剖面声纳多通道数据采集系统的设计与实现

论文摘要

近年来,随着海洋开发和水下探测需求的日益增加,高分辨率剖面声纳的研究越来越受到重视。多通道数据采集系统是剖面声纳的重要组成部分,用于对海底回波信号进行实时采集,并将采集到的数据传送给数据处理单元进行数据处理。本文研究了剖面声纳的工作原理、系统构成及技术指标,掌握了剖面声纳数据采集系统设计理论,在其基础上研制了一套剖面声纳多通道数据采集系统。本文对水声信号接收系统的结构进行了分析和研究,学习了水声接收机设计理论。论证了剖面声纳信号接收与调理方案。设计了多通道水声信号调理系统。实现了对信号的放大、滤波及差分转换等功能,为信号的数字量化采集打下了基础。并且对多通道数据采集技术进行了理论研究,研制了多通道数据采集板硬件电路,这其中包括模数转换电路、数据缓冲电路、主控FPGA电路、DSP数据校验电路及数据传输电路。本文完成了数据采集系统和并行数据处理系统两片FPGA的内部逻辑设计。对数据采集板上FPGA编程,通过对模数转换器和D触发器的逻辑控制实现了对信号同步采集、分时顺序上传的功能。实现了数据的打包和符号位扩展。完成了基于CY7B923/933芯片的数据传输控制逻辑。通过对数据处理系统帧结构的研究,基于对数据处理板上FPGA的编程,完成接收数据的重新排列与分时传输。通过对数据采集系统的FPGA和DSP编程,实现了对AD采集数据的校验功能。在多通道数据采集系统的软、硬件研制完成后,与后端数据处理板进行了实验室电联调,经测试,各项功能指标符合剖面声纳的设计要求。系统运行稳定可靠,在多次考机实验中未出现故障。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 剖面声纳概述
• 1.2 剖面声纳多通道数据采集系统的课题背景与意义
• 1.3 论文主要内容
• 第2章 剖面声纳数据采集处理系统功能及结构
• 2.1 剖面声纳工作原理及结构
• 2.1.1 剖面声纳工作原理
• 2.1.2 剖面声纳系统结构
• 2.1.3 剖面声纳系统接收部分功能指标
• 2.2 剖面声纳数据采集系统总体结构及技术指标
• 2.2.1 总体功能和结构
• 2.2.2 系统技术指标
• 2.3 剖面声纳数据处理系统结构功能
• 2.4 本章小结
• 第3章 多通道数据采集系统硬件电路设计
• 3.1 信号调理部分电路设计
• 3.1.1 集成运放的选择
• 3.1.2 二级放大电路
• 3.1.3 单端转差分电路
• 3.1.4 二阶低通滤波电路
• 3.1.5 电平偏置电路
• 3.1.6 模拟电路技术指标
• 3.2 数据采集板单元电路和外围电路设计
• 3.2.1 模数转换电路
• 3.2.2 数据缓冲电路设计
• 3.2.3 数据上传电路
• 3.2.4 电源电路设计
• 3.2.5 时钟电路设计
• 3.3 数据采集主控芯片选择及电路设计
• 3.3.1 FPGA概述
• 3.3.2 FPGA的分类和使用
• 3.3.3 ACEX1K系列FPGA的特点及主控FPGA芯片的选择
• 3.3.4 ACEX1K系列FPGA配置方法
• 3.4 数据校验电路设计
• 3.4.1 DSP概述
• 3.4.2 TMS320VC33概述
• 3.4.3 FLASH芯片概述及其与DSP接口电路设计
• 3.4.4 DSP与FPGA接口电路设计
• 3.4.5 DSP电源以及复位电路设计
• 3.5 电路设计中的几个关键问题
• 3.5.1 电磁兼容设计中的去耦电容
• 3.5.2 混合信号PCB板的分区设计
• 3.6 本章小结
• 第4章 数据采集传输系统软件设计
• 4.1 FPGA数据传输逻辑功能设计
• 4.1.1 FPGA对ADC和D触发器的逻辑控制
• 4.1.2 数据符号扩展和打包
• 4.1.3 数据传输电路的FPGA实现
• 4.1.4 FIFO模块设计
• 4.1.5 数据的重列与打包
• 4.2 数据校验软件实现
• 4.2.1 FPGA数据缓冲功能实现
• 4.2.2 DSP软件实现
• 4.3 数据采集板与处理板的联调
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢
• 附录