CN103472250B - 基于fpga的声学多普勒流速剖面仪信号处理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于FPGA的声学多普勒流速剖面仪信号处理系统，包括：主处理器模块，从处理器模块，回波信号采集模块，通信模块，电源模块，控制信号输出模块，数据存储模块。回波信号采集模块对流速剖面仪反馈的回波信号进行同步采集，将采样后的信号送给主处理器模块。主处理器模块负责信号处理算法的实现，包括复降采样滤波、复相关运算等。另外，还需要对处理后的数据进行存储。处理后的数据存储在数据存储模块中。从处理器模块作为辅助处理单元，对系统功耗和部分数据通信管理。通信模块完成了与外部的数据收发。本发明针对流速剖面仪信号处理单元数据量大，算法复杂的特点，使用FPGA作为主处理器模块的核心数据处理器，从而保证数据处理的实时性和准确性。本发明的优点是扩展性强，功能齐全，符合声学多普勒流速剖面仪数据运算的高要求。

Description

基于FPGA的声学多普勒流速剖面仪信号处理系统

技术领域

本发明涉及FPGA技术，多普勒频移技术，具体来说是一种使用FPGA对声学多普勒流速剖面仪信号进行处理的系统。

背景技术

在河流水文测验工作中，流速的测量是项很重要的工作，过去，一般都采用单点式流速仪（如机械式流速仪，电接式流速仪等）逐一的对各条测流垂线进行点流速测量，然后根据流速面积法换算出整个断面的流量，这种测验方法其测量精度虽然能够满足水文测验规范的要求，但历时时间长，工作强度大，是其很大的弊端。声学多普勒流速剖面仪（英文简称ADCP）是利用声学多普勒效应进行测流的。从设备的换能器中发出一定频率的脉冲，当该脉冲碰到水中的发射物体（如悬浮物质）后产生回波信号，该回波信号被声学多普勒流速剖面仪接收。悬浮物质是会随水流而漂移，从而产生多普勒频移（即回波信号的频率与发射的频率之间产生一个频差），通过测量得到多普勒频移即可得到相应测点的流速。

最近几年，有研发声学多普勒流速剖面仪的方式是采用数字信号处理器（DigitalSignalProcessor，DSP）实现。DSP具有技术较为成熟、实现工具完善、编程简单等优点，但由于其内部结构的限制，在进行计算时经常会出现缓存扑空（CacheMiss）等现象，影响系统计算性能。DSP技术的设计通常持续计算性能只能维持在其峰值计算性能的10％～33％，无法取得很高的计算性能。

近年来FPGA技术取得了飞速发展，已经从最初只能面向纯逻辑替代的应用转变为能够面向复杂的计算密集型应用。最新推出的FPGA器件中，不仅集成有丰富的可配置逻辑块资源（ConfigurableLogicBlock，CLB），还包括大量面向计算密集应用的DSP单元、块状RAM（BlockRAM，BRAM）和用于高速串行通信的RocketIOGTP收发器单元。同时为方便FPGA的调试，各FPGA厂商还推出了片内逻辑分析测试工具（如Xilinx公司的ChipScope），在软硬件上保证了在FPGA上实现高性能计算的可行性。

使用FPGA作为声学多普勒流速剖面仪的核心处理器，可以满足系统大数据快速处理的要求，在算法执行速度上也体现出了较大优势。

发明内容

本发明为了克服声学多普勒流速剖面仪处理能力不足，功能较少，功耗高的特点，目的是提供一种以FPGA为核心处理器的声学多普勒流速剖面仪信号处理系统。

基于FPGA的声学多普勒流速剖面仪信号处理系统其特征在于：系统由主处理器模块（110），从处理器模块（120），回波信号采集模块（130），通信模块（140），电源模块（150），控制信号输出模块（160），数据存储模块（170）组成。

其中，所述的主处理器模块（110）是系统的核心处理单元，与从处理器模块（120）、回波信号采集信号模块（130）、通信模块（140）、控制信号输出模块（160）相连接，控制以上模块的工作过程。

