置波特率为9 6 0 0 ，其他设置选项：字符长度8 位，无 校验位，1 位停止位。端i i p 3 6 ，p 3 7 用于u a r t 0 的t x d 和i d ，并使能接收 中断，当用户按下触摸屏的某个图片时就进入接受中断，标志位被置位从而 进入主控模块，进而实现用户的控制操作，具体的模块设计将在下章详细介 绍。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 4c 6 7 1 3 主要功能以及特点 水上信号处理机的四路数据采集器中采用了t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 b 作为主控芯 片观与f p g a 进行数据交换。由于采集器需要多通道串口进行数据传输以及波 形数据的实时处理能力，所以采用了具有快速强大的数据运算处理能力，同 时能够支持浮点运算的c 6 7 1 3 ，该芯片是t i 公司推出的3 2 位高性能浮点d s p ， 当工作在2 0 0 m h z 时，运行速度可达16 0 0 m i p s 。 c 6 0 0 0 系列d s p s 最主要的特点是具有8 个功能单元的高级v l l w 体系结构 的c p u ，包括2 个乘法器和6 个算术逻辑单元，每个周期能够执行8 条3 2 位指令， 是t m s 3 2 0 其他系列d s p 性能的1 0 倍；允许设计者开发高效率的类r i s c 代码， 从而加快开发速度；工业标准级的高效c 编译器；支持4 0 位的算术运算，为 各种应用提供高效存储器的支持等。 2 4 1c 6 7 1 3 的集成外设 图2 9t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 框图 如上图2 9 所示，c 6 7 1 3 有丰富的外设资源，高集成度给开发设计人员带 1 4 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 来了极大的方便，这也是本系统采用此芯片的主要原因之一。 下面主要介绍设计过程中用到的外设资源，c 6 7 1 3 软件实现部分保证了 数据的完整性，对信号检测算法进行优化，同时对c 6 7 1 3 ( 时钟由f p g a 提供 2 0 m h z ) 的p l l 控制器进行配置：s y s c l k 3 ( e m i f ) = 9 5 m h z ，s y s c l k l ( d s pc o r e ) = 1 9 0 m h z ，s y s c l k 2 ( 外设) = 9 5 m h z ，满足了系统设计的实 际要求。 2 4 1 1e d m a ，e m i f t m s 3 2 0 c 6 2 1 x c 6 7 1 x 系列d s p 中的增强型直接存储器访问( e d m a ) 控 制器执行所有二级高速缓存与外设之间的数据传输，这些数据传输包括高速 缓存存取、非高速缓存访问、用户可编程数据传输和主机访问等b 哪。 在本系统中之所以采用了e d m a 执行数据传输，主要是由于它有1 6 个通 道( 优先级可设，每个通道有各自的参数r a m ) 、连接数据传输链等特点。 e d m a 控制器由事件和中断处理寄存器、事件编码器、参数r a m 、地址产生 硬件组成。e d m a 控制器能够执行快速、高效的传输，通常用于乒乓缓冲、 循环缓冲等复杂的数据传输。 所有t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 器件的外部存储器接口( e m i f ) 支持外部器件的无 缝接口b 。e m i f 用于连接d s p 到外部存储器，具有很强的接口能力，提供了8 位、1 6 位宽的存储器读写能力来支持低耗r o m 存储器，在系统中主要用于 f l a s h 的烧写。c 6 7 1 3 的e m i f 包含统一编址的4 个存储空间c e 0 、c e l 、c e 2 和c e 3 ，数据总线宽度3 2 位，访问支持的字长为8 b i t 、1 6 b i t 矛f 1 3 2 b i t 。 2 4 1 2 接口资源 c 6 7 1 3 中提供了丰富的接口资源可以方便的与触摸屏显控系统的控制板 卡以及数据采集器上其他芯片连接，不仅优化了系统结构，而且大大提高了 系统的整体性能，根据项目中的实际应用，重点介绍下1 2 c 总线和m c a s p ： 1 1 2 c 总线：c 6 7 1 3 具有两个1 2 c 模块弘2 1 ，可以使c 6 7 1 3 很方便地控制外 设电路或与系统中的其它控制器相连接。主要应用在信号检测模块中，c 6 7 1 3 作为1 2 c 从设备，当控制板卡的单片机轮询的访问时便进入c 6 7 1 3 的1 2 c 中断， c 6 7 1 3 将检测信号的标志置位。 