基于SOPC技术的水下无线传感器网络节点设计

论文摘要

随着工业技术的飞速发展,能源消耗的成倍增加,人们对矿产资源的需求量变得越来越多,而与之相对应的是陆地上矿产资源的日趋减少,在这种情况下,对海洋资源的开发成为了许多海洋国家将要面临的选择和机遇,因此水下无线传感器网络(UWSN)的研究对于海洋科学研究有着重大的意义。本论文主要致力于水下无线传感器网络节点的开发和调试,并根据水下无线传感器网络的特性和国内外水下无线传感器网络的研究成果及研究方法,提出了基于SOPC技术的水下节点的总体设计方案。本文根据水下无线传感器网络的设计任务阐述了开发中所涉及到的关键技术,详细比较和论证了水下节点的几种设计和实现方案,并最终确定了采用基于FPGA的硬件开发平台,利用SOPC技术进行软硬件的协同设计,以满足高性能处理要求、达到高灵活性、可移植、可裁剪要求及降低成本的目标。本系统选用Altera公司的Cyclone II系列EP2C20器件作为节点的主控芯片,并在文中给出了主要功能模块的电路设计。通过QuartusⅡ软件开发节点的硬件逻辑。使用SOPC Builder软件生成NIOSⅡ软核,将CPU、存储器和定时器等成熟的IP核应用到节点设计中,同时,使用硬件描述语言VHDL将底层驱动逻辑设计为用户IP核,如高速DA的IP核、数字电位器IP核、带通滤波器IP核、高速AD的IP核、日历时钟IP核、数字测温IP核等。各种IP核的使用,减轻了软件方面的负担,而且软硬件部分协同设计加快了开发的速度。将FPGA芯片、SDRAM和Flash芯片设计在一块核心板上,方便硬件电路的升级。电路系统中还应用了模数、数模转换技术、电源管理技术和隔离技术等。软件程序主要包括水声通讯程序、UART串口程序、CAN通讯程序和数据采集处理程序等。最后,根据本系统实际研究开发的结果,总结分析了系统的特点,并根据目前设计中的遇到的问题提出了修改建议。