所述的从处理器模块（120）作为辅助处理单元，在系统上电时，负责少量数据的通讯，更加地，它的作用体现在上电时对声学多普勒流速剖面仪信号处理系统电源的管理，降低系统的功耗，通过I²C通信与主处理器模块（110）连接。

所述的回波信号采集模块（130）含有8路高速高精度的同步采样ADC（Analog-to-DigitalConverter，模/数转换器）通道（131），对流速剖面仪反馈的回波信号进行同步采集，其输出端口与主处理器模块（110）连接。

所述的通信模块（140）作为系统与外界的一个通信接口。主处理器模块（110）和从处理器模块（120）都可以通过该模块进行数据收发，该模块包含了RS232协议通信、CAN协议通信、RS422协议通信，其中，RS232协议通信和RS422协议通信通过串口方式与主处理器模块（110）连接。

所述的电源模块（150）支持5-12V范围的直流电源输入、输出直流3.3V、1.8V、1.2V和0.9V的电源种类，提供声学多普勒流速剖面仪信号处理系统各个模块工作所需的电源，电源输出与系统所述各个模块连接。

所述的控制信号输出模块（160）包含了1路TVG（TimeVariableGain，时变增益）控制通道(161)，2路发射信号（162），1路发射包络信号（163），8路控制开关信号（164），控制信号的输入端口与从处理器模块（120）连接。

所述的数据存储模块（170）存储处理后的信号采集数据，掉电后仍可以保存，并可以通过主处理器模块（110）对已经存储在该模块内的数据进行读取。

进一步地，所述的主处理器模块（110）与从处理器模块（120）需要协调工作，两个模块主要通过I²C数据协议进行命令发送，在系统上电时，主处理器模块（110）不工作，需要等待从处理器模块（120）使能主处理器模块（110）所需要的电源，并通过I²C数据进行校验通信后，主处理器模块（110）才能工作。主处理器模块（110）工作期间，从处理器模块（120）处在休眠状态，只等待来自主处理器模块（110）的中断唤醒。

更进一步地，回波信号采集信号模块（130）中8路回波信号的数据传送到主处理器模块（110），主处理器需要对8路波束数字信号进行处理。形成8路数字信号如式1所示。

x1(i，n)i=1，2，3，4，5，6，7，8(1)

其中n为时间采样序列，i为波束号。对8路波束数字信号进行波束形成，形成4路波束x2(i，n)，其中，i=1，2，3，4。具体实现方式为如式2所示。

$\left\{\begin{array}{c}x2(1,n)=x1(1,n)+x1(2,n+1)-x1(3,n)-x1(4,n+1)\\ x2(3,n)=x1(4,n)+x1(3,n+1)-x1(2,n)-x1(1,n+1)\\ x2(2,n)=x1(5,n)+x1(6,n+1)-x1(7,n)-x1(8,n+1)\\ x2(4,n)=x1(8,n)+x1(7,n+1)-x1(6,n)-x1(5,n+1)\end{array}\right.---\left(2\right)$

利用上述得到的4路波束x2(i，n)从而主处理器模块（110）在后续步骤中进行正交基带调制，复降采样滤波以及复相关运算。

最后，回波信号采集信号模块（130）的同步采样是利用主处理器模块（110）的同步时钟信号实现，而且，采样数据长度须根据平台入水深度调整。

本发明的优点是扩展性强，功能齐全，符合声学多普勒流速剖面仪数据运算的高要求。

附图说明

图1为本发明系统的结构示意框图；

图2为本发明主处理器模块的结构示意框图；

图3为本发明回波信号采集模块的结构示意框图；

图4为本发明控制信号输出模块的结构示意框图；

图5为本发明的工作流程图；

具体实施方式

下面结合附图来说明本发明的具体实施过程：

如图1所示，基于FPGA的声学多普勒流速剖面仪信号处理系统的结构框图。该系统由主处理器模块（110），从处理器模块（120），回波信号采集模块（130），通信模块（140），电源模块（150），控制信号输出模块（160），数据存储模块（170）组成。