哈尔滨下程大学硕士学位论文 2 m c a s p ：c 6 7 1 3 集成了两个多通道音频串口( m c a s p ，m u l t i c h a n n e l a u d i os e r i a lp o r t ) m c a s p o 和m c a s p l 嘲。图2 1 0 描绘了m c a s p 的整体结构： 图2 1 0m c a s p 结构框图 由框图可见m c a s p 结构可以分为发送和接收两个部分，两者可以同步， 也可以以不同的数据格式( 根据实际需要进行配置) ，不同的主时钟( n - i 以 由内部，外部，混合提供) ，位时钟以及不同的帧同步( b u r s t 和t d m 两种模 式) 完全独立地进行工作。 m c a s p 支持多种的传输协议，在本系统采用的协议是2 个时间槽的t d m 流，由于是数据采集使用了接收部分，所以对以下内容进行配置： 1 ) 时钟( a c l k r ，a h c l k r ) 和帧同步( a f s r ) 。 2 ) 配置位长8 ，1 2 ，1 6 ，2 0 ，2 4 ，2 8 ，3 2 b i t s 时间槽长度。 3 ) 可配置为8 ，1 2 ，1 6 ，2 0 ，2 4 ，2 8 ，3 2 b i t s ( 小于或等于时间槽长度) 。 4 ) 时间槽内数据的排列方式( 左或右对齐) 。 5 ) 位的传输规则( 先传m s b 或先传l s b ) 。 6 ) 槽内没有使用位的填充( o 、1 或其他值) 7 ) 第一个数据的延迟时间( o ，1 ，2 个位时钟周期) 。 m e a s p 通过控制每个串行转换器( s e r i a l i z e r ) 的寄存器可以将串行口设 1 6 脚 脚 胁 一 一 撇 撇 一 哈尔滨：l 程大学硕十学位论文 置成发送、接收或者禁止。 2 4 2c 6 7 1 3 的引导方式 d s p s 的系统引导( b o o t l o a d e r ) 是指d s p s 上电之后，把可执行的程序加 载到其内部能访问的快速存储器中，实现d s p 正确运行的过程。c 6 0 0 0 系列芯 片提供了三种引导方式口1 ：不加载( 程序的在线调试) 、主机加载和外接f l a s h ( r o m ) 加载，目前使用较广泛的是第三种方式。 如图2 1 1 所示，本系统采用的是f l a s h 加载模式：d s p 上电后，进入复 位状态，c 6 7 1 3 的e d m a 控制器控制e m i f 接口从处于c e i 空问的f l a s h 中读 取固定大小的代码复制到地址0 处，但是由于大部分用户编写应用程序都超出 1 k b ，所以开发人员要在第一次引导所读取到的程序代码中编写二次引导程 序，以完成剩余程序和数据的载入，二级引导程序要被放在c e l 空间f l a s h 的起始处哆纠。 巨母f l a s h y - 一面 i 中断服务程序 2 5 本章小结 r 一一一一一一一一一i ：二次引导程序： 一一! 一c i n t 0 0 一 m a i n ( ) 在c 运行环境下，运行应 用程序 图2 1 1f l a s h 引导方式工作过程 本章主要介绍了水上分机显控系统的设计原理，包括v c + + 的编程环境， 相关总线以及触摸屏的选择，进一步讨论了显控系统的设计方案，结构和功 能的实现原理。 本章是显控系统设计实现的基础，以系统的设计需求和功能实现作为依 据，根据上位机软件系统和嵌入式的触摸屏系统分别详细介绍了u s b 和1 2 c 总线技术，以及第四章信号采集的实现涉及到的关于c 6 7 1 3 芯片的功能和集 成外设。 1 7 水上信号 接收、存储来 开发是显示和控制的具体应用。 3 1v c 显控系统 基于p c 机应用程序强大的处理能力，在设计时使用了v i s u a lc + + 开发显 控系统，主要是由用户对设备进行操作的程序。一个软件产品或软件系统也 有生存周期，即可行性分析和项目开发计划、需求分析、设计( 概要设计和 详细设计) 、编码、测试、维护等活动。 3 1 1 可行性分析 可行性分析是为释放器水上单元显控系统开发的可能性、可行性、必要 性提供论据，对整个系统的分析、设计过程做出一个完整的论证为目的。释 放器水上单元显控系统是采用高速主机接口u s b 技术的显示控制软件。 1 要求：以实现系统自检，信号发送和数据采集、显示、后置处理等多 项操作，时间期限为一年。 2 硬件条件：p c 机，u s b 接口线 运行环境：w i n d o w sx pp r o f e s s i o n a l 开发软件：v i s u a lc + + 开发限制：开发时间短 效益 成本；技术可行，现有技术可承担开发任务；功能完善，软件能 被操作人员快速接受。 