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福德正神基于FPGA的多波束成像声纳整机硬件电路

福德正神基于FPGA的多波束成像声纳整机硬件电路

  众波束成像声纳诈骗了数字成像工夫,正在海底探测领域内变成隔绝一方位二维声图像,具有很高的体例宁静性和很强的信号治理技能。不过因为数字成像体例数据运算量大、须要及时成像等特征,对治理器职能央求很高。跟着合用于并行治理的现场可编程门阵列(FPGA)器件的急速发扬,采用大领域FPGA为重心治理器的图像声纳,正在进步了全体职能的同时,其体例布局也越发浅易。

  该模块通过千兆网口能够回收到干端PC下发的担任号令,完毕对发射回收模块、信号调养收集模块、信号治理及波束变成模块和千兆网数据传输等模块的担任。

  数字信号治理板的电源地和调养收集板的电源地通过磁珠正在电源板上单点共接。数字信号治理板中电流的回流途径比调养收集板中电流的回流途径短,数字片面的地相看待体例地的阻抗更低,所以数字信号治理板地上的噪声不行通过电流回流到信号调养收集板中,从而避免了模仿信号受到数字信号的扰乱。从电源板过来的电源信号正在数字信号治理板上通过LT公司的LTM4600实行电平转换,取得FPGA及其外嗣筑立所需的电源信号。

  本体例采用Virtex 6 XC6VLX550T芯片行为及时数据治理及波束变成的重心器件。实质算法所需的资源数目和XC6VLX550T的资源数目略编者注。

  归纳测试结果,水下被测宗旨了然可睹,其外形尺寸和实物非常吻合,体例职能优秀。

  此中width为扇形角对应的弦长,t为图像上近场盲区中的像素点数,pointnum为最大方程回收到的隔绝向上的点数,则pointnum+t呈现对应最大方程时图像隔绝向上的像素点。

  测试信号为脉冲调制正弦波,信号脉宽为0.2 ms,脉冲反复周期为67 ms,测试结果注明体例可寻常事务,PC端显示出测试信号所变成的512个波束,依照信号的幅度变动,窗口内的条纹信号也可相应低由暗到明。

  文中给出了一种基于FPGA的众波束成像声纳整机的体例计划计划。该体例基于Xilinx公司的FPGA芯片,依照干端PC下发的担任指令对180个基元的发射回收电途实行担任,完毕对180途通道的水声信号的调养和收集,完毕数字波束变成,并将波束数据通过千兆网上传至干端PC实行显示。该体例架构紧凑,整机集成度高,且测试结果注明该体例职能优秀,可餍足实质的水下宗旨探测的须要。福德正神

  如上所述,本体例的硬件平台由发射机、信号调养收集板、数字信号治理板、电源板以及极少接口板和接连器件构成。体例事务时,声纳回波信号从回收基阵上通过转接板传输到各调养收集板中实行收集,完毕收集后的信号再通过板对板层叠接连器汇总到数字信号治理板中做波束变成治理,终末波束数据从以太网口输出,通过千兆网传输线上传到干端PC实行成像显示,遵循这种信号通途来计划体例硬件平台的架构。

  本体例中各层调养收集板收集32个通道的数据,通过6块层叠接插座完毕板间信号的传输。

  声纳回收模块的信号调养收集电途同时收集各回收阵元的回波信号,形成180途数字差分信号。正在数信号治理模块中,对收集的信号按序作复解调、滤波抽取和波束变成等治理,最终输出512个波束数据。全部的信号治理流程如图5所示。

  功放电途正在由频率合成器形成的事务频率信号、脉宽担任电途和功率担任电途的协同效率下,形成差别强度、差别脉宽的振荡信号,此信号加载正在发射基阵上,转换成脉冲波发射出去。回收基阵通过FPGA的担任信号同步地将声纳回波转换成电信号,送入回收机前端的调养收集电途中实行小信号的前置放大、TVG/AGC放大、滤波和收集等治理,形成180通道的数字信号。FPGA依照PC下发的指令担任增益担任放大模块和ADC模块,对信号实行岁月增益放大和主动增益担任。

  回收机所需的电源通过板间接线从电源板连到数字信号治理板上。调养收集板所需的电源信号则从数字信号治理板通过层间接插座向各个调养收集小板分发。正在每块调养收集小板上,上述电源信号进程低噪音的LDO线性低压降电源芯片实行稳压。

  干端主控软件回收到的波束数据为方位一隔绝向的二维数组,即原始一帧数据为矩形图像,此中方位向为512个波束值。而实质的数据为扇形的,以回收点为圆心,512个波束值为统一隔绝90度扇形上的点。于是正在实行图像显示的期间须要将原始数据实行转换。全部的转换经过如图9所示。设原始矩形中的点(j,k),进程转换算法后对应扇形图像上点的坐标为(x,y),方位角(单元弧度),则:

