利用FPGA現(xiàn)小型聲納的片上系統(tǒng)集成

1、    利用FPGA現(xiàn)小型聲納的片上系統(tǒng)集成摘要：介紹大規(guī)模、高速度的在小型漁用聲納系統(tǒng)設計中的應用。在該系統(tǒng)設計中，采用了公司的芯片作為主要器件，基本上將整個系統(tǒng)的功能集成在了一片芯片上。實踐證明，即降低了成本，又縮短了設計和調試的時間。關鍵詞：聲納片上系統(tǒng)從傳統(tǒng)意義上來說，等通用可編程器件往往被應用于速率較低的設計中，而在高速的應用中，則往往使用專用的芯片及集成電路摘要：介紹大規(guī)模、高速度的在小型漁用聲納系統(tǒng)設計中的應用。在該系統(tǒng)設計中，采用了公司的芯片作為主要器件，基本上將整個系統(tǒng)的功能集成在了一片芯片上。實踐證明，即降低了成本，又縮短了設計和調試

2、的時間。    關鍵詞：聲納 片上系統(tǒng)    從傳統(tǒng)意義上來說，等通用可編程器件往往被應用于速率較低的設計中，而在高速的應用中，則往往使用專用的芯片及集成電路進行設計。這樣做雖然滿足了對速度的要求，但是開發(fā)周期較長，產品的調試修改升級比較困難，而且靈活性較差。    隨著工藝水平的提高，等可編程器件的速度和規(guī)模都有了很大的提高，而且它還具有集成度高、體積小、功耗低、設計靈活等優(yōu)勢，這樣就為利用可編程器件實現(xiàn)高速處理開辟了道路。目前新一代的等可編程器件，不僅在速度上能滿足的要求，而且可編程資源也大大增加，在

3、系統(tǒng)級集成方面也能滿足需要，從而提高了系統(tǒng)的靈活性和適應性。因此，在開發(fā)周期較短或對系統(tǒng)靈活性要求較高的場所，能夠提供比專用器件更高的系統(tǒng)速度和更好的解決方案。    我們在設計小型聲納的過程中，根據系統(tǒng)的要求，采用了公司的 芯片。1 器件介紹    系列的是公司推出的低價格、高性能的現(xiàn)場可編程門陣列。它的主要特點是：    ·系統(tǒng)門的數(shù)目達到了， 數(shù)目達，系統(tǒng)資源豐富    ·具備片上可配置分布式? 最多配置的比特數(shù)達位   

4、; ·分布式算術邏輯單元，支持分布式運算    ·支持 及系統(tǒng)集成    其片內結構如圖所示。2 由構成的聲納系統(tǒng)的原理    以為主體構成的漁用聲納的基本功能框圖如圖所示。其中，虛線內的功能模塊全部集中在芯片內。    小型漁用聲納系統(tǒng)的基本工作原理是根據從水下反射的聲波回波信號，顯示水下魚群和海底的深度情況。這種小型的聲波探測系統(tǒng)在漁業(yè)生產和航海安全上起著很重要的作用，在小型船舶上使用相當普遍。整個系統(tǒng)分為模擬和數(shù)字兩大部分。  &

5、#160; 模擬部分根據環(huán)境噪聲和量程的要求，或載頻的鍵控脈沖經過緩沖、整形、推動和推挽功放之后，調制信號送到聲波換能器?發(fā)射到水中。接收電路為一外差接收機。不同頻率的反射信號經過前放后，與本機的晶振混頻，產生的中頻信號，經過兩級中放和檢波后，由變換器形成比特的數(shù)字信號，送到聲納的數(shù)字處理部分。收發(fā)轉換模塊控制著收發(fā)信號的隔離，避免它們之間的串擾，尤其要避免發(fā)射信號串入接收機端而引起接收機性能的大幅度下降。同時，通過時變增益控制（）等手段，使得輸入信號的動態(tài)范圍得到了壓縮，增大了接收機的工作范圍，也使得整個模擬部分的抗干擾性和信噪比得到了提高。    整個聲納系統(tǒng)