3 技术可行性：采用v i s u a lc + + 开发，它是功能强大、行之有效的可视 化编程工具，在硬件平台搭建好的基础上对设备进行控制，输入的是设备参 数和待处理的数据，输出的是图形和处理后的数据，处理过程主要是以理论 知识为依据的数学运算；经济可行性：开发需求不复杂，加上成熟的软硬件 环境、系统目标明确和开发周期较短，人员经济支出有限。开发完成运行后， 为使用者带来便利，为系统的进一步推广创造了条件，经济收益将远超过投 1 r 资。根据以上分析此 3 1 2 需求分析 1 功能需求：生成正确的配置信息和波形文件是信号发送的关键；要求 有文件( 配置，波形文件等) 存储功能，提示性语言( 如错误，连接成功) 等。 2 性能需求：软件运行稳定且可升级( 代码规范且模块化) ，信号波形 数据要求计算准确( 波形分类化) ，数据采集的过程不丢数据( 通道独立化) ， 图形的显示要求多样化( 显示直观化) 。 3 用户界面需求：每个界面力求统一，操作方便。 3 1 3 总体方案设计 为了完成主计算机与各设备间的通信，软件设计力求模块化的设计思想， 整个用户界面分成几个大的控制区域雎q ：自检和参数配置界面，数据采集控 制和任意波形发生器控制界面。每个界面都有对应的显示控制类，显示控制 类各自独立运行。控制系统的结构框图如图3 1 所示： 释放器水上单元显控软件 参数设置 ( c c o f s e t ) 自检il 接收设置ll 波形显示 耋蓁ll 薹 | 熏ii 径i f 挟f t 发送 通道一通道二 ( c w a v e s e t ) 剿障 雏惟 向lj 式li 示 导 系统设置 ( c s y s s e t ) ff 显 触ll 示 发il 参 方li 数 式lj 设 i 置 图3 1p c 机显控系统的结构框图 根据工程要求，应用程序主要通过u s b 接口与硬件进行通信，为了保证 数据的连续性和准确性，设计的关键主要有以下几个方面： 1 与u s b 设备的连接，断开和状态的显示，使用t a p i 函数保证与u s b 之间的通信。 1 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 为了区分不同波形( 函数波形和特殊波形) ，约定好的通信协议和文 件名称。发送波形的数据计算公式和结果验证。 3 保证回放采集数据的过程不影响数据的实时存储。区分四个采集通道 的波形数据，实现波形的延展，缩放等功能以及回放数据过程中一些必要的 操作。 4 为了界面的美观性，增加图形的颜色，坐标等设置的灵活性口刀。 下一节将详细介绍解决以上难点的方法和主要模块的详细设计。 3 1 4 各个模块功能实现 本节重点介绍所释放器水上单元显控软件的主要模块的设计。其中属性 页类( c t a b s h e e t 类) 实现了各个界面灵活的添加和删除。保证整体的完整性 和模块之间功能的独立性，在搭建好的框架下，分别对各个模块进行设计。 3 1 4 1 设备自检模块 1 波形发生器的连接：在程序中调用w i n d r i v e r 生成的应用程序级a p i 函数和它提供的库函数来实现对硬件的驱动。将生成的l i b h ，l i b c ，d i a g c 文件加入工程中，通过函数w d ui n i t 开始监听设备匹配的标准，并注册通知 回调这些设备，断开设备使用w d uu n i n i t 函数。 2 四路采集器的连接：所有的u s b 设备都包含至少一种设备配置，而每 一种配置又包含一个或多个接口，u s b 接口通常包括一个或多个端点。在程 序中需包含c y a p i 1 i b 文件，作为w i n d o w sa p i 的一种替代方案，l x s t u d i o 提供 了一个面向对象的类库c y a p i 1 i b ，它可用作- 与c y u s b s y s 驱动程序相连的优 选编程接口，其中有精确反映q u s b 这种结构的c c y u s b d e v i c e 类，并调用 o p e n i 函数来识别设备，断开设备用c l o s e 函数。 3 系统设置：在许多的专业系统软件中都有关于系统一些辅助设置功 能，如用户可以随时调整界面的尺寸、图片的显示方式、显示系统的实时时 间等。为了完善系统，在软件中增加了系统设置界面，可以丰富界面中图形 显示的方式，如更改颜色、x 、y 轴的坐标显示方式、帮助文件等。 3 1 4 2 信号发送模块 信号发送界面主要分为三个部分：波形数据的文件生成单元，波形的显 示和数据传送单元。通过w d ut r a n s f e r b u l k 函数进行u s b 的块传输，其中指 定了传输的设备、缓冲区的大小、管道号等。