论文目录

• 中文部分
• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题的来源
• 1.2 国内外的研究现状及其发展动态
• 1.3 课题研究的意义、前景和任务
• 1.3.1 课题研究的意义及前景
• 1.3.2 课题的关键技术
• 1.3.3 本论文的主要工作
• 2 水下无线传感器网络简介
• 2.1 水下无线传感器网络体系结构
• 2.1.1 水声通讯网络拓扑结构
• 2.1.2 水下传感器节点结构
• 2.2 水下无线传感器网络特点
• 2.2.1 无线传感器网络共有的特征
• 2.2.2 水下无线传感器网络的特点
• 2.3 水下无线传感器网络节点的设计研究综述
• 3 水下无线传感器网络节点系统的整体设计方案
• 3.1 UAWSN 系统平台简介
• 3.1.1 UAWSN 系统平台
• 3.1.2 UAWSN 系统测试平台
• 3.2 测试环境下的关键技术的探讨
• 3.3 UAWSN 节点系统主控制器的选择
• 3.3.1 几种设计方案特点的比较
• 3.3.2 方案的确定
• 3.4 水下无线通讯的几种通讯方式特点的比较
• 3.4.1 水下无线传感器的几种通讯方式
• 3.4.2 水下声通讯的调制解调技术
• 3.5 UAWSN 节点的的功能设计
• 3.5.1 功能要求和设计原则
• 3.5.2 传感器节点的功能设计
• 3.6 数字化可配置水声通讯收发器设计
• 3.6.1 换能器特性简介
• 3.6.2 水声通讯收发器设计
• 3.6.3 参数化设计思想
• 3.7 UAWSN 节点系统的特点
• 4 传感器节点系统硬件电路设计
• 4.1 节点的电路系统总体结构
• 4.2 电源及电源管理电路
• 4.3 核心板电路
• 4.4 水声模拟前端收发电路设计
• 4.4.1 水声发射电路
• 4.4.2 水声接收电路
• 4.5 数据采集（A/D）电路
• 4.6 串行通讯电路
• 4.6.1 CAN 通讯电路
• 4.6.2 UART 通讯电路
• 4.7 时钟电路
• 4.8 数字温度传感器电路
• 4.9 存储器电路
• 4.10 无线测距电路（RSSI）
• 5 SOPC 技术与节点IP 核的设计
• 5.1 SOPC 技术简介
• 5.2 基于SOPC 技术的嵌入式系统开发流程
• 5.2.1 系统开发流程
• 5.2.2 硬件开发流程
• 5.2.3 软件开发流程
• 5.3 系统软硬件开发平台简介
• 5.3.1 SOPC Builder 简介
• 5.3.2 Quartus 6.0 简介
• 5.3.3 NIOS II 集成开发环境简介
• 5.4 主控芯片和核心板
• 5.4.1 主控芯片EP2C20
• 5.4.2 锁相环
• 5.4.3 节点电路板设计
• 5.5 IP 核及相关的数字模块设计
• 5.5.1 D/A ip 核设计
• 5.5.2 数字电位器IP 核设计
• 5.5.3 带通滤波器IP 核设计
• 5.5.4 CAN IP 核设计
• 5.5.5 日历时钟IP 核设计
• 6 软件设计
• 6.1 主程序设计
• 6.1.1 CAN 总线通讯处理程序
• 6.1.2 AD 转换处理程序
• 6.1.3 电源管理程序
• 6.2 中断服务程序设计
• 6.2.1 水声通信收发处理程序
• 6.2.2 UART 处理程序
• 6.3 参数配置开发平台的应用
• 6.4 软件程序的特点
• 7 系统测试与试验
• 8 课题完成情况及展望
• 参考文献
• 个人简历
• 硕士期间发表论文情况
• 致谢
• 英文部分
• Abstract
• 1 Preface
• 1.1 Source of the subject
• 1.2 Research updates at home and abroad and development trend
• 1.3 Meaning, prospect and task for study with this subject
• 1.3.1 Meaning and prospect of study of this subject
• 1.3.2 Critical technologies for subject
• 1.3.3 Principal works for this paper
• 2 Introduction of underwater wireless sensor networks
• 2.1 System structure of underwater wireless sensor networks
• 2.1.1 Acoustic communication networks topology structure
• 2.1.2 Underwater sensor node structure
• 2.2 Features of underwater wireless sensor networks
• 2.2.1 Mutual features of wireless sensor networks
• 2.2.2 Features of underwater wireless sensor networks
• 2.3 Review for the engineering and study for underwater wireless sensor network nodes
• 3 Master design plan for the underwater wireless sensor network node system
• 3.1 Introduction of UAWSN system platform
• 3.1.1 UAWSN system platform
• 3.1.2 UAWSN system test platform
• 3.2 Exploration of critical technologies under test environment
• 3.3 Selection of UAWSN node system main controller
• 3.3.1 Comparison of features of several design programs
• 3.3.2 Determination of 3 program
• 3.4 Comparison of several communication modes for underwater wireless communication
• 3.4.1 Several communication modes for the underwater wireless sensor
• 3.4.2 Modulation and demodulation technology of underwater acoustic communication
• 3.5 Functional design for UAWSN nodes
• 3.5.1 Functional requirements and design principle
• 3.5.2 Functional design for the sensor node
• 3.6 Design of digital configurable acoustic communication receiver and transmitter
• 3.6.1 Introduction of transducer features
• 3.6.2 Design of acoustic communication receiver and transmitter
• 3.7 Parameter design idea
• 3.8 Features of UAWSN node system
• 4 Hardware circuit design for the sensor node system
• 4.1 Overall structure for the circuit system of nodes
• 4.2 Power and power management circuit
• 4.3 Core board circuit
• 4.4 Acoustic analogue front end receiving and transmitting circuit design
• 4.4.1 Acoustic transmission circuit
• 4.4.2 Acoustic receiving circuit
• 4.5 Data collection （A/D） circuit
• 4.6 Serial communication circuit
• 4.6.1 CAN communication circuit
• 4.6.2 UART communication circuit
• 4.7 Clock circuit
• 4.8 Digital temperature sensor circuit
• 4.9 Memory circuit
• 4.10 Radio Signal Strength Indicator (RSSI
• 5 SOPC technical and node IP core design
• 5.1 SOPC technology introduction
• 5.2 Embedded system development flow based upon SOPC technology
• 5.2.1 System development flow
• 5.2.2 Hardware development flow
• 5.2.3 Software development flow
• 5.3 Introduction of system software and hardware development platform
• 5.3.1 SOPC Builder introduction
• 5.3.2 Quartus 6.0
• 5.3.3 Introduction of NIOS II integration development environment
• 5.4 Main control chip and core board
• 5.4.1 Main control chip EP2C20
• 5.4.2 PLL
• 5.4.3 Node circuit board design
• 5.5 IP core and relevant digital module design
• 5.5.1 D/A ip core design
• 5.5.2 Digital potentiometer IP core design
• 5.5.3 Bandpass wave filter P core design
• 5.5.4 CAN IP core design
• 5.5.5 Calendar clock IP core design
• 6 Software design
• 6.1 Main program design
• 6.1.1 CAN bus communication handling program
• 6.1.2 AD conversion handling program
• 6.1.3 Power management procedure
• 6.2 Interruption service program design
• 6.2.1 Acoustic communication receiving and transmission handling program
• 6.2.2 UART handling program
• 6.3 Application of parameter configuration development platform
• 6.4 Features of software program
• 7 System Test
• 8 Subject accomplishment and prospect
• References