一种嵌入式定浮点多波束测深声纳信号采集与处理平台的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种嵌入式定浮点多波束测深声纳信号采集与处理平台。
【背景技术】
[0002]多波束探测技术是近些年国际上公认的适用范围最广的海底地形地貌探测技术之一，在探测海底地形地貌的很多个领域，如调查海洋资源、测量航道、研究海洋环境、观测水下地形、观测水下建筑物等，都取得了广泛的应用。目前水声信号处理的理论已经逐渐形成了较为成熟的体系，随着各种算法的迅速发展，对信号处理系统也提出了更高的要求。新型多波束测深算法需要进行大量的定点、浮点混合运算，这也对信号处理板提出了更新的要求。更高的处理速度、更快的接口传输以及嵌入式的设计方式都是现阶段的研究热点。新型多波束测深声纳对信号处理系统提出的要求是低功耗、高效率、小型化、嵌入化，而市面上现有的商业处理系统不能很好地契合要求，尤其是现有的商业信号采集板采集路数较少、精度较低，不能满足多波束测深系统几十甚至上百路模拟信号的采集需求。而且，现有的商业信号处理板采用的处理器结构单一，不能很好的适应多波束测深算法中复杂的定浮点混合运算，致使算法运算效率受到了极大地限制。
[0003]现有多波束测深系统多数采用信号采集板与信号处理板分置的形式，并且多片处理器布置在一块电路板上的形式，这种电路形式下的处理器不能够进行单独的调试，并且一旦某片处理器出现故障，需要面临信号处理系统的整体调试维修，这也提高了系统维护的难度。随着新型处理器的不断出现，多波束测深声纳的信号采集处理系统也面临着不断升级，这时上述的电路结构的缺点便暴露出来，采用新的处理器将需要重新绘制整块电路板，这也加大了系统升级换代的开发成本，阻碍了多波束测深技术的进一步提高。所以，本发明提出了一种信号采集底板嵌入信号处理板的处理平台工作模式，将两块电路板合成一块电路板，使原本分立的信号采集板与信号处理板有机的嵌入在一起，在节省机箱空间的同时也抑制了因板间信号传输所引入的噪声干扰，为多波束系统的升级、优化就提供了极大地便利。信号采集底板配合信号处理板的处理平台能够将多波束测深系统的信号调理、采集、处理、传输等部分统一结合起来，满足新一代多波束测深声纳的系统需求。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是在于提供一种处理能力强大、功能齐全、调试简易的嵌入式定浮点多波束测深声纳信号采集与处理平台。
[0005]本发明的目的是这样实现的:
[0006]—种嵌入式定浮点多波束测深声纳信号采集与处理平台，由逻辑控制系统10、嵌入式算法处理系统A20、嵌入式算法处理系统B30、阻抗匹配电路40、信号调理与采集电路50、CPCI数据传输电路60、控制参数传输电路70、系统模拟电源80、系统数字电源90组成，换能器接收到的原始回波信号经由CPCI数据传输电路60的自定义接口传输至信号调理与采集电路50，对原始信号进行信号调理，由逻辑控制系统10控制采样时序完成信号的采集过程，采集到的数据传输至逻辑控制系统10进行多波束测深算法的正交变换、数字滤波、波束形成预处理过程，在采样间隔内经阻抗匹配电路40传输至嵌入式算法处理系统A20、嵌入式算法处理系统B30，进行多波束测深算法实时处理，算法参数命令由控制参数传输电路70进行传递，算法处理后的数据回传给逻辑控制系统10，经CPCI数据传输电路60上传至上位机，系统所需电源由系统模拟电源80和系统数字电源90分别供给。
[0007]系统模拟电源与系统数字电源独立设计，原始电源均由CPCI数据传输电路通过自定义CPCI接口区供给；系统模拟电源使用低噪声模拟电压芯片，系统数字电源使用专用低压线性稳压器，系统模拟电源与系统数字电源间进行了电源隔离。
[0008]逻辑控制系统采用FPGA芯片，控制平台所利用到的数字电路时序；逻辑控制系统将信号调理与采集电路采集到的原始信号进行算法预处理，经阻抗匹配电路对高速数字信号进行阻抗匹配后，在采样间隔内传递至嵌入式算法处理系统A与嵌入式算法处理系统B，进行多波束测深算法实时处理，嵌入式算法处理系统A与嵌入式算法处理系统B自适应定点、浮点运算，配合逻辑控制系统预处理结果在信号采样间隔内完成多波束测深数据的实时解算。
[0009]由逻辑控制系统控制信号调理与采集电路对模拟信号进行放大、滤波调理过程，按照带通采样原理并行采集多路多波束声纳回波信号，采集到的原始信号以及经算法处理后的多波束测深数据，经CPCI数据传输电路传输至上位机保存，平台工作的控制参数由上位机通过控制参数传输电路，传输至逻辑控制系统。