程序下传控制指令和波形数据 给d s p ，d s p 内开辟两块存储器空间，作为波形数据和波形参数传输的交换 区，充分利用d s p 多总线的特点，并利用u s b 中断，快速完成主控机与d s p 之间的数据传输。 如图3 2 所示，信号可以通过两个通道进行发送，每个通道设置区域的值 可以不相同，这样用户可以灵活方便的控制任意波形的发送。 图3 2 信号发送界面的流程图 在设计的过程中创建了的几种基础类： 1 i n i 文件类：系统提供的w r i t e p r o f i l e i n t 等函数写到注册表或系统i n i 文件 里，调用比较麻烦，所以参照写了一个读取当前目录下i n i 文件的类，完成信 号波形基本信息配置的读和写。例如i n i f i l e s e t s t r i n g ( ”s e c t i o n ”，”i t e m ”，” 设置值”) 等。 2 创建波形向导类：在波形参数配置的文件路径下生成波形数据文件 ( s i g 和d a t 文件) 。任意波形发生器的主要作用就是为整个系统提供发射 信号，现以l f m 脉冲为例，简单介绍波形数据的计算公式： 1 ) 线性调频信号的表达式为口硼： y = a c o s ( 2 n f t + n c t 2 + 缈) ( 3 1 ) 其中a 为信号的幅度，在本系统中幅度a 可调，相位为伊= 0 ，调频斜率k 2 l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 可变。由上式得到的l f m 脉冲经过数模转换，信号在幅度【一2 5 ，+ 2 5 】之间 进行1 6 b i t 量化。 2 ) 计算公式为： a 1 f 弦波： d a t a a r r a y i 】= a m p x s i n 2 z x ( f r e m i n + 0 5 x s t e p x i x c y c ) x i x 咖】( 3 2 ) b ) 方波： d a t a i 】- ( w o r d ) ( d a t a a r r a y i d v ) + 0 x 8 0 0 0 ( 3 3 ) 其 1 h a m p 为幅度，f r e m i n 为起始频率，s t e p 为调频斜率，d v 为电压分辨率。 3 根据要求用户在运行程序的过程中，对于窗口的放大和缩小不会影响 到整体的布局，为此利用o n i n i t p o s i t o n ( c r e e td l g r e c t ) 函数将各个控件的位 置加以界定，防止出现界面区域之间的重叠。 4 在任意波形发生器的d s p 控制模块中，利用d s p i 为部的1 2 c 模块口9 1 与其 它1 2 c 设备通信。当操作人员控制触摸屏发送信号时便进入c 5 5 0 9 的1 2 c 中断 服务程序，通过读取1 2 c d r r 寄存器的值来判断发送的命令，并触发d s p 内部 程序模块直接计算和生成波形数据和波形参数，并且暂存于d s p 内开辟的另 外两块存储器空间内。图3 3 为任意波形发生器的软件工作流程： l i s p i 就 晕 图3 3 任意波形发生器软件工作流程图 3 1 4 3 数据采集模块 水上分机中的数据采集器是一种具有现场实时数据采集、处理功能的自 动化设备，它为现场数据的真实性、有效性、实时性、可用性提供了保证， 并能方便地输入计算机，因此在数据采集的界面中主要分为两个控制区域： 四路通道的实时采集并存储( 采集时间可设定) 、各个通道的数据波形显示。 在此模块中应用程序向采集板卡发出命令，数据被打包经u s b 总线传递给应 用程序中开辟的空间内，之后程序根据四个通道存成不同的文件，数据被记 录下来后可以通过文件选择将信号波形分通道的直观显示出来。 界面的工作流程如图3 4 所示：为了保证数据采集的实时性，使用m f c 类 库实现多线程的程序设计，用全局函数a f x b e g i n l l 鹏a d p 伽来创建并初始化线 程的运行。 图3 4 数据采集界面的流程图 为了完善功能，这部分的设计具有以下特点： 1 采用图形化用户界面，显示直观，操作方便、灵活。将采集来的信号 进行f f t 变换，方便对信号频率的查看。创建一个基于c d i a l o g 类的f f t 算法p u 类，利用函数f o u r ( f l o a t * d a t a ，u n s i g n e di n tn n ，i n ti s i g n ) 生成新的数组进行 频谱的绘制。 2 创建了一个基于c w n d 类的c o c u r v e c t r l t i 拄1 线类，该类主要是利用 功能函数，如画点，线，x 和y 轴的范围设置，区域的缩放等。在程序设计过 程中，充分利用了基于消息、事件驱动的程序对事件响应的优势，由鼠标事 件来进行缩放、平移、恢复原始比例等特殊显示控制。