船载雷达图像压缩记录系统研制

摘要

船舶航行数据记录仪，简称VDR(VoyageDataRecorder)，是一种专门用于记录、保存和分析船舶航行过程中重要信息参数的智能化记录设备，其功能相当于飞机上的“黑匣子”。在船舶发生海事事故后，船舶航行数据记录仪所记录的数据对于分析事故原因，进行海事责任判定具有不可替代的重要作用。VDR系统主要由VDR主机、船舶运行数据采集模块、信号处理模块、语音模块、雷达图像采集模块、主存储器、黑匣子备份存储器、备用电源、麦克风以及监视或回放计算机等部分组成。 VDR系统中的雷达图像记录系统用于采集雷达的图像信号，经压缩后再将数据传送到存储器存储。图像画面分辨率可高达1280×1024像素，采集周期为1帧/15秒。 本文主要讨论VDR系统中的雷达图像记录系统的设计以及开发。第一章主要讨论当前VDR系统的发展概况以及船载雷达图像记录系统的作用，并指出了VDR系统对于国际航海安全的重要意义。第二章分析VDR系统中雷达图像采集系统的设计要求，明确系统设计的难点和重点，并提出了一整套相应的实现方案，确定了系统必须采用FPGA来实现高速数据采集，并采用嵌入式的ARM系统实现系统控制。第三章详细讨论雷达图像记录系统的硬件实现方案，介绍了用FPGA实现高速数据采集系统的设计方法以及DSP和嵌入式ARM系统的设计方法。本章中还讨论了高速数字电路PCB设计时的信号完整性分析的基础理论，以及相应的设计技巧。第四章详细讨论雷达图像记录系统的软件实现方案。既介绍了嵌入式Linux操作系统的基本概念及其开发方法，也介绍了Linux操作系统的设备驱动程序设计概念及其开发方法，还详细介绍了实现雷达图像记录系统的各种通信协议以及文件系统的设计，最后还简要介绍了JPEG图像压缩算法。第五章总结了数字系统的设计开发方法，同时也指出了本系统更进一步发展的方向。 本文所设计的船载雷达图像记录系统已经制作成功并经实际运行，其各项参数完全达到并且部分超过了船级社对VDR系统的要求。

目录

摘要

第一章绪论

1.1 VDR(Voyage Data Recorder)系统发展概况

1.2船载雷达图像记录系统

1.3本文的主要内容

第二章系统设计

2.1 VDR系统分析

2.2系统架构

2.2.1 工作频率

2.2.2存储设备

2.2.3实时性分析

2.3硬件解决方案

2.3.1采集模块

2.3.2压缩模块

2.3.3存储模块

2.3.4备份模块

2.4软件解决方案

2.4.1主控制流程

2.4.2嵌入式操作系统

2.4.3图像压缩

2.5本章小结

第三章硬件设计

3.1主要芯片介绍

3.1.1AD9883A

3.1.2FPGA

3.1.3DSP

3.1.4ARM

3.2硬件系统设计

3.2.1FPGA逻辑设计

3.2.2 FPGA系统设计方法

3.2.3AD接口逻辑

3.2.4主控制器与SDRAM控制器

3.2.5ASRAM接口设计

3.2.6IIC接口设计

3.3 DSP系统设计

3.3.1引导方式

3.3.2图像检测电路

3.3.3 HPI接口

3.4 ARM系统设计

3.4.1最小系统

3.4.2FLASH扩展

3.4.3 HPI接口

3.4.4 485通信接口

3.4.5USB接口

3.5高速PCB设计理论

3.5.1高速PCB设计基础

3.5.2传输线理论

3.5.3电源

3.6本章小结

第四章软件设计

4.1嵌入式Linux操作系统介绍及调试方法

4.1.1嵌入式操作系统

4.1.2 Linux嵌入式操作系统

4.1.3开发调试方法

4.2 Linux设备驱动程序开发

4.3 USB通信协议

4.4 485通信协议

4.5文件系统设计

4.6 JPEG图像压缩

4.7系统联调

4.8本章小结

第五章总结与展望

致谢

参考文献

附录一

附录二