基于SOPC的成像声纳数字系统设计

论文摘要

在众多水下应用领域,成像声纳作为人类水中作业的视觉延伸,起到了至关重要的作用。本文以成像声纳研制为背景,将微电子领域中的SOPC(片上可编程系统)技术与成像声纳数字系统设计相结合,开发了基于SOPC技术的成像声纳数字系统,在满足了成像声纳整体系统性能要求的同时,也为相关水下设备数字系统的设计提供了一种新的解决方案。成像声纳数字系统的设计需要考虑如下因素：高速信号采集传输能力,实时信号处理能力,良好的人机交互能力,以及设计复杂度、开发成本、开发周期、系统可扩展性等因素。基于以上需求,论文主要研究内容如下：首先,论文根据成像声纳系统需求提出了三种可行的数字系统设计方案。通过多个角度的对比分析,最终选取了基于SOPC技术的成像声纳数字系统设计方案。其次,完成了数据采集平台的FPGA逻辑设计,包括：DDS(直接数字频率合成)信号源设计、多通道数据采集控制、HOTLink数据发送控制、时钟域划分、同步信号设置以及平台整体工作流程。再次,从硬件逻辑和嵌入式软件两个方面,实现了SOPC显控平台设计。其中,硬件逻辑设计完成了以Nios II软核处理器为核心的片上系统的构建：嵌入式软件设计则主要完成了外设驱动程序开发、基于μC/GUI的图形界面设计以及网络通信等。最后,在完成系统各功能模块设计开发的基础上,对各模块功能进行了测试,进而对成像声纳整体电路系统进行了联调,并通过最终整体声纳系统的水池实验,验证了系统实现方案的正确性以及软件和硬件的稳定性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 论文研究背景
• 1.2 成像声纳研究现状及发展动态
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 SOPC技术概述
• 1.4 采用SOPC技术设计成像声纳数字系统的意义
• 1.5 论文主要工作
• 第2章 成像声纳数字系统总体方案设计及相关技术
• 2.1 系统总体方案设计
• 2.1.1 系统功能需求分析
• 2.1.2 可选设计方案对比
• 2.1.3 系统整体设计方案
• 2.2 SOPC核心技术
• 2.2.1 Nios Ⅱ嵌入式软核处理器
• 2.2.2 Avalon互联架构
• 2.2.3 用户自定义外设
• 2.2.4 SOPC系统级仿真与验证
• 2.2.5 SOPC软硬件协同设计开发流程
• 2.3 系统开发环境
• 2.3.1 硬件平台
• 2.3.2 软件工具
• 2.4 本章小结
• 第3章 数据采集平台逻辑设计
• 3.1 DDS信号源设计
• 3.1.1 DDS技术简介
• 3.1.2 基于FPGA的CORDIC算法实现
• 3.1.3 D/A控制状态机设计
• 3.1.4 信号源设计结构与仿真
• 3.2 多通道数据采集逻辑控制
• 3.2.1 多通道数据采集方案
• 3.2.2 数据采集控制状态机设计
• 3.2.3 数据采集控制设计结构与仿真
• 3.3 HOTLink数据发送端控制
• 3.3.1 HOTLink串行传输芯片简介
• 3.3.2 CY7B923逻辑控制
• 3.4 数据采集平台工作流程设计
• 3.4.1 时钟域及同步信号
• 3.4.2 平台整体工作流程及FPGA设计结构
• 3.5 本章小结
• 第4章 SOPC显控平台设计
• 4.1 SOPC显控平台总体结构
• 4.2 系统关键自定义外设设计
• 4.2.1 自定义外设设计方法
• 4.2.2 HOTLink数据接收外设设计
• 4.2.3 VGA控制器外设设计
• 4.2.4 PS/2键盘控制外设设计
• 4.2.5 W5100网络模块接口设计
• 4.2.6 SOPC系统构建
• 4.3 嵌入式软件设计
• 4.3.1 外设驱动程序设计
• 4.3.2 μC/GUI图形界面设计
• 4.3.3 网络通信软件设计
• 4.3.4 系统软件工作流程
• 4.4 本章小结
• 第5章 系统测试和水池实验
• 5.1 系统测试
• 5.1.1 信号源测试
• 5.1.2 数据采集测试
• 5.1.3 μC/GUI图形界面测试
• 5.1.4 网络传输测试
• 5.1.5 系统整体运行测试
• 5.2 水池实验
• 5.3 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