一种基于NI cRIO的同步测距装置

摘要

水声潜标在海洋勘探、军事布防、资源开发等方面有着广泛的应用，具有隐蔽性良好、方便布放回收等优点，在目前的水声导航跟踪定位等应用中占有重要地位。水声测距技术是定位的基础和关键。NI CompactRIO是美国国家仪器公司生产的一款高性能工业级嵌入式实时测控系统，其拥有坚固的硬件架构，十分适合在严酷的海洋环境和狭小的潜标电子仓中使用。本文针对潜标定位系统中的测距功能，设计了一套以DSPTMS320VC5509A为核心的，基于NI控制器的嵌入式同步测距装置。 本文首先分析系统设计指标，根据指标需求制定设计方案。算法方面分别针对宽带信号和窄带信号的信号特性设计不同的时延估计算法，详细阐述算法原理，仿真分析各算法中关键因素对时延估计结果的影响。针对水声信道的特性设计峰值判决检测流程，通过多种判决门限减小虚警概率，优化系统检测性能。在工程实现方面选择高性能低功耗芯片TMS320VC5509A作为系统硬件搭载平台，选用高精度铷原子钟作为同步测距时间对时标准。根据系统需求分模块完成硬件底板的设计。在完成算法移植的基础上，对功能实现中相应的DSP外设进行开发，包括利用McBSP对AD数据进行采集，应用于乒乓缓冲的DMA配置，使用定时器进行时延记录和GPIO口数据上传。最后根据NI公司开发标准进行自定义C模块的设计和配置，使用NI CompactRIO9030作为上位机控制器，设计接口通信模式，完成上位机与测距C模块的信息交互。在上位机数据存储阶段加入野值点判决设计，进一步平滑测距轨迹。最后基于LabVIEW软件设计监测显控界面和数据存储程序，完成基于NI控制器的同步测距装置系统设计。 通过在实验室进行的电源功耗，网络连接等功能性测试，验证本系统所有功能正常，系统运行稳定，通过海试数据验证本设计的测距精度满足指标要求。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1研究背景及意义

1．2水声测距技术研究

1．3虚拟仪器概述

1．4数字信号处理器发展概述

1．5论文主要内容

第2章同步测距装置硬件设计

2．1．1系统设计指标

2．1．2系统设计方案

2．2铷原子钟模块

2．3测距仪总体硬件设计

2．4测距仪硬件平台

2．5系统外围电路设计

2．5．1模拟接收电路增益设计

2．5．2电源模块设计

2．5．3信号调理模块

2．5．4模数转换模块

2．5．5睡眠模块电路设计

2．5．6核心板外围电路

2．6本章小结

第3章同步测距装置软件设计

3．1基于TOA的同步测距算法

3．2宽带信号算法设计

3．2．1匹配滤波器与相关

3．2．2频域快速卷积

3．2．3宽带信号检测性能分析

3．3窄带信号算法设计

3．3．1自适应notch滤波器原理

3．3．2自适应notch滤波器性能分析

3．4检测判决流程

3．4．1自适应幅值门限

3．4．2宽度计数器

3．4．3直达波判决

3．4．4时延估计流程

3．5 DSP软件设计

3．5．1参数设置模块

3．5．2快速滑动相关

3．5．3 ping pong缓存在实时处理中的应用

3．5．4定时器计时模块

3．6测距仪总体工作流程

3．7本章小结

第4章基于NI cRIO 9030的上位机系统设计

4．1 NI cRIO 9030系统

4．1．2 NI cRIO 9030时间初始化设置

4．2用户自定义C系列模块设计

4．2．1自定义C模块标准化设计

4．2．2自定义C模块初始化设置

4．3接口通信

4．3．1接口硬件连接

4．3．2数据传输配置与软件实现

4．4野值点判决

4．5数据存储与上位机显控界面设计

4．6本章小结

第5章功能验证与数据分析

5．1电源和功耗测试

5．2铷原子钟驯服测试

5．3 NI CompactRIO 9030机箱网络测试

5．4 AD模块和放大电路测试

5．5潜标信号存储与显控测试

5．6海试数据分析与处理

5．7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