基于ARM和FPGA的聲納波形產(chǎn)生系統(tǒng)設(shè)

1、引言

　　最佳聲納系統(tǒng)的設(shè)計需要從聲納波形、聲納信道和聲納接收機三方面進(jìn)行綜合考慮[1]。在聲納信道一定的假設(shè)下，需要設(shè)計最佳聲納波形和最佳接收機，使聲納系統(tǒng)能在給定的聲納環(huán)境中對目標(biāo)有最佳的檢測效果。工作在淺水中的主動聲納，其性能主要受限于混響級。根據(jù)波形選擇與信道匹配的原則，針對混響信道，所選的聲納波形應(yīng)使其模糊度函數(shù)盡量與混響信道散射函數(shù)不重合，而與聲傳輸信號散射函數(shù)盡量重合[2]?；谶@樣的原則，常用的聲納信號單頻信號(CW)、線性調(diào)頻信號（LFM）抑制混響的能力比較如下：在檢測靜止或低速目標(biāo)時，LFM和短CW較長CW有更好的混響抑制能力，但短CW波只適合近距離目標(biāo)；在檢測高速運動目標(biāo)時，長CW脈沖是最合適的信號形式[2]。由此可見，主動聲納要完成目標(biāo)捕獲、識別、跟蹤等不同任務(wù)，需要發(fā)射不同的聲納波形。同時針對遠(yuǎn)距離、低速和高速運動等目標(biāo)的不同情況，也需要靈活的選擇聲納波形。正是基于這樣一種需求，本文把具有強大控制能力的微處理器ARM與具有靈活波形產(chǎn)生能力的直接數(shù)字頻率合成技術(shù)（DDS）結(jié)合起來，用FPGA實現(xiàn)DDS技術(shù)，設(shè)計出了基于ARM和FPGA的聲納波形產(chǎn)生系統(tǒng)。

2、DDS基本原理

　　隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，具有頻率切換時間短、頻率分辨率高、相位變化連續(xù)、易實現(xiàn)信號的多種調(diào)制等諸多優(yōu)點的DDS技術(shù)，有了廣闊的應(yīng)用前景。DDS技術(shù)可以理解為數(shù)字信號處理中信號綜合的硬件實現(xiàn)問題，即給定信號幅度、頻率、相位等參數(shù)，產(chǎn)生所需要的信號波形。

　　DDS的基本結(jié)構(gòu)包括：相位累加器、相位－幅值轉(zhuǎn)換電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路及低通濾波器等。相位－幅值轉(zhuǎn)換電路根據(jù)轉(zhuǎn)換方式的不同可分為兩大類[4]：(1)ROM查找表法。ROM中存儲有不同相位對應(yīng)的幅度值，可根據(jù)相位累加器輸出的相位值尋址ROM，輸出對應(yīng)的幅值序列。 (2)計算法。對相位累加器輸出的相位值，通過數(shù)學(xué)計算的方法得到對應(yīng)的幅值。常用的實時計算方法有泰勒級數(shù)求值法、反函數(shù)求值法、CORDIC算法等。

　　相位累加器是DDS電路中核心的模塊，在工程實踐上一般用數(shù)字全加器和數(shù)字寄存器的組合來實現(xiàn)，是一個典型的反饋電路。如圖1所示。

其中， 為頻率控制字， 為相位累加器的位數(shù)，fclk為系統(tǒng)參考時鐘。相位累加器的工作過程為：每來一個參考時鐘脈沖，頻率控制字 與相位寄存器輸出的相位數(shù)據(jù)累加一次，累加后的相位一方面反饋到全加器的輸入端，以使全加器在下一時鐘的作用下繼續(xù)與頻率控制字 相加；另一方面作為采樣地址值送入ROM查找表。如此循環(huán)，當(dāng)相位累加器累加滿量后，就會產(chǎn)生一次溢出，ROM存儲器的地址正好循環(huán)一次，完成一個周期性的動作，這個周期就是DDS合成信號的周期，累加器的溢出頻率就是合成信號的頻率[8]。圖2為相位累加過程示意圖及對應(yīng)輸出的占空比1：1的CW波。
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一般地，DDS輸出信號頻率為一個參考時鐘周期內(nèi)的相位增量，由此可得：

由圖2可知，相當(dāng)與rad,相位累加器溢出一次所歷經(jīng)的采樣脈沖（參考時鐘）個數(shù)與DDS輸出一個周期的信號所包含的采樣脈沖個數(shù)是相等的，即：

將(1)式代入(2)，可得：

由(3)可知，在參考時鐘一定的情況下，頻率控制字 決定了DDS輸出頻率。 實際上改變的是信號的相位增長速率， 越大，相位累加的曲線越陡峭，溢出一次所需的時間越短，對應(yīng)輸出信號的周期也越小，輸出信號的頻率就越大；與此相反， 越小，相位累加的曲線越平坦，溢出一次所需的時間越長，對應(yīng)輸出信號的周期也越大，輸出信號的頻率就越?。划?dāng) 按線性變化時，輸出信號即為線性調(diào)頻信號，改變 的變化規(guī)律，就可實現(xiàn)不同規(guī)律的調(diào)頻，如雙曲、指數(shù)、對數(shù)調(diào)頻等。當(dāng) ＝1時，DDS輸出最小頻率：

(4)式也是所謂的頻率分辨率。

3、系統(tǒng)硬件實現(xiàn)

