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基于FPGA的多通道同步数据采集与处理系统的实现

作 者: 刘嵩
导 师: 陈心浩
学 校: 中南民族大学
专 业: 生物医学工程
关键词: 干涉合成孔径声纳 同步采集 可编程片上系统 有限冲击响应滤波器 分布式算法
分类号: TP274.2
类 型: 硕士论文
年 份: 2009年
下 载: 232次
引 用: 2次
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内容摘要


干涉合成孔径声纳成像系统研究中,声纳信号采集与处理是该领域的主要研究内容。为了获取干涉合成孔径声纳图像,需要对声纳信号进行较精确地同步采集和实时处理,因而给干涉合成孔径声纳成像系统的研究提出了新的问题。为了解决出现的问题,研究人员开展了大量的研究,取得了一些成效。但是,声纳成像系统信号采集密度较大,信号采集的同步性、系统体积、功耗等都有较严格的要求。针对这些要求,本论文根据可编程逻辑阵列(FPGA)集成度高、速度快、设计灵活等特点,以FPGA为核心进行成像信号采集与处理系统的设计,并对关键问题展开了研究,其主要研究内容包括以下几个方面:1)根据干涉合成孔径声纳成像系统的任务和要求,给出了信号采集与处理子系统的总体设计方案。该系统以FPGA为核心,以片上系统设计为基础,将NIOS软核处理器,以及系统所要求的数模转换器(ADC)的控制器、数据缓冲器、数据传输控制器等主要功能模块集成在FPGA上,结合现有的外围器件和模块等,构建了数据采集与处理系统。由于该系统利用了超大规模的FPGA,使系统的集成度较高,减小了系统地体积,降低了系统的功耗。2)为了保证声纳信号采集的同步性,设计了数据采集同步控制的驱动模块。为了完备的保留多通道声纳信号的相位信息和幅度信息,提出了一种联合控制、同步驱动的策略对多通道采集进行管理,给出了FPGA平台上软IP核的设计方案。仿真试验结果表明该IP核实现同步的精度高,且其移植方便。3)给出了基于分布式算法的数字有限脉冲响应(FIR)滤波器的实现方法。该方法将数字滤波器中固定系数的乘累加运算转换成查找表操作,避免了乘法运算。查找表后的数据通过简单的加法操作完成数值运算,从而提高了滤波器的运算速度。试验结果表明该方法不仅节省了FPGA的硬件资源,而且提高了系统速率。根据本文提出的设计方法和实现策略,以FPGA为平台,利用SOPC设计技术,完成了系统设计。该系统有效解决了多通道信号同步采样以及同步处理等技术难点。实验结果表明:该系统同步性能好、运算速度快、控制能力强,且其功耗低,运行稳定,满足应用要求。

全文目录


摘要  8-9
ABSTRACT  9-10
第1章 绪论  10-13
  1.1 数据采集系统的意义和任务  10
  1.2 多通道数据采集系统目前国内外现状  10-11
  1.3 课题来源及意义  11-12
  1.4 本文内容简介  12-13
第2章 数据采集系统的总体方案  13-17
  2.1 系统功能  13
  2.2 技术要求  13
  2.3 硬件设计实现方案与主要器件选择  13-15
    2.3.1 硬件设计实现方案  13-14
    2.3.2 主要器件选择  14-15
      2.3.2.1 ADC 转换器的选择  14
      2.3.2.2 FPGA 的选择  14-15
  2.4 软件设计实现方案  15-17
    2.4.1 MicroC/OS-II 系统简介  15
    2.4.2 系统多任务的实现  15-17
第3章 数据采集系统的硬件设计与实现  17-31
  3.1 片上系统设计  17-23
    3.1.1 SOPC 开发流程  17-18
    3.1.2 SOPC 系统实现  18-23
      3.1.2.1 NIOS 处理器的实现  18-19
      3.1.2.2 AD 控制核的实现  19-21
      3.1.2.3 DMA 模块设计  21-23
  3.2 主要外围电路的设计  23-31
    3.2.1 AD 采集模块的设计  23-24
    3.2.2 时钟驱动模块的设计  24-25
    3.2.3 存储器模块的设计  25-27
    3.2.4 FPGA 配置电路的设计  27-28
    3.2.5 电源模块的设计  28-31
第4章 信号预处理与实现  31-42
  4.1 FIR 滤波器介绍  31-32
  4.2 FIR 滤波器的实现结构  32-37
    4.2.1 乘累加结构的FIR 滤波器实现  32-33
    4.2.2 基于分布式算法结构的FIR 滤波器  33-37
      4.2.2.1 分布式算法原理  33-34
      4.2.2.2 分布式算法结构  34-37
  4.3 FIR 滤波器的设计实现  37-42
    4.3.1 FIR 滤波器参数选取  37-39
    4.3.2 FIR 滤波器模型建立  39-40
    4.3.3 系统仿真及结论  40-42
第5章 系统调试  42-44
  5.1 电路板静态测试  42
  5.2 电源模块的调试  42-43
  5.3 FPGA 的调试  43
  5.4 DMA 模块的调试  43
  5.5 外设模块的调试  43-44
第6章 总结与展望  44-45
参考文献  45-48
致谢  48-49
附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录  49-50
附录B 系统实物图  50

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化系统 > 数据处理、数据处理系统 > 数据收集和处理系统
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