例j t l l 要求缩放时， 将鼠标光标落在显示区内，按下右键拖动鼠标来确定要放大显示的范围：双 击左键图像恢复原始比例；波形显示网格的标度要求由波形的幅度变化而进 行调整。 c o c u r v e c t r l 曲线类是v c 显控系统中绘图的核心部分，在曲线类中含有 丰富的显示控制代码，它类似于示波器的显示界面，通过对c d c 类的三个对 象：网格虚线( m d c g r i d ) 、波形曲线( m d c p l o t ) 、坐标显示( m d c u n i t ) 来完成对图形的直观显示。其中o n d r a w l i n e ( d o u b l ed a t a a r r a y 】，i n td i m e n ) 函数完成对确知大小的波形数据进行逐点描绘。 图形的缩放功能借助c r e c t t r a c k e r 类来完成的，该类的作用是在图形的 显示区随意选中一块区域，这时就会出现由虚线组成的矩形框，通过改变大 小进行波形的重绘、坐标轴的改变等，该类也被城为“橡皮筋 类。 3 数据的采集：首先获取u s b 设备的句柄，之后向c y 7 c 6 8 0 1 3 的块端点 发出命令，使硬件系统开始工作，之后复位管道准备接受数据。其中使用了 c y a p i 1 i b 提供的b e g i n d a t a x f e r 、w a i t f o r x f e r 和f i n i s h d a t a x f e r t 3 引等异步i o 机 制，f i n i s h d a t a x f e r 中d e n 参数表示的是实际传送数据的个数，并非开始传输 设定的最大值。这些方法使得程序设计人员能够在开始处理返回数据之前预 先加载一个传送队列，该方法使得软件开发人员能够保持足够的可用传送缓 冲器，这样就无需中断设备而去等待更多的可用缓冲器。 3 2 小型化触摸屏显控系统 作为水上分机机箱上最为突出的显控设计触摸屏，它不仅是一个独 立的系统，也是便携式产品的标志之一。该系统是以触摸屏的控制为核心内 容，以对其他板卡的控制为主要目的，显示控制系统的软、硬件是紧紧围绕 以上的基本要求设计和实现的。机箱的前后面板是利用c a x a 电子图板工具 设计并加工而成的，根据各个板卡的大小对机箱进行布局和安装。 3 2 1 总体方案设计 2 4 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 此系统设计开发出显示控制板卡，主要完成显示控制操作。硬件平台的 单片机是控制部分的核心，一方面是通过串行口根据传送的具体协议对显示 屏幕的发送和接收进行控制。系统的构成如图3 5 所示，拟采用特定字符数组 的通信协议完成操作。另一方面是通过1 2 c 总线对波形发生、信号采集以及通 信板卡的d s p 进行控制，以完成信号的发送，回波信号的方位信息显示以及 通信板块的参数配置等操作。 图3 5 触摸屏显控系统的构成 3 2 2 控制板卡的硬件设计 3 2 2 1 功能指标 本课题研究的水上分机显控系统中控制板卡的主要功能指标： 1 给l j d z n 一4 3 0 0 t 液晶显示终端供电：直流电源5 v 。 2 通过r s 2 3 2 接口对显示终端的控制。 3 d s p s 与单片机之间通过1 2 c 总线进行通信。 4 提供准确时问和校准触摸屏的时间。 3 2 2 2 主要器件选择 作为水上分机主控的重要部分，在设计过程中对其操作的准确性，稳定 性和可靠性有较高的要求，同时为了系统小型化的设计原则，硬件设计规模 也要仔细考虑。因此，在芯片选择时着重考虑了上述因素。 1 单片机m s p 4 3 0 f 1 6 1 l 主控部分的单片机采用t i 公司生产的m s p 4 3 0 f 1 6 1 1 。m s p 4 3 0 系列单片机 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 是一种1 6 位超低功耗的混合信号处理器，其特点： 1 ) 独特的时钟系统设计可以保证c p u 和各个模块所需的时钟，有一种活 动模式和5 种低功耗模式，而且可使用电池供电。 2 ) m s p 4 3 0 系列单片机集成了丰富的片内外设，本板卡所用的主控芯片 m s p 4 3 0 f 1 6 11 就包含了：1 6 位定时器( t i m e ra 、t i m e rb ) 、较高转换速率 的1 2 位a d 、多功能串口( u s a i h 0 、1 ) 、1 2 c 模块、端口p 1 p 6 、d m a 模块、 看门口( w d t ) 等，为系统实现方案提供了极大的方便。 