其中，所述的主处理器模块（110）采用Xilinx公司的FPGA处理器为核心，配合DDR2电路和Flash存储电路组成，与从处理器模块（120）、回波信号采集信号模块（130）、通信模块（140）、控制信号输出模块（160）相连接，管理以上模块的工作过程。并且，主处理器模块（110）负责信号处理算法的实现，包括复降采样滤波、复相关运算等。另外，还需要对处理后的数据进行存储。

所述的从处理器模块（120）以msp430单片机为核心处理器，作为辅助处理单元，在系统上电时，负责少量数据的通讯，更加地，它的作用体现在上电时对声学多普勒流速剖面仪信号处理系统电源的管理，降低系统的功耗。

所述的回波信号采集模块（130）含有8路高速高精度的同步采样ADC（Analog-to-DigitalConverter，模/数转换器）通道（131），对流速剖面仪反馈的回波信号进行同步采集，转换成数字信号使主处理器模块（110）进行相应处理。所述的通信模块（140）作为系统与外界的一个通信接口。主处理器模块（110）和从处理器模块（120）都可以通过该模块进行数据收发，该模块包含了RS232协议通信、CAN协议通信、RS422协议通信。

所述的电源模块（150）支持5-12V范围的直流电源输入、输出直流3.3V、1.8V、1.2V和0.9V的电源种类，提供声学多普勒流速剖面仪信号处理系统各个模块工作所需的电源。

所述的控制信号输出模块（160）包含了1路TVG（TimeVariableGain，时变增益）控制通道(161)，2路发射信号（162），1路发射包络信号（163），8路控制开关信号（164）。

所述的数据存储模块（170）存储处理后的信号采集数据，掉电后仍可以保存，并可以通过主处理器模块（110）对已经存储在该模块内的数据进行读取。

如图2所示，主处理器模块（110）内部的工作原理。它与从处理器模块（120）协调工作，需要对波束信号进行解算并处理，同时需要负责RS232协议通信、CAN协议通信、RS422协议通信中的数据收发，包括控制信号的发送和数据存储都由主处理器模块（110）完成。

更详细地，主处理器模块（110）与从处理器模块（120）主要通过I²C数据协议进行命令发送，在系统上电时，主处理器模块（110）不工作，需要等待从处理器模块（120）使能主处理器模块（110）所需要的电源，并通过I²C数据进行校验通信后，主处理器模块（110）才能工作。主处理器模块（110）工作期间，从处理器模块（120）处在休眠状态，只等待来自主处理器模块（110）的中断唤醒。

再者，主处理器模块（110）要接收RS232协议通信、CAN协议通信、RS422协议通信的数据命令，按照接收到的命令要求，完成回波信号采集信号模块（130）传送的8路回波信号的数据的处理。这里，假设8路数字信号如式1所示。

x1(i，n)i=1，2，3，4，5，6，7，8(1)

其中n为时间采样序列，i为波束号。对8路波束数字信号进行波束形成，形成4路波束x2(i，n)，其中，i=1，2，3，4。具体实现方式为如式2所示。

$\left\{\begin{array}{c}x2(1,n)=x1(1,n)+x1(2,n+1)-x1(3,n)-x1(4,n+1)\\ x2(3,n)=x1(4,n)+x1(3,n+1)-x1(2,n)-x1(1,n+1)\\ x2(2,n)=x1(5,n)+x1(6,n+1)-x1(7,n)-x1(8,n+1)\\ x2(4,n)=x1(8,n)+x1(7,n+1)-x1(6,n)-x1(5,n+1)\end{array}\right.---\left(2\right)$

