拖曳式成像声纳采集与传输系统硬件设计

摘要

成像声纳技术用于对水下地形、地貌，水中障碍物，水下探测设备等进行细节特征探测，在海洋探测领域有广泛的应用前景。成像声纳的工作原理是接收不同频率的声波信号的回波，将接收到的信号进行合成，构成二维或三维图像。成像声纳的设计要点在于成像分辨率、声波数据量、成像速度和声通道数量等。本文研究开发了拖曳式成像声纳采集与传输系统，可以胜任水下复杂环境勘测和水中障碍物方位外观检测的任务，在采样频率和数据传输速率上均具有明显优势。
　　拖曳式成像声纳采集与传输系统以TI公司的TM S320DM8127低功耗数字媒体处理器为核心，通过内部集成的两个内存控制器，扩展8Gb DDR3颗粒，对128个声通道数据进行同步高速采样处理，最终通过内部EMAC模块扩展千兆以太网传输接口，将数据发送至控制中心系统，使用Xilinx公司的高性能Spartan-6系列FPGA作为声通道数据采样器件，对多个声通道的数据进行同步采样，并对数据进行实时缓存，通过PCI-Express通讯接口将声通道数据传输至处理器TMS320DM8127，实现大量数据的快速传输任务。
　　经系统测试，系统声通道间相位一致性小于1°，系统声通道间幅度一致性小于1dB，整机工作正常稳定，系统满足设计要求。

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致谢

摘要

1 绪论

1．1 课题的背景和意义

1．2 相关研究概述

1．2．1 成像声纳原理概述

1．2．2 FPGA技术概述

1．2．3 TI公司DavinciTM技术概述

1．3 课题研究内容

1．3．1 论文的主要工作

1．3．2 论文的章节结构

2 系统硬件总体架构设计

2．1 系统功能需求分析

2．2 系统设计方案

2．2．1 系统主要芯片选型

2．2．2 系统硬件设计方案

2．2．3 系统FPGA设计方案

2．2．4 系统软件设计方案

2．3 本章小结

3 系统硬件详细设计

3．1 数据处理发送模块

3．1．1 DDR3 SDRAM接口

3．1．2 NAND FLASH接口

3．1．3 千兆以太网接口

3．1．4 其他扩展电路及接口

3．2 声通道数据模拟前端处理模块

3．2．1 模拟电路设计

3．2．2 A／D转换电路设计

3．3 FPGA存储接收模块

3．4 PCI-Express通讯模块

3．5 电源模块

3．6 时钟模块

3．7 本章小结

4 系统硬件电路实现

4．1 信号完整性分析

4．1．1 信号完整性分析

4．1．2 电源完整性分析

4．2 PCB布局

4．3 PCB布线

4．3．1 PCB叠层设计

4．3．2 PCB布线设计

4．4 系统PCB设计结果

4．5 系统硬件电路调试

4．6 本章小结

5 系统FPGA设计与实现

5．1 同步采样与控制模块

5．2 存储模块

5．3 时钟模块

5．4 PCI-Express传输模块

5．5 FPGA设计仿真

5．6 本章小结

6 系统测试

6．1 系统测试方案

6．2 系统功能测试

6．3 系统测试结果分析

6．4 本章小结

7 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

作者简历