3 ) m s p 4 3 0 单片机有三种时钟源可以选择提供给a c l k 、s m c l k 、 m c l k 。其中l f x t l 提供给外围设备3 2 7 6 8 h z 的时钟，l f x t 2 可以提供高达 8 m h z 的时钟供单片机运行使用。 4 ) 强大的处理能力：m s p 4 3 0 系列芯片是1 6 位单片机，采用了精简指令 结构，具有丰富的寻址方式；片内寄存器数量多，存储器可实现多种运算， 有高效的查表处理方法，这些都可以保证编出高效的程序。 5 1m s p 4 3 0 f 1 6 11 ( f l a s h 型) 内有j t a g 调试接口，还有可电擦写f l a s h 存储器，可以通过j t a g 接口下载程序至i j f l a s h 中，这种方式只需要一台电 脑和一个调试器就可以完成程序的下载，开发人员很方便的通过j t a g 接口控 制程序的运行以及读取存储器的内容等。 2 数字信号处理器t m s 3 2 0 c 5 5 0 9 a 采用7 t i 公司的d s p 产品t m s 3 2 0 c 5 5 0 9 a ，它是一款超低功耗的1 6 位定 点d s p ，与c 5 4 x 相比具有卓越的数字运算能力p 叫( 两个乘法与累加器m a c ， 增加了累加器a c c ，算数逻辑单元a l u 等) ，最高时钟频率可达2 0 0 m 。在设 计中考虑到关于它的编程技术应用广泛且成熟，在控制板卡中与单片机进行 通信完成一部分辅助控制功能。 3 实时时钟芯片d s 3 2 3 1 采用的是美信公司的低成本、高精度1 2 c 实时时钟( i 盯c ) ，具有集成的 温补晶振( t c x o ) 和晶体。r t c 保存秒、分、时、星期、日期、月和年信 息。少于3 1 天的月份，将自动调整月末的日期，包括闰年的修正。时钟的工 作格式可以是2 4 d 时或带a m p m 指示的1 2 d 时格式。提供两个可设置的日历 闹钟和一个可设置的方波输出。地址与数据通过1 2 c 双向总线串行传输。在本 系统中，利用- j d s 3 2 3 1 来显示系统的当前时间和触摸屏的时间校准，在与通 哈尔滨：l 程人学硕士学位论文 信板卡通信中需要通过访问d s 3 2 3 l 来进行定时操作。 4 电平转换芯片m a x 3 2 3 2 在设计过程中单片机与串n r s 2 3 2 的电平转换采用了m a x 3 2 3 2 ，它是标 准的r s 2 3 2 电平转换芯片，具有较低的功耗，l u a 的关断电流适合于低功耗的 场合。在3 v 到5 5 v 电压供电的情况下，仅需4 个0 1 u f 的电容作为电荷泵即可 输出标准r s 2 3 2 电平。m a x 3 2 3 2 的在普通模式下传输速率可以达至u 1 2 0 k b p s ， 在m e g a b a u d 模式下可以高达1 m b p s 。 3 2 2 3 电路硬件实现 控制部分的p c b 原理图如图3 6 所示： 图3 6 控制板卡部分p c b 图 3 2 3 各个模块功能实现 软件实现的过程中，程序不仅有条清晰的主线路进行控制，而且相应 的辅助模块成为主程序条理有序的基础。设计主要分为三大部分：1 2 c 模块 2 7 哈尔滨工程大学硕七学位论文 ( 1 2 c r o u t i n e s c ) ，显示屏控制模块( d i s p l a y c ，f u n c t i o n c ) ，主控模块( m a i n c ) 。 其中显示屏控制模块是显示屏图形文字的布局以及根据其产品自带得一些控 制命令、数据格式所编写的函数。 3 2 3 11 2 c 模块 在本系统中，控制板卡的单片机作为1 2 c 主设备，其他板卡作为从设备， 每个从设备有一个唯一的7 位地址，单片机根据不同的地址对不同的从设备进 行访问并进行相应的控制操作。m s p 4 3 0 f 1 6 11 内部的1 2 c 模块的传送模式为主 从式，可能运行在主发送、主接收、从发送或从接收方式四种方式【3 4 1 ，本应 用系统为单主系统，所以单片机只运行在主发送和主接收方式。 1 主发送模式： m s p 4 3 0 f 1 6 1 1 中的1 2 c 控制器是通用串行同步异步u s a r t 外围模块中 的一部分，u s a r t 0 可进行得传输模式有u a r t 、s p i 、1 2 c ，所以在传输之前 要选择正确的模式，必须设置s y n c 位才能选择s p i 或1 2 c 模式，当s w r s t = i 时，设置s y n c 位选择s p i 模式，当s y n c = i 时设置b i t 5 选择1 2 c 模式。