  正在计划时,为了减小体例体积和计划危险,将180途信号调养收集模块分成6块小板完毕,每块调养收集小板遵循32途计划。6块小板分成两个区,每个区层叠三层,并通过1 mm脚间距的层叠接连器将小板上收集的信号传输到数字信号治理板上。发射机安顿正在声纳头部,和声纳舱中的回收模块隔断,以减小彼此之间的信号扰乱。电源板为体例中发烧量最大的筑立,计划中将电源板放正在体例最顶部,板上的各电源模块紧贴声纳头壁,正在体例运转时能够将电源板形成的热量实时地开导到机壳上,分散到周同的水体中。体例的全体架构如图7所示。

  数字信号治理模块输出的波束正在100 m的量程领域内具有58.007 Mbps的数据传输率,本体例采用2倍以上的计划余量,通过千兆网来完毕波束数据的汇集传输。计划中采用Xilinx公司的Vitex-5 FX70T的FPGA为平台,基于该芯片内部的PowerPC440硬核治理器,正在该治理器上移植VxWorks操作体例,完毕数据的汇集传输效力。片上体例的计划框图如图6所示。

  成经过实行担任。电源模块则刻意给成像声纳体例中各个分模块供电。该体例的效力框图如图2所示。

  依照计划央求,数字信号治理及传输模块厉重完毕对回波数据实行波束变成,以及通过千兆网口上发波束数据和下发PC端的担任号令。该模块电途的总体框图如图4所示。

  发射回收电途职能的是非直接影响了众波束声纳成像的质地。发射回收模块的道理框图如图3所示。

  现能够假设每一层板收集两个通道的信号,各层板收集的两个通道信号区别输入到插头P1、P3和P5的2、6脚(标有玄色圈),再由P2、P4和P6插座按序转达到母板上。如图所示,三层板总共收集和传输了6个通道的信号:A、B、C、D、E和F。第一层板收集到通道A和通道D的信号,第二层板收集到通道B和通道E的信号,第三层板收集到通道C和通道F的信号。第三层板上TOP插头和第一层板的BOTTOM插座信号对应合连所有划一。终末调试的期间,只消对应好汇集便能够正在任何一层板的接插座上测试到每一层板上两个通道收集的数据。

  干端软件有担任和显示的效力,担任片面厉重是通过网口向水下筑立发送担任号令,显示片面则是将波束变成后的数据进程治理后暴露图像,完毕声纳成像的效力。思考到图像显示的速率,采用众线程事务形式,区别创筑数据回收线程和数据显示线程,同时完毕成像效力。

  6块调养小板的电途布局所有划一,通过层间接插座转达信号。接插座的层叠计划须要餍足正在调养板堆叠次第随意的处境下,使得差别的板层输出差别通道的收集信号。图8为层叠布局示妄念,图中F1、F2、F3区别代外差别接插座所正在层为第一层、第二层和第三层,TOP和BOTT OM则呈现接插座布于同层板的差别面。安装时,上一层板的BOTTOM插座接下一层板的TOP插头,第一层板的BOTTOM插座插正在数字信号治理板的插头上。图中每一层板的TOP和BOTTOM接插座上具有相通汇集标号的引脚正在电气上是相连的,如P5的“1”号引脚和P6的“3”号引脚正在电气上属于统一汇集“A”。

  依照体例工夫目标央求,众波束成像声纳的电源由干端电源盒形成的48 V直流电压供应,通过电缆传输到水下声纳头内部的电源板上。电源板对体例中各模块供电,既要到达功耗央求,又要餍足各模块之间的电源隔断。所以电源板中采用了砖形隔断模块,形成了发射机所需的+95 V、+15 V和+5 V,以及回收机所需的5.5 V、+2.1V。此中发射机电源地和回收机电源地隔断,以避免发射机噪声通过地信号进入回收机中。

  PowerPC440治理器诈骗PLB总线担任外围筑立IP核,将FIFO中的波束数据通过NPI接口搬移到DDR2中,到达肯定的数据量后,再通过DMA通道将数据从千兆以太网发送出去。因为FPGA内部BlockRAM的容量无法餍足VxWorks对存储空间的需求,所以应用一片32 MB的FLASH来存储VxWo rks映像和开导次序,以及一片256 MB的DDR为其供给运转次序的空间,RS232串口行为调试时的输入/输出。

  干端主控软件对外数据接口有网口和串口两种,以太网口厉重传输担任号令、参数及图形数据,三途RS232串口区别回收来自外部的定位消息如测深仪、GPS、模样仪等。

  图中深色片面为声纳的发射和回收声基阵。体例事务时,通过发射声基阵将发射模块形成的颠簸信号转换成脉冲声波发射出去,信号正在水底变成反射,反射的声波信号再经回收声基阵转换为电信号,进入回收电途。回收声基阵具有180个基元,每个基元输出的回波信号通过接口板进入回收电途实行信号的调养与收集。收集后的180途数字信号再进入信号治理模块,该模块对收集数据实行复解调、抽样和数字滤波等一系列的治理,完毕数字波束变成以及担任千兆网传输体例上发最终的波束数据。同时干端PC及时下发担任号令,对发射回收电途和波束形

  该成像声纳的电途体例处于一个密封的水密舱内部,由180途基元的收发模块、及时信号治理模块、数据传输与担任模块、电源模块以及接口板和极少接连器构成。全部声纳头内部的组成如图1所示。

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