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基于Nios Ⅱ的多路基阵信号数据采集与传输技术研究

作　者: 刘洋
导　师: 朴胜春
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 水声工程
关键词: FPGA 数据采集 Nios Ⅱ W5100
分类号: TB565
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

随着水声技术研究的不断深入，各种水声设备在海洋开发、水下通信、军事国防等领域得到了广泛的应用。水声基阵信号的数据采集与传输技术作为水声技术研究的重要环节，也获得了越来越多的关注。随着科学技术的发展和实际应用的需要，水声基阵信号采集与传输系统逐步向小型化、智能化和低功耗等方向发展。本文基于单片FPGA芯片设计了三十二通道数据采集与传输系统，将SOPC技术应用于多路水声基阵信号数据采集系统，在缩小占板面积的同时，做到了高性能、低功耗和灵活化等。三十二路基阵信号数据采集与传输系统的设计包括系统硬件电路设计、系统软件设计和上位机显控软件设计三部分内容。硬件电路设计包括信号调理电路设计和数字电路设计，其中数字电路采用模块化设计，由模数转换电路模块、FPGA核心板模块和W5100网络功能电路模块三部分构成。硬件电路完成信号预处理、数据采集和数据以太网传输等功能。软件设计主要包括实现数据采集功能和实现网络传输功能的自定义IP核的设计和封装、Nios Ⅱ硬件系统的搭建、配置与生成和NIOS Ⅱ软核软件程序的设计三部分内容。上位机设计采用Labview语言进行编程，设计完成的上位机显控软件具有网络连接、数据接收与处理、波形显示和数据存储等功能。通过系统性能测试和实验，本文设计的多路基阵信号数据采集与传输系统基本符合设计指标，达到了预期的目标。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第1章绪论  10-15
  1.1 论文研究背景及意义  10-11
  1.2 国内外研究现状  11
  1.3 系统总体方案简介  11-13
    1.3.1 系统功能简介  11-12
    1.3.2 系统主要技术指标  12
    1.3.3 系统结构简介  12-13
    1.3.4 芯片选型原则  13
  1.4 本文主要研究内容  13-15
第2章系统硬件电路设计  15-29
  2.1 信号调理电路的实现  15-19
    2.1.1 前端放大电路设计  15-16
    2.1.2 滤波电路设计  16-17
    2.1.3 可控增益放大电路设计  17-18
    2.1.4 射随电路设计  18-19
    2.1.5 模拟电源设计  19
  2.2 模数转换模块电路的设计  19-22
    2.2.1 模数转换芯片选型  19-20
    2.2.2 电源模块设计  20-21
    2.2.3 模数转换电路设计  21-22
  2.3 FPGA 核心板电路的设计  22-27
    2.3.1 FPGA 芯片选型  23
    2.3.2 FPGA 电源电路设计  23-24
    2.3.3 FPGA 时钟电路设计  24-25
    2.3.4 FPGA 配置系统电路设计  25-26
    2.3.5 FPGA 复位及重置电路设计  26
    2.3.6 SPRAM 缓冲模块的设计  26-27
  2.4 网络功能模块电路的设计  27-28
  2.5 本章小结  28-29
第3章系统软件程序设计  29-57
  3.1 Nios Ⅱ 软核处理器系统设计简介  29-32
    3.1.1 Nios I 软核处理器系统设计流程  29
    3.1.2 Nios Ⅱ 软核处理器系统开发工具简介  29-31
    3.1.3 Nios Ⅱ 软核处理器及其体系结构简介  31
    3.1.4 Avalon 总线简介  31-32
  3.2 本文 Nios Ⅱ 软核系统设计流程  32
  3.3 自定义 IP 核的设计与封装  32-44
    3.3.1 IP 核简介  32-33
    3.3.2 模数转换模块 IP 核源代码文件设计  33-35
    3.3.3 网络功能模块 IP 核源代码文件设计  35-41
    3.3.4 IP 核的封装  41-44
  3.4 NIOS Ⅱ 软核的硬件系统设计  44-52
    3.4.1 Nios Ⅱ 软核处理器系统结构设计  44
    3.4.2 Nios Ⅱ 系统硬件开发流程  44-45
    3.4.3 Nios Ⅱ 硬件系统的搭建  45-48
    3.4.4 Nios Ⅱ 软核系统的配置  48-49
    3.4.5 Nios Ⅱ 软核系统的生成  49-52
  3.5 NIOS Ⅱ 软核的软件系统设计  52-54
    3.5.1 Nios Ⅱ 软核软件开发流程  52-53
    3.5.2 系统主体程序的实现  53-54
  3.6 数据采集显控软件的设计和实现  54-56
    3.6.1 数据处理与波形显示程序  54
    3.6.2 数据存储程序  54-55
    3.6.3 Labview 上位机显控界面  55-56
  3.7 本章小结  56-57
第4章数据采集系统调试与性能测试  57-65
  4.1 信号调理电路性能测试  57-60
    4.1.1 增益指标测试  57-59
    4.1.2 通频带指标测试  59
    4.1.3 功耗测量  59-60
  4.2 数据采集与传输系统性能测试  60-64
    4.2.1 系统稳定性测试与功耗测量  60
    4.2.2 多路基阵信号采集测试  60-64
  4.3 本章小结  64-65
结论  65-66
参考文献  66-70
致谢  70-71
附录  71-72

基于Nios Ⅱ的多路基阵信号数据采集与传输技术研究

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