基于FPGA的水聲信號(hào)采樣存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：為了提高水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)試驗(yàn)和算法研究的效率，水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)需要具有水聲通信的原始波形數(shù)據(jù)的記錄功能。本文設(shè)計(jì)了一種水聲信號(hào)采樣存儲(chǔ)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)變速率AD采集、數(shù)據(jù)環(huán)形存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)連續(xù)讀取、數(shù)據(jù)飛讀等功能。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)清晰，集成度高，工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，可以有效提高水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)的效率。

1 引言

近幾十年來(lái)，隨著世界各國(guó)對(duì)海洋開(kāi)發(fā)和利用步伐的加快，對(duì)海洋信息進(jìn)行連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān) 測(cè)的意義越來(lái)越重要。水聲無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Underwater AcouSTic sensor network,簡(jiǎn)稱 UW-ASN)是海洋環(huán)境立體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的研究熱點(diǎn)，它由大量具有計(jì)算和通信能力的傳感器 節(jié)點(diǎn)組成，各節(jié)點(diǎn)被分布在指定的海域，執(zhí)行連續(xù)的協(xié)同監(jiān)測(cè)任務(wù)。鑒于水聲信道的帶寬有 限、海洋噪聲復(fù)雜、具有多途效應(yīng)和多普勒效應(yīng)[1]，這些特殊性給UW-ASN 中的水聲通信、 協(xié)議設(shè)計(jì)等方面帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)，增加了傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。

為了充分了解水聲通信過(guò)程中的數(shù)據(jù)變化，方便對(duì)于信道特性分析以及通信方式的選 擇，以及大量傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間通信數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，傳感器節(jié)點(diǎn)必須具備數(shù)據(jù)采集功能。傳 統(tǒng)的水聲數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集板卡組成，能夠滿足數(shù)據(jù)采集功能，缺點(diǎn)是體積 大，便攜性差，難以作為傳感器節(jié)點(diǎn)的組成部分應(yīng)用于實(shí)際設(shè)計(jì)中。

本文針對(duì)這一問(wèn)題，提出了基于SOPC(System ON Programmable Chip)的設(shè)計(jì)方案[2]，利 用其配置靈活、擴(kuò)展性強(qiáng)、接口豐富等優(yōu)點(diǎn)，以Altera 公司的Cyclone II 系列FPGA 為基 礎(chǔ)，設(shè)計(jì)傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)，降低了設(shè)計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)，完善了傳感器節(jié)點(diǎn)功能要求。

2 采樣存儲(chǔ)系統(tǒng)概述

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，在整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)當(dāng)中，將AD 芯片輸出的12 位數(shù)據(jù)，通過(guò)設(shè)計(jì)SDRAM 控制IP 核，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)變速率AD 采集、數(shù)據(jù)環(huán)形存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)環(huán) 形讀取、以及數(shù)據(jù)飛讀（實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)讀?。┑裙δ堋Ｍ瑫r(shí)，對(duì)于NiosII CPU 設(shè)計(jì)串口（UART） 協(xié)議，以便前置機(jī)與傳感器節(jié)點(diǎn)通信，實(shí)現(xiàn)不同命令操作功能，方便對(duì)水聲試驗(yàn)過(guò)程中波形 數(shù)據(jù)的變化進(jìn)行仿真處理，以滿足試驗(yàn)要求。

本設(shè)計(jì)采用 MICRO 公司的MT48LC32M8A2 型號(hào)容量為32Mbyte 的SDRAM，芯片地 址線為25 位，每個(gè)地址存儲(chǔ)16 位數(shù)據(jù)。根據(jù)水聲通信試驗(yàn)要求，聲波頻率為40KHz，每 個(gè)正弦波采樣16 個(gè)點(diǎn)，則采樣時(shí)鐘要求至少640KHz，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采樣時(shí)鐘最大40MHz。 同時(shí)，環(huán)形存儲(chǔ)深度最大為32Mbyte，每次采樣存儲(chǔ)數(shù)據(jù)占2byte，則至少可以采樣25 秒正 弦波數(shù)據(jù)。環(huán)形存儲(chǔ)區(qū)域大小，以及采樣時(shí)鐘都可以進(jìn)行參數(shù)化配置，能夠滿足試驗(yàn)要求。 系統(tǒng)整體分為硬件邏輯設(shè)計(jì)，與軟件程序設(shè)計(jì)兩部分。