硕士学位论文-基于CPCI的声纳信号处理机研究.doc
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1、各专业完整优秀毕业设计图纸学校代码10699分类号TN911密级学号2009200366题目基于CPCI的声纳信号处理机研究作者学科、专业信号与信息处理指导教师申请学位日期2012年3月分类号:TN911 学校代号: 10699 密 级: 学 号: 2009200366 西北工业大学硕 士 学 位 论 文(学位研究生)题目: 基于CPCI的声纳信号 处理机研究 作 者: 学科专业: 信号与信息处理 指导教师: 2012年3月 Research of Sonar Signal ProcessorBased on CPCIByDaolu MOU Supervisor: Shenggang YanA
2、t theCollege of MarineNorthwestern Polytechnical UniversityMarch, 2012摘 要本文以声纳信号处理机各种工作模式下的信号采集、处理与记录为应用背景,基于CPCI(Compact Peripheral Component Interconnect)总线与以太网技术、多DSP技术,FPGA技术,采用相应高性能器件,设计了一种基于CPCI的多DSP声纳信号处理机。研究了声纳信号处理机在各个工作模式下的信号处理方法,以及常用信号处理机的硬件架构,根据相应的系统功能和技术指标要求,选择了相应的器件,最终提出了以双ADSP-TS201作为算
3、法的载体,CycloneIII 系列的FPGA和BF527作为控制核心,网口和CPCI作为数据交互渠道的系统整体方案。为增强系统通用性和扩展能力,对系统进行了模块划分,并对各硬件模块进行详细设计,主要包括网口、数字隔离、DAC音频输出、CPCI桥、DSP以及FPGA及其外围电路的设计;分析了系统的功耗要求,提出了电源设计方案;同时,研究了高速数字系统的PCB设计技术,完成了系统的PCB设计。以主被动声纳以及主被动浮标等模式下的声纳信号处理机为应用对象,设计了系统的数据流,完成了FPGA程序的设计,BF527程序以及TS201测试程序的编写,并在此基础上设计了系统软件框架。通过系统软硬件的调试,
4、设计实现了系统在声纳状态和浮标状态下对信号的接收、预处理、发送、数字信号处理等功能,通过应用系统的功能验证,证明了系统设计的正确性和有效性。本文设计的基于CPCI声纳信号处理机系统具有集成度高、技术先进、灵活性通用性强等优点,在实际的工程应用中具有重要意义,技术方案也有巨大的推广价值。关键字:声纳信号处理机 CPCI总线 以太网 W5300 FPGA技术 ADSP-TS201 BlackFin527I西北工业大学硕士学位论文 AbstractAbstractWiththesignalacquisition, processing and record of sonar signal proce
5、ssor under various work models as the application background, a new multi-DSP sonar signal processor, which is based on CPCI bus, Ethernet technology, multi-DSP technology and FPGA technology, using relevant high-performance devices, is designed in this thesis.In this thesis, the signal processing m
6、ethods of sonar signal processor under various work models and the commonly used hardware architecture of signal processor were discussed. According to the relative system function and technical performance requirements, the relevant devices are chosen to the final design of overall system, which re
7、gard double ADSP-TS201 as carriers of algorithmic, CycloneIII series of FPGA and BF527 as control center, Network interface and CPCI as interactive channels of data.In order to increase the flexibility, adaptability and expansion capability of design, the system was divided into different modules wh
8、ich are provided a detailed design. It mainly includes the network interface, digital isolation, DAC audio output, CPCI Bridge, DSP, FPGA and peripheral circuit. By researching The high speed digital system of PCB design technology, the PCB of this system was completed. Meanwhile, the power source d
9、esign scheme was put forward after analyzing the system power requirements。With the application object of sonar signal processor in the states of active sonar, passive sonar, active buoy and passive buoy, the data flow of the system was designed. After completing the FPGA program, BF527 program and
10、the TS201 test program, the system software framework was achieved at last. Through hardware and software debugging of system, the system function of signal receiving, pretreatment, transmission, and digital signal processing is realized in the states of sonar and buoy. By the application of the sys
11、tem functional verification, the systems correction and availability is proved.The design of sonar signal processor system based on CPCI in this paper has the advantages of high level of integration, advanced technology, High flexibility and generality etc. It has an important meaning in the actual
12、engineering applications. Besides the technical scheme of this system has a huge popular value.Key Word:Sonar Signal Processor CPCI Bus Ethernet W5300 FPGA Technology ADSP-TS201 BlackFin527III目 录摘 要IAbstractI目 录III第一章 绪 论11.1研究背景及意义11.2数字信号处理器(DSP)21.2.1 DSP技术发展与特点21.2.2 DSP与其他处理器的比较31.2.3 DSP未来的发展趋
13、势41.3 现场可编程门阵列(FPGA)51.3.1 可编程逻辑器件的发展与特点51.3.2 FPGA和CPLD的区别和联系61.3.3 FPGA技术未来发展展望71.4 系统接口特点概述81.4.1 CPCI总线接口特点概述81.4.2 以太网接口特点概述91.5本论文的内容安排101.6本章小结11第二章 系统总体方案设计122.1系统技术指标122.2系统功能与系统框图122.2.1系统功能设计122.2.2系统原理框图132.3系统芯片选型142.3.1 音频DAC的选型142.3.2 网口控制芯片选型152.3.3 MCU/DSP芯片选型162.3.4 FPGA的芯片选型172.3.
