基于多核DSP船体结构应力监测系统的平台设计

摘要

近年来，我国的造船工业正在迅速发展中，尤其是大型船舶的发展，在提高船舶荷载时，加上船只航行环境的复杂多变性，导致船舶的安全问题也越来越引起人们的关注。船舶结构监测、分析船舶结构的安全状态和评估船体结构的疲劳寿命有着紧密的关系，也为船体结构的设计提供了可靠的依据。为了满足对在复杂环境中航行的船舶结构进行实时监控的需求，本文提出了一种基于多核 DSP的船体结构应力监测系统平台的设计方案。本设计方案不仅充分利用了多核DSP多核并行的处理能力，还发挥多核 DSP的移植性强、接口资源多的优势，使得系统可以很好地适应不同的需求。
　　依据本文设计方案，需要完成基于多核 DSP船体结构应力监测系统的硬件设计，以及硬件平台软件和上位机软件的设计。硬件部分主要实现多路传感器数据的接收，并且完成与上位机之间的通信，将经过处理后的数据快速地发送到上位机进行进一步处理；上位机需要完成的任务就是在控制端进行显示，并且将数据存储到本地的数据库中，以便船体结构应力监测系统对船体结构健康状态进行评估。通信采用DSP片上集成的千兆以太网接口来实现，不仅在速度上能够满足系统的要求，而且能够与其他设备进行通用的网络连接，减少了硬件配置的复杂性，提高了系统的安装效率，适应了船舶航行中复杂的环境，增加了系统的灵活性。本文主要完成的工作包括：
　　首先，给出总体的设计方案。第一步，分析了本文设计的硬件系统需要完成的基本功能，从应力数据计算、滤波器设计等方面进行简要的阐述；第二步，根据船体结构应监测系统对平台的需求的分析，提出本文软件系统需要完成的功能；最后，从总体上给出了本文系统平台的设计方案。
　　其次，给出了船体结构应力监测系统平台的硬件系统设计。第一步，给出了硬件系统的整体构架，分析了每个模块的连接方式，以及每个模块应该完成的工作；第二步，根据系统的需求选取核心的处理芯片，完成芯片的选型工作并对核心处理器的结构做了简要地介绍；最后，以硬件模块为单位对硬件子系统进行详细的方案设计，给出了重要部分的设计电路，并且分析了每个模块的功能作用和具体实现的方法。从硬件模块和接口实现等方面进行分析，结合了各个模块的协调性，从最小系统设计、存储器设计、通信接口设计等方面，展开了对以多核DSP为核心的硬件系统的研究，完成整个系统平台的硬件设计。
　　再次，给出了船体结构应力监测系统的平台软件设计。第一步，分析了整个船体结构应力监测系统平台的软件设计组成，包括 DSP软件设计和上位机软件设计；第二步，分别从多核DSP片上系统软件设计和上位机软件设计两个方面，对硬件模块中各个接口具体功能实现的方案以及上位机软件进行设计，使得上位机和硬件系统可以进行有效地通信。
　　最后，完成了系统平台的调试。本文设计的核心部分是基于多核 DSP TMS320C6678的硬件子系统，该部分完成整个系统中的信号处理，并把结果发送给上位机，以实现对船体结构受力情况的实时观测与监控。本文采用多核并行访问内部或者外部的存储器的机制，研究了多核并行访问存储器需要考虑的内存分配、资源安排、软件设计结构等因素，以及在多核 DSP进行并行访问时应该遵循的原则。本文着重介绍了DSP最小系统及其外设的调试，包括硬件电源模块、时钟模块、以太网接口、串口、多核多任务并行调试，调试结果可以验证系统平台整体设计方案的可行性和正确性。

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第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外发展现状

1.3 论文主要工作及结构安排

第2章 船体结构应力监测系统简介及平台方案设计

2.1 船体结构应力监测系统简介

2.2 系统平台的方案设计

2.3 本章小结

第3章 系统平台硬件设计

3.1 系统平台硬件整体构架

3.2 芯片选型

3.3 TMS320C6678最小系统设计

3.4 存储器及BOOT接口设计

3.5 DSP通信接口设计

3.6 本章小结

第4章 系统平台软件设计

4.1 系统平台软件总体设计

4.2 DSP软件设计

4.3 上位机软件设计

4.4 本章小结

第5章 系统平台调试

5.1 电源与时钟调试

5.2 通信接口调试

5.3 DDR3存储器调试

5.4 多核DSP并行调试

5.5 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文和参与的项目

致谢