论文题目：图像声呐的数字电路与高速存储的设计与实现
摘要：现如今陆地资源的开发已经逐渐趋于瓶颈,面对日渐匮乏的陆地资源,开发海洋内丰富的资源无疑成为了国际资源竞争的关键。在水下环境进行工作时,声呐发挥了无可替代的作用。其中图像声呐将外部信号转化为图像,供观察员进行更为直观的分析观察。在面对水下高速目标时,图像声呐可以通过对信号的原始数据进行高速存储,从而实现对信号的有效记录,避免数据出现过多遗漏导致信息丢失;当观察员通过显控平台观察到水下目标信号出现,通过对水下目标的原始数据进行更加详细地分析可以得到等多信息。本文通过对具有高速存储功能的图像声呐进行研究,采用DSP结合FPGA的结构为核心进行图像声呐数字处理系统设计,该系统可以在进行数据预处理的同时,通过SATA硬盘对原始数据进行高速存储。该系统可以在-15℃～+50℃的温度中工作8小时以上。系统的主要功能包括通过160路数据通道以137kHz的采样频率对频率范围345～405kHz,中心频率375kHz的信号进行采集,并将采集到的模拟信号转化为数字信号;数字处理系统在数据采集后既可以对数据进行预处理,也可以同时将原始数据高速存储到SATA硬盘中;采用LVDS串行接口对数字处理系统内部的数据传递进行高效快速地通信;对通过预处理之后的数据进行波束形成,并且可以将生成的图像通过百兆以太网传输到显控之上。本文的主要内容是根据图像声呐的特点以及其功能设计了具备高速存储功能的图像声呐的数字处理硬件系统,包括根据数字处理系统中个功能模块的性能要求与技术指标对芯片进行选型,确定了系统内模块之间的通信方式以及数据上传方式,完成硬件电路的总体设计;在硬件基础上开发出系统程序,包括系统的外部信号接收模块,预处理模块、SATA存储模块、串口传输模块等。针对预处理模块中滤波器,采用Matlab协助FPGA并结合乘累加方式（MAC）进行滤波器程序开发设计;在FPGA中添加MicroBlaze嵌入式软核结合其他的外设IP核,提高系统的灵活性。本文对图像声呐的数字电路以及设计的系统程序进行验证,同时验证系统的功能以及技术指标。结果证明本文中图像声呐的数字处理系统硬件设计与程序设计都满足了设计要求,可以实现预期的功能。
关键词：图像声呐;数字处理;FPGA;SATA;滤波器
学科专业：工程硕士（专业学位）
摘要
abstract
第1章 绪论
1.1 研究背景与意义
1.2 数字处理技术
1.3 图像声呐概述
1.4 图像声呐数字处理系统的国内外研究现状
1.5 论文研究的主要内容以及技术指标
第2章 数字电路设计
2.1 本章概述
2.2 数字处理系统的整体设计
2.2.1 FPGA1芯片选择
2.2.2 FPGA2芯片选择
2.2.3 DSP芯片选择
2.3 数字信号处理板的具体设计
2.3.1 电源供电模块
2.3.1.1 电源总供电模块
2.3.1.2 电源降压转换模块
2.3.2 FPGA1相关设计
2.3.2.1 FPGA1芯片供电需求
2.3.2.2 FPGA1芯片外部时钟需求
2.3.2.3 FPGA1配置芯片
2.3.3 AD采集模块
2.3.3.1 AD采集芯片
2.3.3.2 AD芯片的驱动
2.3.4 FPGA2相关设计
2.3.4.1 FPGA2模块供电
2.3.4.2 FPGA2配置芯片
2.3.5 温度传感器
2.3.6 同步动态随机存取内存
2.3.7 FPGA2通信模块
2.3.8 DAC模块
2.3.9 DSP相关设计
2.3.9.1 DSP模块供电
2.3.9.2 DSP闪存
2.3.10 百兆以太网传输
2.4 本章小结
第3章 数据采集存储控制单元设计及验证
3.1 本章概述
3.2 AD采集进程
3.2.1 AD采集程序设计
3.2.2 AD采集程序验证
3.3 32路通道控制器
3.4 SATA存储
3.4.1 SATA硬盘基本概念以及SATA IP核的作用
3.4.2 SATA储存的操作过程
3.5 数据缓存控制器
3.6 数据分派器
3.7 SATA存储以及验证
3.8 MICROBLAZE处理器
3.9 本章小结
第4章 预处理单元与传输模块设计及验证
4.1 预处理单元
4.2 滤波器设计
4.2.1 滤波器设计原理
4.2.2 基于MATLAB的 FDATOOL工具设计滤波器系数
4.2.3 生成预处理器滤波器系数
4.2.4 滤波器设计方法
4.3 滤波器模块验证
4.4 正交混频实现
4.5 预处理单元功能验证
4.6 串行传输模块
4.7 串行传输模块验证
4.8 系统总体技术指标验证
4.9 本章小结
结论
参考文献
致谢