基于FPGA的多通道同步数据采集与处理系统的实现

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。