14、5 DSP的器件选择182.3.6 存储器器件选择192.3.7系统电源芯片选型222.4系统开发工具选择242.4.1系统硬件开发工具242.4.2 FPGA软件开发工具252.4.3 DSP软件开发工具272.4.4 网口调试工具282.5本章小结29IV第三章 系统硬件设计303.1 FPGA底板硬件设计303.1.1 DAC音频电路设计303.1.2 W5300及外围电路设计323.1.3 BF527外围电路设计343.1.4 FPGA最小系统设计363.1.5 FPGA外围接口设计403.1.6 外部存储器电路设计443.1.7 时钟与复位电路设计473.1.8 FPGA底板电源设计
15、493.2 双DSP模块硬件设计503.2.1 ADSP-TS201间接口设计503.2.2 FLASH电路设计513.2.3 时钟与复位电路设计523.2.4 JTAG与电源电路设计543.3 印制电路板设计543.4 本章小结58第四章 系统软件设计594.1 FPGA的软件设计594.1.1 FPGA软件总体设计594.1.2数据调度模块设计604.1.3命令与结果传输模块设计634.1.4 DAC接口模块设计654.1.5 时钟与复位模块设计664.2 BlackFin527软件设计684.2.1 BlackFin527配置程序设计684.2.2 BlackFin527数据调度程序设计
16、694.2.3 BlackFin527引导程序设计714.3双DSP模块软件设计724.3.1 双DSP模块引导程序设计724.3.2 双DSP模块主程序框架设计724.4本章小结74第五章 系统调试与应用755.1系统的调试755.1.1硬件焊接检查755.1.2系统电源调试765.1.3音频DAC调试765.1.4 CPCI接口调试775.1.5 网口调试795.1.6 链路口调试815.2系统的应用83V5.3本章小结84第六章 结论与展望856.1本文主要研究内容856.2进一步的工作86参考文献87攻读学位期间发表的学术论文90致 谢91VI西北工业大学硕士学位论文 第一章 绪 论第
17、一章 绪 论1.1研究背景及意义水声学是研究声音在水下发射、传播、接收、定位等规律的科学,早在第一次世界大战以前就开始了该科学的研究,比如测量水下声速、研究水下定位方法、研究海水介质的“午后效应”、研究电声转换材料等等。到了第二次世界大战,大量的水声设备诞生了,当时的水声设备主要用于探测、通信、导航等。在第二次世界大战期间,水声学的重要发展方面是水声物理的完善与发展,对声音在水下传播规律进行了大量的测量和深化研究,到了60年代末,水声学的发展已形成了四个分支,即水声物理、水声工程、水声战斗使用及水声标准化。迄今为止,水声在各个滨海国家受到了重视,在海军作战中得到了广泛应用1。声纳装备的发展经过
18、了漫长的岁月,从20世纪初开始,至今已有近100年的历史。在声纳装备发展的过程中,始终围绕着解决战术与技术这一矛盾。由于水声技术的不断发展,声纳装备的作用距离、定向精度、测距精度、观察扇面等性能不断得到改善,从而保证了潜艇能够名副其实地在水下进行一系列的战术活动1。从20世纪8年代至今,在传统使用的水面舰和潜艇上装备有各种用途的声纳,其中在舰壳球鼻艏综合声纳、被动测距声纳、侦查声纳、拖拽声纳、通信声纳、猎雷声纳、吊放声纳、声纳浮标等的基础上对于潜艇的舷侧线阵声呐、被动拖拽线列阵声纳、主动拖拽线列阵声纳、远程通信声纳、灭雷具识别声纳、多基地声纳等掀起了发展热潮1。而本课题研究的声纳信号处理机系统