　　系統(tǒng)硬件設(shè)計采用模塊化結(jié)構(gòu)，由通訊模塊、控制模塊、波形產(chǎn)生模塊和電源模塊四部分構(gòu)成，如圖3所示。

3.1 控制模塊及通訊模塊

　　ARM作為控制模塊的核心，選用Philips公司的ARM7TDMI系列微處理器LPC2292?？刂颇K和通訊模塊實現(xiàn)了本系統(tǒng)與外部主控設(shè)備（一般為PC機）的通信，通過RS232串口，并口EPP或USB通訊接口，接收主控設(shè)備發(fā)出的聲納波形信號的幅度、頻率、相位、帶寬等參數(shù)控制字，用以控制波形產(chǎn)生模塊產(chǎn)生相應(yīng)的聲納波形。

3.2 波形產(chǎn)生模塊

　　DDS技術(shù)的實現(xiàn)依賴于高速、高性能的數(shù)字器件，一般有兩種方案，一種是使用DDS專用芯片，另一種用可編程邏輯器件FPGA自行設(shè)計。DDS專用芯片控制方式固定，價格較高，而FPGA以其速度高、規(guī)模大、可編程，以及有強大EDA軟件支持等特性，十分適合實現(xiàn)DDS技術(shù)。本系統(tǒng)用FPGA實現(xiàn)DDS技術(shù)。FPGA選用Altera公司的Cyclone II系列的EP2C20F484C8N。

4、系統(tǒng)軟件開發(fā)

　　本系統(tǒng)的軟件主要分為主控設(shè)備應(yīng)用程序設(shè)計，F(xiàn)PGA波形設(shè)計部分和ARM控制部分。
　　
　　主控設(shè)備應(yīng)用程序是在X86平臺上，VC環(huán)境下開發(fā)的。主要功能是通過RS232串口，并口EPP或USB任何一種通訊接口，實現(xiàn)主控設(shè)備與ARM通信。ARM控制部分的程序?qū)崿F(xiàn)對通訊接口的訪問，并實現(xiàn)對FPGA的控制。

　　FGPA波形設(shè)計過程采用自頂向下模塊化的結(jié)構(gòu)，主要包括時鐘模塊、寄存器讀寫及控制模塊、DDS模塊，如圖4所示。

相位累加器是決定DDS性能的一個關(guān)鍵部分，相位累加器設(shè)計的好壞將直接影響到整個系統(tǒng)的性能，因此要從FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)出發(fā)，設(shè)計出既節(jié)約系統(tǒng)資源，又能大幅度提高系統(tǒng)速度和性能的累加器結(jié)構(gòu)[3]。在設(shè)計相位累加器的加法器模塊時不用庫中提供的lmp_add_sub模塊，而是采用流水線技術(shù)，使用Verilog HDL編程實現(xiàn)。流水線示意圖見圖5。

　　相幅轉(zhuǎn)換采用ROM查找表法實現(xiàn)。主要考慮的問題是FPGA內(nèi)部存儲器容量的大小，而EP2C20內(nèi)部有大量的ROM資源可利用，因此可直接調(diào)用lpm_rom模塊來實現(xiàn)。[!--empirenews.page--]

　　FPGA模塊化的設(shè)計，為ARM對其配置提供了極大的方便，ARM可把FPGA視為外掛的一片SRAM，通過外部存儲器接口進(jìn)行控制。

5、軟硬件設(shè)計需要注意的幾點

　　在系統(tǒng)軟硬件設(shè)計中需要注意以下兩點：

（1）當(dāng)LPC2292通過外部存儲器接口（EMC）控制FPGA時，地址線的接法如圖6所示，即需要把LPC2292的地址線A0空出來不用。這是由于FPGA實現(xiàn)的波形產(chǎn)生模塊的數(shù)據(jù)位寬為16位，當(dāng)LPC2292外部存儲器總線配置為16位時，A0地址需要空出來，當(dāng)總線配置為32位時，地址A0，A1都需要空出來，當(dāng)總線配置為8位時，地址從A0開始使用。

　?。?）EP2C20F484C8N的焊接問題，此型號為FinleLine BGA封裝，在焊接的時候要注意芯片的錫球是否含鉛，含鉛與否決定采用何種工藝流程將器件安裝在PCB板上，無鉛封裝要求焊接溫度更高，工藝更復(fù)雜。Altera公司生產(chǎn)的所有無鉛元件以其產(chǎn)品序號最后的“N”標(biāo)出。因此本系統(tǒng)選用的芯片為無鉛芯片，需要按無鉛工藝焊接，若按有鉛工藝焊接，將造成芯片的虛焊。

 6、系統(tǒng)測試結(jié)果

　　對系統(tǒng)軟硬件進(jìn)行的測試表明，系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計指標(biāo)，能輸出7路方波信號，頻率固定（CW波）或線性變化（LFM波），且各路信號可選擇關(guān)斷或選通。CW波的頻率在5～45kHz范圍內(nèi)任意可調(diào)；LFM波在5kHz帶寬范圍內(nèi)任意可調(diào)，中心頻率在5～45kHz范圍內(nèi)任意可調(diào)；輸出脈沖信號寬度在0.5～100ms間任意可調(diào)，相鄰各路信號的相位可超前和滯后，可選擇發(fā)射功率，且本系統(tǒng)已成功應(yīng)用于某工程項目中，工作正確可靠，得到了工程實際檢驗。圖7為Tektronix邏輯分析儀采集到的對應(yīng)輸出的CW波。

7、結(jié)論

　　該系統(tǒng)很好的利用了ARM和FPGA兩者的長處，ARM集中實現(xiàn)主控設(shè)備與FPGA通信的橋梁作用，接收主控設(shè)備發(fā)出的聲納波形參數(shù)，并根據(jù)這些參數(shù)配置FPGA內(nèi)部的寄存器；FPGA充分體現(xiàn)了它在系統(tǒng)成本、體積上的優(yōu)勢，設(shè)計靈活、方便，FPGA的使用為系統(tǒng)的升級帶來了很大方便。同時通訊接口的多樣性，極大改善了人機接口，提高了系統(tǒng)的靈活性。