基于FPGA和PCI-E接口的被动式噪声定位处理机设计

摘要

本文以水下噪声定位为运用研究背景，以被动式水声跟踪测量系统项目为应用支撑，采用基于FPGA技术、PCI-Express总线技术和USB3.0总线技术的总体架构，设计了一种基于FPGA和PCI-E总线接口的被动式噪声定位处理机。 结合技术背景分析了研制数字化、集成化、通用化的被动式噪声定位处理机现实运用需求。研究了项目涉及到的被动噪声定位原理，分析了噪声定位、定向与时延估计之间的关系。 在研究了水声信号数字化处理系统的基本结构及其特点后，结合项目运用需求，提出了被动式噪声定位处理机的指标要求。根据指标要求，采用软硬件协同设计的方法，提出了系统的整体设计方案，该方案以 FPGA 为全系统软硬件设计的核心，采用PCI-E总线和USB3.0总线的双总线数据传输模式，实现水声信号的多路同步采集、数据 FIR 滤波及上传计算机的功能；同时，分析了所采用的各项技术的先进性和可行性。 根据整体设计方案以及系统功能实现的途径，提出了本设计的硬件方案和软件方案。基于硬件设计方案，运用模块化设计方法将系统硬件指标分解到各功能模块电路，设计的主要模块包括ADC与DAC模块、FPGA模块、计算机总线接口模块以及电源模块；通过精心挑选各模块主要元器件，对硬件模块进行了详细设计，同时针对高速PCB设计中需要注意的问题进行了分析，并给出了解决的方法。基于软件设计方案，详细研究分析了多片ADC器件的同步采样及数据读写控制时序、基于硬核IP的PCI-Express总线接口实现和基于开发包的USB3.0总线接口实现。在软件设计中主要体现了基于IP核设计的FPGA设计思想。 本文设计的被动式噪声定位处理机运用 FPGA 的可重复编程技术和双数据传输总线的架构，在简化系统结构的同时提高了系统通用性，使其既可以内嵌于工控机内，也可以外置独立使用。本设计具有结构简洁、技术先进、集成化高和通用性强等优点，通过系统调试结果证明设计达到了项目技术要求，其设计方案具有巨大的推广价值。

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