[0010]嵌入式算法处理系统A和嵌入式算法处理系统B经阻抗匹配电路连接至逻辑控制系统，使用uPP接口配合FPGA内部建立的FIFO缓冲机制。
[0011]嵌入式算法处理系统A20和嵌入式算法处理系统B30配合逻辑控制系统10进行外设功能配置，嵌入式算法处理系统A20和嵌入式算法处理系统B30之间可通过uPP接口、EMIF接口或SPI接口进行数据交互，传输方式由逻辑控制系统10按照传输数据量大小进行分配。
[0012]本发明的优点是:
[0013]1、针对现有多波束测深系统中多片处理器布置在一块电路板上灵活性差、调试困难的不足，设计了能够脱离底板单独供电、运行、调试的嵌入式算法处理系统。提出了一种信号采集底板嵌入信号处理板的处理平台工作模式，将两块电路板合成一块电路板，使原本分立的信号采集板与信号处理板有机的嵌入在一起，在节省机箱空间的同时也抑制了因板间信号传输所引入的噪声干扰，为多波束系统的升级、优化就提供了极大地便利。
[0014]2、本设计中采用的嵌入式算法处理系统采用的是一种新型定/浮点处理器，内核耦合了 TI公司实现更高系统性能的C64x+内核(定点运算)和精度高、动态范围大的C67x+内核(浮点运算)，配合设计中的高速数据存储器mDDR，信号处理能力和数据吞吐率均较现有多波束测深系统有显著增强。设计兼顾定点与浮点运算，能够较好地配合新型多波束测深算法复杂的定点、浮点混合运算的需求，处理灵活性显著增加。使用uPP(通用并行)接口配合FPGA内部建立的FIFO(先入先出)缓冲机制进行高速核间数据传输，确保数据传输连续、稳定。
[0015]3、本设计中核心控制系统采用了高端的FPGA器件，不同于现有商业采集板只具有单一的采集控制功能，本平台设计的控制核心除满足逻辑时需控制的要求外，还能够利用IP核进行多波束测深数据的预处理，这也为后续的算法处理系统减轻了压力，为平台整体扩展了较为强大的信号处理能力。
[0016]4、此信号处理平台体积小，功耗低，接口形式采用标准的CPCI插槽结构，满足多波束测深声纳系统对信号处理板嵌入水下电子舱的要求。并且可以多块处理板嵌入同一系统中，配合多波束测深算法进行并行式计算，大大的提高了系统的运算能力以及扩展灵活性。结合新型器件的特性，多数信号管脚采用功能复用模式，不需要工作的外设单独采用休眠功能，能够在节省体积的同时进一步降低系统功耗。
【附图说明】
[0017]图1信号采集与处理平台系统结构框图。
[0018]图2逻辑控制系统与算法处理系统连接框图。
[0019]图3信号调理与采集电路框图。
[0020]图4嵌入式算法处理系统接口框图。
[0021 ]图5a逻辑控制系统WMT算法预处理结构图。
[0022]图5b逻辑控制系统MSA算法预处理结构图。
[0023]图6嵌入式算法处理系统算法流程图。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图对本发明进行详细描述:
[0025]本发明涉及一种嵌入式定浮点多波束测深声纳信号采集与处理平台，控制核心采用高速FPGA处理器芯片，完成数字电路的时序控制以及多波束测深声纳信号的缓存，利用IP核实时完成多波束测深数据的正交变换、数字滤波、波束形成等预处理过程，并且与DSP处理器进行高速数据传输。通过信号调理电路完成信号的滤波、放大等处理，使用多片ADC芯片，可并行完成多路回波信号的采集功能。使用定/浮点DSP处理器芯片，自适应定点或浮点运算，特别适合定浮点混合运算的复杂多波束测深算法，能够高效的完成多波束测深数据的解算并将数据回传给FPGA处理器芯片。使用专用PCI芯片，配合自定义CPCI接口，实现了数据的高速上传。采用标准6U规格的CPCI电路板，方便嵌入各类标准型工业控制机箱，灵活性极强。由本发明可实现多波束测深声纳信号的调理、采集、缓存、预处理、传输等功能，实现多波束测深算法的实时解算，最终将采集到的原始数据以及测深结果上传至上位机。
[0026]通过信号调理与采集电路(50)，将由CPCI (紧密型外部期间互连标准)数据传输电路出0)传递进入处理平台的模拟回波信号进行固定增益放大、可变增益放大、信号滤波处理后，并行转换成数字信号。由逻辑控制系统(10)完成相应数字器件的时序控制功能，同时利用内部IP (知识产权)核完成信号的数字滤波、正交变换、波束形成等算法预处理。逻辑控制系统(10)将预处理后的数据通过阻抗匹配电路(40)，分别传递进入嵌入式算法处理系统A(20)和嵌入式算法处理系统B(30)完成不同的算法处理，同时嵌入式算法处理系统A(20)和嵌入式算法处理系统B (30)之间进行算法结果的交互。最终的计算结果以及