嵌入式侧扫声纳数据采集与存储平台的设计

摘要

海洋探测是海洋科学研究和海洋资源开发的基础。结合了水声探测技术和数字图像处理技术的水下成像声纳能够快速地获取海底地貌的二维或三维图像，水下声像声纳具有的快速获取、直观显示的特点使其在海洋探测领域上具有不可替代的优势。本文所提出的嵌入式侧扫声纳作为一种体积更小、使用更灵活、价格低廉的水下成像声纳设备，其优势在于可搭载在不同的水下平台进行作业并具有声纳数据存储记录的功能，使无缆或无法拖曳工作的水下平台兼具了水下目标探测、海底地貌成像等功能。本文以嵌入式侧扫声纳的研制为背景，对嵌入式侧扫声纳数据采集存储平台的软硬件设计及工程实现展开研究。　　首先，介绍了侧扫声纳的工作原理和发展趋势，并依此设计出嵌入式侧扫声纳的性能指标和系统总体设计方案，在此基础上，通过分析数据采集存储平台的功能需求，选用一片整合有高性能ARM9处理器的HPS核心和高速大容量FPGA核心的Cyclone VSoC芯片作为本平台的核心处理器，论述了该处理器在此平台上所具有的性能优势，阐述了基于该芯片的嵌入式侧扫声纳数据采集存储平台的软硬件开发流程。采用模块化的硬件设计方法，根据Cyclone V核心板设计功能性底板，论文对各个功能模块的硬件电路设计进行了详细的分析和论述，包括各模块电路设计原则、方案设计、芯片选型和电路构成。　　其次，在上述硬件架构的基础上，搭建了基于Qsys的数据传输系统。根据系统功能需求和数据流动路径，在Qsys中合理分配系统所需要的处理器模块和外设组件，配置硬核处理器HPS及HPS-FPGA间的高速桥接，根据数据高速传输的需求对各组件进行互联。编写硬件逻辑，在FPGA内部完成声纳数据的采集和声纳工作状态的控制；在Nios II软核上编写控制软件，通过DMA实现数据的高速传输。　　在FPGA端完成数据采集及部分控制功能后，在HPS中完成数据的存储和传输。在HPS上移植嵌入式Linux系统，生成并更新符合实际硬件系统的设备树和其他相关文件，并实现了HPS在不同方式下的引导启动。在此基础上，在嵌入式Linux系统中编写基于HPS-FPGA高速桥接的数据传输与控制的相关程序，同时根据嵌入式侧扫声纳的不同工作方式，编写相关应用软件实现声纳工作参数的传输、声纳数据存储及上传等功能。　　最后，对系统的各个功能模块进行调试与验证，证明了嵌入式侧扫声纳数据采集与存储平台能够达到预期设计的要求。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 论文研究背景及意义

1.2 侧扫声纳原理与发展现状

1.3 论文主要工作

第2章 系统总体设计方案

2.1 嵌入式侧扫声纳性能指标设计

2.2 嵌入式侧扫声纳系统总体结构

2.3 数据采集存储平台方案设计

2.4SoC FPGA技术

2.5 本章小结

第3章 基于FPGA信号采集控制单元的设计

3.1Cyclone V SoC核心板简介

3.2 底板电路设计

3.3 PCB设计要点

3.4 信号采集控制单元逻辑设计

3.5 构建Qsys系统平台

3.6Nios II程序设计

3.7 本章小结

第4章 基于HPS数据传输管理单元的设计

4.1 嵌入式Linux系统移植简介

4.2 基于FPGA定制嵌入式Linux系统

4.3 HPS启动方式及实现

4.4 基于SoC嵌入式系统软件设计

4.5 多线程与线程同步

4.6 网络通信设计

4.7 声纳数据存储

4.8 本章小结

第5章 平台的调试与验证

5.1 底板模块功能调试

5.2 HPS-FPGA通信测试

5.3 网络通信测试

5.4 数据存储测试

5.5 本章小结

结论

参考文献

致谢