19、可以工作在航空吊放声纳和浮标两种模式。其旨在帮助部队经行训练、声纳系统测试和评估。所谓声纳信号处理机,就是根据设计者的要求,模拟不用的水文条件、海洋环境、目标状态和信号特征等多种的信息装置,根据信号产生实时性和实现成本的要求,它可以用硬件实现,也可以用软件实现,或者软硬件结合实现。在实现方式上也可以分为多功能模拟和部分功能模拟2。本系统运用先进的数字信号处理算法,结合双核DSP信号处理板的硬件研制出来的声纳信号处理机体积小、功能强,可以实时处理声纳信号,完全可以满足当代战事运用,具有实际的工程意义与应用价值。1.2数字信号处理器(DSP) 1.2.1 DSP技术发展与特点3DSP是一种独特的微
20、处理器,是以数字信号来处理大量信息的器件。上个世纪80年代初,在TI公司诞生了世界上第一块DSP芯片,开创了DSP发展的先河。经过短短二十几年的发展,DSP的设计、制造和应用等相关技术得到空前的发展,DSP器件的应用范围也日益广泛,军事、工业、医疗、移动通信以及日常消费娱乐,可以说DSP几乎无处不在。如今,全球的DSP市场每年增长大约为30%。现在,世界上的DSP有三百多种,其中定点DSP有两百多种。生产DSP的公司有80多家,但实力雄厚的主要是:TI(德州仪器公司)、ADI(模拟器件公司)、MOTO(摩托罗拉公司)等4。DSP不仅具有可编程性,而且它实时运行速度可达每秒数以千万条复杂的指令程
21、序,远远超过通用的微处理器,是数字化时代日益重要的电脑芯片。它的强大数据处理能力和高速运行速度,是最值得称道的两大特色。当然,与通用微处理器相比,DSP微处理器的其他功能相对弱一些。当下市场上流行的DSP一般有如下特点:(1)在一个指令周期内完成一次乘法和一次加法;(2)程序和数据空间分开,可以同时访问指令和数据;(3)片内有快速RAM,通常可以通过独立的数据总线在两块中同时访问;(4)具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持;(5)快速的中断处理和硬件I/O支持;(6)具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器;(7)可以并行执行多个操作;(8)支持流水线操作,使取指、译码和执行等操作可以重叠执行
22、。尽管DSP器件已经有各式各样的优势,但是在实际应用中仍然有一定的局限性。主要表现在性能、速度、功耗以及与外设或其他系统的通信瓶颈。在雷达、阵列信号处理、软件无线电等领域,传统的DSP器件在实际的应用中仍然显得力不从心,很多高性能的数字信号处理算法仍然无法在实际中有效地实时实现3。1.2.2 DSP与其他处理器的比较5目前在高性能嵌入系统/实时信号处理领域,占统治地位的处理器是DSP;而目前诸如MCU(微控制器)、GPP/RISC(通用处理器)、FPGA,ASIC等都在分享这一市场。它们在性能、价格、开发难度、功耗等等方面有着不同的特点,因此各自适合不同的市场领域。其中,GPP和MCU同DSP
23、一样都可以通过高级语言进行编程;而FPGA则需要硬件描述语言进行开发设计;ASIC则属于功能定制产品。它们和DSP有着很大区别,主要在于GPP多用于通用计算机,内部采用冯诺依曼结构,只有处理内核没有DMA控制器,没有丰富的IO设备接口,不适合实时处理,而且功率很大,如Intel的CPU的功耗多在20- 100 W左右,PowerPC的功耗最小也要5-10W,而DSP可以做到1-2 W。而MCU主要用于嵌入式系统的控制,没有计算和处理能力。就信号处理能力而言,DSP最适合信号处理的前端,GPP/RISC处理器比较适合复杂算法或者混合信号处理与数据处理的场合。表1-1在开发周期、性能、编程能力、开
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