主发送 程序流程图如图3 7 所示： 图3 7 主发送程序的流程图 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 在主模式中，发送传输控制寄存器1 2 c t c t l 中的1 2 c r m 、1 2 c s t t 、1 2 c s t p 三个位来控制传输。在m s t = i 时，选择1 2 c t r x 位决定操作类型时接收还是 发送。在系统中根据芯片不同的数据传输要求，将1 2 c n d a t 中定义发送的字 节数( 1 2 c r m = o ) 设置不同的值，例如对e e p r o m 的数据传输就需要1 个控 制位和2 个数据位。启动数据发送时将1 2 c s t t 置l ，数据传送开始后将1 2 c s t t 清零。停止数据发送时将1 2 c s t p 置1 ，数据传送停止后将1 2 c s t t 清零。 2 主接收模式： 主接收程序流程图如图3 8 所示，在主发送模式中，一旦从地址字节和读 写方向发送之后，通过设置1 2 c t i = 0 即可进入主接收模式。 图3 8 主接收程序的流程图 3 1 2 c 模块中断： 1 2 c 模块的8 个中断源共用一个中断向量，每个中断有单独的中断使能控 制位，对应的中断标志会产生中断请求，当1 2 c i e = t x r d y i e 为使能发送准备 好中断，1 2 c i e = r x r d y i e 为使能接收准备好中断，之后进入中断服务后根据 不同的中断进行处理，在接收的过程中将上面提到的数据接收寄存器的值存 储到特定的数组中；同样的发送模式中将待数据送到发送数据寄存器中，当 数据传送完成后将发送中断使能无效。由于波形的一些参数可能为小数，所 2 9 4 在软件设计过程中，1 2 c 模块的实现作为独立的一部分内容，调用相 应的函到3 5 1 实现通信，关键函数如表3 1 ： 表3 1 关键函数 名称描述 v o i di n i t l 2 c ( v o i d ) 1 2 c 初始化 v o i d1 2 c w r i t e l n i t ( v o i d ) v o i d1 2 c r e a d l n i t ( v o i d )1 2 c 写读操作初始化 v o i db y t e w r i t e 对指定从设备的写操作 ( u n s i g n e ds h o r td a t a ，u n s i g n e ds h o r ta d d r ) u n s i g n e dc h a rr e a d ( u n s i g n e ds h o r ta d d r ) 对指定从设备的读操作 u n s i g n e da c k p o l l i n g ( v o i d ) 等待响应 3 2 3 2 主控模块 在主控模块中，主要通过u a r t 口与触摸屏之间的通信来完成例如波形 参数的设定、各个界面的切换等。控制模块按其功能可以分为：准备程序， 按键功能程序和显示程序。准备程序包括： 1 初始化：在程序开始进入控制界面时，要进行一些初始化：时钟和系 统端口的初始化；液晶显示器存储单元的初始化等。 2 系统自检：通过1 2 c 总线检查要控制的设备功能是否正常。 3 显示屏按键等待：如果触摸屏的指定位置( 每个界面有自己位置判断 函数) 点触时，便进入功能程序控制。功能程序是一组由散转指令和标示位 控制选择的，每个模块完成按键所指定的功能。它包括： 1 ) 键识别程序：根据键按下的位置进行判断后，将相应标志位置位并转 入相应的处理程序。 2 ) 键处理程序：根据不同的界面控制的要求，将字符存入输出的缓冲区 内，之后将其内容输出至外设。显示程序是将按键相关内容如实反映在液晶 屏上，包括参数名称、数值，自定义图片等。 在系统的显示方面也是利用属性页的形式，主界面可以分为信号发送， 信号检测，通信三个控制区，由于每个控制区都涉及至1 1 2 c 总线，为了避免之 间冲突，所以采用控制板卡作为1 2 c 主设备。主界面的流程图如图3 9 ： 3 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 声学释放器水上分机控制台 信号发生信号采集il 通信板卡 信号波形选择il 设置检测门限 波形参数设置i 监听 连接自检 波形释放 定时确认 i 2 c ( 特定的指令) 通信板卡 图 在这种嵌入式的触摸屏控制系统中，界面灵活方便的操作成为核心内容， 这点也是设计过程中力求达到的目标。其中相关的技术有：1 由于屏幕分辨 率一定，所以图片的选择和定位要求严格。2 通过不同标志位的置位或清零 来完成不同页面的操作。3 约定好的通信协议方便发送操作。4 在与参数设置 相关的页面中，通过模拟的数字键盘完成操作和存储。 3 3 本章小结 本章作为论文部分工作量的具体体现，主要介绍了高可靠性声学释放器 水上分机显控系统的软硬件设计与实现过程。 