基于高速DSP技术的微地形实时探测研究

论文摘要

大洋钴结壳资源是21世纪最具有商业开采价值的战略资源,无论从经济效益还是从维护国家海洋权益的角度来看,开发海底富钴结壳等矿产资源对我国都具有十分重要意义。而如何实现对采矿车前方微地形的实时探测则是富钴结壳优化采集过程中的关键。结合摆动式单探头单波束超声探测技术,本文提出了一种基于TMS320C6416(主频为1GHz)通用DSP的微地形实时探测解决方案,并建立了相应的软、硬件平台。该方案采用DSP/BIOS实时内核,利用互相关信号处理技术,结合本课题组建立的最优切削深度模型,实现了三维地形的实时显示和最优切削深度计算。硬件平台由水下超声探测装置、高速信号采集卡、DSP核心处理模块、PC四部分组成。通过数据采集卡将超声探测装置的发射波和回波信号转换成数字信号,送到高速DSP中进行处理,最后将处理好的DEM数据通过异步串行通讯接口(UART)上传到PC机上,实现地形的三维显示。基于DSP/BIOS实时内核,本文提出一种EDMA、PIP与DSP协同的多线程调度策略,解决了同步信号接收,数据采集,数据处理,数据上传等多线程调度的关键问题。并且通过规范化程序接口,使所设计的DSP算法不直接与底层硬件交互,极大的提高了软件的可复用性,便于系统的集成。本文还研究了DSP编程中的软件优化方法,对系统关键代码进行了手工优化,极大地提高了代码执行效率。另外,由于本系统是一个独立的脱机系统,本文对如何固化代码实现自举运行作了详细地阐述。本文设计的所有硬件模块和程序代码都经过实际调试,能达到高速、稳定的运行效果,其精度和实时性均达到设计要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景
• 1.2 实时信号处理技术
• 1.3 论文的主要工作
• 1.4 本章小结
• 第二章 微地形实时探测方案与硬件平台设计
• 2.1 实时探测方案
• 2.1.1 设计要求
• 2.1.2 解决方案
• 2.1.3 接口设计
• 2.1.4 系统工作流程
• 2.2 硬件平台
• 2.2.1 信号源
• 2.2.2 数据采集模块
• 2.2.3 DSP核心处理模块
• 2.2.4 数据通信模块
• 2.2.5 仿真器
• 2.3 本章小结
• 第三章 基于DSP/BIOS的系统软件设计
• 3.1 实时操作系统概述
• 3.2 DSP/BIOS介绍
• 3.3 DSP/BIOS基于主机端工具
• 3.3.1 DSP/BIOS配置工具
• 3.3.2 DSP/BIOS分析工具
• 3.4 基于DSP/BIOS的系统软件架构
• 3.4.1 系统需求分析
• 3.4.2 I/O概述和管道
• 3.4.3 通过PIP实现实时信号处理的DSP/BIOS软件架构
• 3.5 本章小结
• 第四章 算法分析及系统软件实现
• 4.1 信号输入
• 4.1.1 AD9240采集卡配置
• 4.1.2 EDMA通道配置及数据传输实现
• 4.2 基于互相关理论的信号处理
• 4.2.1 互相关理论
• 4.2.2 基于互相关的信号处理算法
• 4.2.3 数据定标
• 4.3 最优切削深度计算
• 4.3.1 钴结壳粗糙度的计算
• 4.3.2 相对平均高程的计算
• 4.3.3 高程均方差的计算
• 4.3.4 最佳切削深度的计算
• 4.3.5 最佳切削深度计算的实现
• 4.4 数据通信
• 4.5 程序优化
• 4.5.1 C代码初步优化
• 4.5.2 DSP程序优化
• 4.5.3 重点代码优化
• 4.6 系统自主加载（BOOT-LOADER）
• 4.6.1 BOOT概述
• 4.6.2 BOOT加载方式
• 4.6.3 ROM加载分析
• 4.6.4 本系统ROM加载实现
• 4.7 PC端数据通信和地形显示软件编写
• 4.7.1 程序功能及编程思想
• 4.7.2 软件实现
• 4.8 本章小结
• 第五章 实验与验证
• 5.1 实验台组成及工作原理
• 5.1.1 实验系统组成
• 5.1.2 实验台工作原理
• 5.2 实验研究
• 5.2.1 实验器材
• 5.2.2 数据预采集
• 5.2.3 实验过程
• 5.2.4 实验数据及分析
• 5.2.5 实验结果
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间主要的研究成果