6、的數(shù)字部分集中在一片芯片中。經變換后的數(shù)據，在數(shù)據獲取控制單元的協(xié)調下，通過正常記錄和海底鎖定記錄兩個通道分別進入輸入存儲器。輸入存儲器中的回波數(shù)據，經過相關處理、雜波消除、強度變換和坐標變換等一系列信號處理后，在中內置的顯示控制模塊的管理下寫入。與此同時，顯示控制模塊產生行場同步信號，并把不同強度的回波信號轉換成偽彩色信號，驅動相應的、輸出，將中的數(shù)據最終顯示在監(jiān)視器上。整個數(shù)字系統(tǒng)的運行也由內置的模塊來控制，提高了系統(tǒng)的集成度。3 分布式計算與內置    由于基于的特性，特別適合乘法和累加等算法，也可以用其實現(xiàn)廣泛的數(shù)學函數(shù)運算。在設計上也可以采用并行結構和分

7、布式算法，使得資源達到最優(yōu)的配置。在該聲納的設計中，使用了相關濾波器來除去鄰頻干擾、 雜波以及噪聲。并利用分布式計算，大大提高了信號處理效率。對于二進制系統(tǒng)?一個線性時不變的網絡的響應可以用下面的公式來表示：    可見，上面的公式可以用加法器和分布式算術查找表來實現(xiàn)。對于所采用的相關濾波器，可以用下面的比較簡單的方法來實現(xiàn)：    這樣，當進行異或運算時，對每次回波點且每點比特的數(shù)據，可直接對每一位進行相關處理，只用一個時鐘周期即可完成運算。由于充分利用了內部的分布式功能模塊和并行計算的優(yōu)點，使得信號處理的速度得到了很大的提高。&#

8、160;   為了實現(xiàn)在片內完成的功能，除了必要的算術和邏輯功能模塊之外，必須具備一定數(shù)目的片內存儲器。設計中所應用的 就具備了分布式的片內。由于 的主要功能模塊都是基于查找表結構的，因此分布式的結構可以在內的任何一處實現(xiàn)。這也是分布式名稱的由來。除去、模塊和布線模塊外，分布式片內已經成為了又一種片內資源。由于分布式片內沒有管腿和驅動，它可以達到相當快的讀寫操作速度。在我們的設計中，分布式被用作數(shù)據的輸入緩存及數(shù)據寄存器。在片內，這些被配置在數(shù)字信號處理部分的附近，從而減少了數(shù)據傳輸?shù)难訒r。4 集成的顯示控制和模塊    在帶有顯示子系統(tǒng)的設計

9、中，一般都會用圖形控制芯片（）來實現(xiàn)圖形顯示和控制。圖形控制芯片負責產生行場同步信號，輸出像素點信號，控制字符圖形和直線、圓等基本元素的輸出，讀寫并控制的刷新。它是顯示子系統(tǒng)的核心。我們在設計中最初采用的是公司的。但是在調試中發(fā)現(xiàn)?由于該顯示控制芯片的主頻與系統(tǒng)的主頻不一樣，導致它與的時序無法配合。    為了解決這個問題，我們在設計中把圖形控制芯片的功能集成到了中?形成一個功能比較完備的。圖形控制部分的結構簡圖如圖所示。圖形控制部分的主要作用，是根據系統(tǒng)的要求，產生正確的行場時鐘脈沖，從而正確地控制像素點的輸出。系統(tǒng)的主時鐘頻率是，圖形控制部分把系統(tǒng)的主時鐘進行分頻，產生出和的行同步信號和場同步信號，加到監(jiān)視器的接口，驅動正確的顯示。同時，根據系統(tǒng)的要求，圖形控制模塊向中寫入新的數(shù)據，并且周期性地讀出中的數(shù)據進行顯示和對進行刷新。本設計中采用的顯示器是偽彩色顯示器，不同的彩色信號對應于不同的回波強度。為了實現(xiàn)這個功能，我們在中的圖形控制模塊中建立了一個彩色矩陣? ?。對應于不同強度的像素點數(shù)據，該矩陣可以將其轉化成為相應輸出比例的、信號，從而實現(xiàn)強度到彩色的轉換。    為了進一步提高系統(tǒng)的集成度，