首先描述了基于u s b 总线的v c 显控系统的需求分析，总体设计和各个模 块的详细设计以及实现过程：接着介绍了基于1 2 c 总线的小型化触摸屏的总体 设计，控制板卡的硬件结构和实现，以及各个模块的功能开发。这部分内容 是本论文的主要内容，具有一定的工程应用价值。 哈尔滨：j ：程大学硕十学位论文 第4 章信号采集和检测 在释放器被放置一定距离的时候，由于释放器中的发射换能器声源级低， 在人耳听不见的情况下，为了配合实际的需求，利用水上分机基本框架下的 设备检测释放后的应答信号。在搭建好的四路数据采集器的硬件平台上，应 用d s p 芯片进行信号采集进而实现对回波信号的检测，当检测到信号时在触 摸屏上显示，直观方便。 4 1d s p 与f p g a 之间的通信 高可靠性声学释放器水上分机要对水下设备进行监控并对接收到的数据 进行处理( 波形显示、信号检测等分析) ，图4 1 为四路数据采集器的原理框 图，采来的数据由p c 显控应用程序通过u s b 2 0 接口记录存储起来( 此部分已 经完成) 或者送到d s p 芯片进行实时处理，所以在部分完成的基础上进一步 实现c 6 7 1 3 的数据传输，要求与u s b 异步传输。 i 。= 。： 图4 1 数据采集器基本构成 4 1 1 接口设计 在数据采集器硬件系统中，逻辑控制模块由f p g a 完成，主要负责f p g a 与a d ，f p g a 与d s p ，f p g a 与u s b 接口控制模块等多种硬件接口实现，以及 负责进行接收数据缓存，f p g a 器件采用a l t e r a 公司生产的e p l c 6 q 2 4 0 c 8 1 3 6 1 。 采用1 6 b i t 的a d 7 6 7 9 与f p g a 的接口设计保证了a d f i 皂够按照1 0 0 k h z 采样频率 3 2 哈尔滨t 程人学硕士学位论文 工作。在保证f p g a f l 皂将读取到的准确数据送到内部开辟的两个r a m 中为前 提，完成u s b 和d s p 多通道串口的数据传输。 f p g a 与d s p 接口电路设计：本系统中f p g a 与d s p 的数据传输是通过多 通道串口进行的。f p g a 完成并串转换，并提供外部时钟，帧同步。图4 2 所 示，将相应得信号线连接到f p g a 的通用i o 管脚上。对于接收部分，f p g a 按照接口协议提供串口的发送时序，而d s p , 贝u 与f p g a 相配合，按照设定的时 序进行数据接收。 i ) s p _ a i t c l k r 0 d s p a c l k r 0 ， f p g a d s p _ a f s r 0 d s p l 逻辑控制 处理模块 悃0 8 邺r ： 图4 2 数据采集器m c a s p 接口示意图 4 1 2 时序设计 t d m 模式：图4 3 为4 个s l o t 的t d m 格式数据传送的例子，仿照这种形 式，设计中采用2 个时间槽的t d m 流，具体的数据格式将在之后m c a s p 的数 据传输中讲述过。 猷 nr r 门门几门门nnnnnn 几几nn 门一n 鹋厂厂 图4 3t d m 传输模式 结合图4 4 所示的m c a s p 接收数据的时序图来进行设计，在定义好数据格 式前提下，f p g a 确定了接收数据时钟和帧同步的频率，并通过并串转化将乒 乓r a m 中的数据传送给a x r n 。 鳓盎。酬“l 以 a x r , m 融耐嘲 a oaa30a 3 18 0 b 1b 3 0b 3 1c o c 1 图4 4m c a s p 接收数据时序图 为了保证m e a s p 数据传输的准确性，对d s p 的操作主要有以下几个步骤 1 由于四个通道的采样速率为4 0 0 k h z ，r a m 大小为1 k ，故乒乓r a m 传输间隔为2 5 0 0 z s ，设计中m c a s p 0 的接收时钟设定为( d s pa c l k 0 ) 2 0 m ， 帧同步的频率为5 0 0 k h z ，那么在u s b 乒乓r a m 传输期间完成d s p 的串口数据 传输是可以实现的，因此设计了r e a dc o n v e r t 时序，在u s b 传输过程中 为低电平，m c a s p 0 传输时为高电平，仿真实现的结果如图4 5 所示( t e s t l 管脚的输出为r e a dc o n v e r t 时序) ： m i “ 0 0 埘咖啊 口1 曲i 岱 口2 删肺 寸3 腑n 啻tt 啊i 学s i 肺 啻6蕊 口tt 雠 岱8 嘟 备9固姗 图4 r e a d c o n v e r t 时序 2 当r e a dc o n v e r t 为高电平时，根据r a m 读数据的使能信号和时 钟信