基于FPGA的多通道同步数据采集与处理系统的实现

中南民族大学硕士学位论文基于FPGA的多通道同步数据采集与处理系统的实现姓名：刘嵩申请学位级别：硕士专业：生物医学工程指导教师：陈心浩20090528中南民族大学硕士学位论文I摘要在干涉合成孔径声纳成像系统研究中，声纳信号采集与处理是该领域的主要研究内容。为了获取干涉合成孔径声纳图像，需要对声纳信号进行较精确地同步采集和实时处理，因而给干涉合成孔径声纳成像系统的研究提出了新的问题。为了解决出现的问题，研究人员开展了大量的研究，取得了一些成效。但是，声纳成像系统信号采集密度较大，信号采集的同步性、系统体积、功耗等都有较严格的要求。针对这些要求，本论文根据可编程逻辑阵列（FPGA）集成度高、速度快、设计灵活等特点，以FPGA为核心进行成像信号采集与处理系统的设计，并对关键问题展开了研究，其主要研究内容包括以下几个方面:1）根据干涉合成孔径声纳成像系统的任务和要求，给出了信号采集与处理子系统的总体设计方案。该系统以FPGA为核心，以片上系统设计为基础，将NIOS软核处理器，以及系统所要求的数模转换器（ADC）的控制器、数据缓冲器、数据传输控制器等主要功能模块集成在FPGA上，结合现有的外围器件和模块等，构建了数据采集与处理系统。由于该系统利用了超大规模的FPGA，使系统的集成度较高，减小了系统地体积，降低了系统的功耗。2）为了保证声纳信号采集的同步性，设计了数据采集同步控制的驱动模块。为了完备的保留多通道声纳信号的相位信息和幅度信息，提出了一种联合控制、同步驱动的策略对多通道采集进行管理，给出了FPGA平台上软IP核的设计方案。仿真试验结果表明该IP核实现同步的精度高，且其移植方便。3）给出了基于分布式算法的数字有限脉冲响应（FIR）滤波器的实现方法。该方法将数字滤波器中固定系数的乘累加运算转换成查找表操作，避免了乘法运算。查找表后的数据通过简单的加法操作完成数值运算，从而提高了滤波器的运算速度。试验结果表明该方法不仅节省了FPGA的硬件资源，而且提高了系统速率。根据本文提出的设计方法和实现策略，以FPGA为平台，利用SOPC设计技术，完成了系统设计。该系统有效解决了多通道信号同步采样以及同步处理等技术难点。实验结果表明：该系统同步性能好、运算速度快、控制能力强，且其功耗低，运行稳定，满足应用要求。关键词：干涉合成孔径声纳；同步采集；可编程片上系统；有限冲击响应滤波器；分布式算法基于FPGA的多通道同步数据采集与处理系统的实现IIABSTRACTSignalacquisitionandprocessingaremajorresearchcontentsinthefieldofInterferometricSyntheticApertureSonar(InSAS).InordertoobtainInSASimages,signalacquisitionmustbesynchronizedaccuratelyandprocessingmustbereal-time,excertingnewproblemsfortheInSASsystem.Tosolvetheseproblems,theresearchersworkedhardandachievedalot.However,thesonarsystemhasmorestringentrequirementsinsignalsynchronization,systemsizeandpowerconsumption.Forthesepurposes,thepaperdesignedasignalacquisitionandprocessingsystembasedonFPGA.Themainresearchcontentscouldbestatedasfollows:1)AccordingtothetasksandrequirementsoftheInSASimagingsystem,wedesignthesolutionofsignalacquisitionandprocessingsubsystemwhichisbasedonFPGA.BySOCtechnique,allcomponentssuchaslogiccontrolmodule,NIOSprocessormodule,asynchronousFIFOmodule,andsignalpreprocessingmoduleareimplementedonFPGA.Theexperimentalresultsshowthatthissolutioncouldreducesizeandpowerconsumption.2)Inordertoensuresynchronizationofsignalacquisition,adataacquisitiondrivermoduleforsynchronizationcontrolwasdesigned.Usingastrategyofjointcontrolandmulti-channelsynchronous-drive,wedesigntheIPcoreonFPGA,andtheintactinformationofphaseandamplitudearecaptured.SimulationresultsshowthattheIPcorecouldachievehigh-precisionsynchronization,andiseasytomigrate.3)ArealizationofFIRbasedondistributedalgorithmisgiven,whichconvertmultiplyaccumulationcellwithfixedcoefficientintosimpleadditionoperations,avoidingcomplexmultiplicationoperation.Testresultsshowthatthemethodcouldsavehardwareresourcesandimprovesystemspeed.Accordingtothedesignmethodandimplementationstrategy,asystemdesigniscompletedbyutilizingSOPCtechniquebasedontheplatformofFPGA.Thesystemisaneffectivesolutiontothedifficultproblemofmulti-channelsignalsynchronousacquisitionandprocessing.Theexperimentalresultsshowthatthesystemmeetstheapplicationrequirementswithgoodsynchronization,highspeed,strongcontrolcapability,lowpowerconsumptionandstableoperation.KeyWords:InterferometricSyntheticApertureSonar;SynchronousAcquisition;SOPC;FIRFilters;DistributedAlgorithm基于FPGA的多通道同步数据采集与处理系统的实现IV中南民族大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权中南民族大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密□，在______年解密后适用本授权书。2、不保密□。（请在以上相应方框内打“√”）作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日√中南民族大学硕士学位论文1第1章绪论我国海洋资源辽阔，海洋不仅对我国经济发展有着非常重要的影响，而且关系到国家权益等根本利益。海洋权益的维护迫切需要海底地貌测绘、生物群体探测等技术，近年来发展起来的InSAS技术，通过比相测高的方法得到实际场景的高度信息，从而得到场景三维图像。InSAS技术兼备了合成孔径声纳分辨率与成像距离及工作频率无关，干涉测探精度高等优点，迅速发展成海底地貌测绘的重要技术。本论文根据FPGA逻辑资源丰富、速度快、设计灵活等特点，以FPGA为核心进行干涉合成孔径声纳成像系统的设计，并对采集的原始信号进行滤波、解调等初步处理[1]。1.1数据采集系统的意义和任务信号采集与处理是计算机与外部物理世界连接的桥梁，在科研、生产和人们的日常生活中，经常需要测量流量、速度、位移、温度、压力、外形等物理量，人们一般通过传感器把上述物理量转换成模拟电信号，然后将模拟电信号经过放大、滤波、数模转换等处理后送入计算机，这就是数据采集[2]。数据采集系统性能的好坏，主要取决于它的精度和速度。在保证精度的条件下，应采用尽可能高的采样速度，以满足实时采集、实时处理和实时控制的要求。数据采集的任务就是采集传感器输出的模拟电信号并转换成计算机能识别的数字信号，然后送入计算机或相应的信号处理系统，提取出有价值的信息[3-4]。1.2多通道数据采集系统目前国内外现状典型的多通道数据采集系统如图1.1所示，主要包括数据采集、数据处理、存储和传输等部分。其中微处理器是数据采集的关键部件，它决定了整个系统的结构和性能。数据采集微处理器存储器通讯接口通道0通道1通道n...图1.1典型的多通道数据采集系统基于FPGA的多通道同步数据采集与处理系统的实现2传统的数据采集系统采用单片机作为微处理器。该方案结构简单，实现方便，但受单片机处理速度的影响，一般只适用于数据采集量小，工作频率低的单通道采集系统，对于多通道高速采集系统往往无能为力。为了对多通道数据进行高速采集，一种以DSP为核心的数据采集方案被人们所广泛采纳[5-6]。DSP采用了哈佛结构和高度专业化的指令集，大大提高了处理速度[7-8]，而且拥有丰富的片上外设，包括锁相环、定时器、同步和异步串行口等，简化了电路设计。对于多通道数据采集系统，若要实现同步采集必须采用多片DSP芯片来实现[9]，增加了系统的复杂性和成本，不利于产品的研发与生产。随着电子技术的飞速发展，FPGA能有效克服单片机和DSP的上述缺点，它的全部控制逻辑均由硬件完成，容易实现硬件上的并行工作。FPGA内部可以嵌入DSP软核，增强了系统的数据处理能力[10-11]；FPGA还具有时钟频率高、内部延时小、编程配置灵活的特点，可以集采样控制、处理、缓存和传输于一个芯片内实现片上系统，这样大大提高了系统的可靠性，降低系统成本；同时随着IP核产业的崛起，更加缩短了产品的开发周期和上市时间，有利于在激烈的市场竞争中抢占先机；因此在多路并行高速数据采集领域得到广泛应用。1.3课题来源及意义本课题来源于国家“863”计划资助项目——干涉合成孔径声纳系统研究(项目编号2007AA091101)。干涉合成孔径声纳InSAS（InterferometricSyntheticApertureSonar）是在合成孔径声纳基础上增加一幅（或多幅）接收基阵，通过比相测高的方法得到场景的高度信息，从而得到场景的三维图像[12-13]。InSAS兼备了合成孔径声纳分辨率与成像距离及工作频率无关的优点，可以用于水下目标的探测和识别，如进行沉底水雷和掩埋水雷的高分辨率探测和识别。也可以用于海底测量、水下考古、海底找矿和搜寻水下失落物体等，尤其可以进行高分