利用上述得到的4路波束x2(i，n)，利用4路波束再进行正交基带调制，通过选取低通滤波器的系数，调制后的信号接下来完成复降采样滤波，经过之前的数据处理后，按照层厚点数最后进行一系列的复相关运算，从而得出相位角，速度，等效频率的数据。通过数据存储命令，更新数据存储模块（170）内的内容，存储模块（170）采用SD卡，可以快速读取和修改SD卡内数据。最后，主处理器模块（110）并发送控制信号和TVG（TimeVariableGain，时变增益）信号，返回指令给从处理器模块（120）。。

如图3所示，回波信号采集信号模块（130）主要由8路高速高精度的同步采样ADC通道（131）和信号调理电路（132）组成。

ADC通道（131）同步采样是利用主处理器模块（110）的同步时钟信号实现，而且，采样数据长度须根据平台入水深度调整，采样频率可以按照不同的工作模式选择。信号调理电路（132）将模拟的8路波束信号强度衰减了一定倍数，并使正负信号偏置为正信号，方便ADC通道（131）的采集。ADC通道（131）的采样开始时间和结束时间由来自主处理器模块（110）的控制信号决定。转换后的数字波束信号以串行数据的方式发送给主处理器模块（110）。

如图4所示，控制信号输出模块（160）包含了1路TVG（TimeVariableGain，时变增益）控制通道(161)，2路发射信号（162），1路发射包络信号（163），8路控制开关信号（164）。

TVG控制通道(161)使用一片数/模转换器，主处理器模块（110）发送的数字输入经过该通道变为模拟输出，控制下一级电路，补偿声纳传播过程中由于远近距离的传播损失，得到远近场均匀一致的声纳图像。

2路发射信号（162）可以产生单频脉冲和编码脉冲两种形式的发射信号，发射信号形式由软件选择，编码脉冲序列为m序列码，编码脉冲内填充单频方波信号。1路发射包络信号（163）为发射起止控制信号，通过命令可控制发射启动或者停止。8路控制开关信号（164）为TTL电平信号，这些信号供后级电路使用，包含了电源控制，功率选择，外部同步等功能。

如图5所示，系统的工作流程按照从处理器模块（120）预先启动，接着启动主处理器模块（110），主处理器模块（110）运行稳定后。启动回波信号采集模块（130），采样数据并处理数据，完成整个系统的运行。

Claims (2)

1.基于FPGA的声学多普勒流速剖面仪信号处理系统，其特征在于：系统由主处理器模块(110)，从处理器模块(120)，回波信号采集模块(130)，通信模块(140)，电源模块(150)，控制信号输出模块(160)，数据存储模块(170)组成；

其中，所述的主处理器模块(110)是系统的核心处理单元，与从处理器模块(120)、回波信号采集信号模块(130)、通信模块(140)、控制信号输出模块(160)相连接，控制以上模块的工作过程；并且，主处理器模块(110)负责信号处理算法的实现；

所述的从处理器模块(120)作为辅助处理单元，负责少量数据的处理，通过I²C通信与主处理器模块(110)连接；

所述的回波信号采集信号模块(130)含有8路高速高精度的同步采样ADC(Analog-to-DigitalConverter，模/数转换器)通道(131)，对流速剖面仪反馈的回波信号进行同步采集，其输出端口与主处理器模块(110)连接；

所述的通信模块(140)作为系统与外界的一个通信接口；主处理器模块(110)和从处理器模块(120)都可以通过该模块进行数据收发，该模块包含了RS232协议通信、CAN协议通信、RS422协议通信，其中，RS232协议通信和RS422协议通信通过串口方式与主处理器模块(110)连接；

所述的电源模块(150)支持5-12V范围的直流电源输入、输出直流3.3V、1.8V、1.2V和0.9V的电源种类，提供声学多普勒流速剖面仪信号处理系统各个模块工作所需的电源，电源输出与系统所述各个模块连接；

所述的控制信号输出模块(160)包含了1路TVG(TimeVariableGain，时变增益)控制通道(161)，2路发射信号(162)，1路发射包络信号(163)，8路控制开关信号(164)，控制信号的输入端口与从处理器模块(120)连接；

所述的数据存储模块(170)存储处理后的信号采集数据，掉电后仍可以保存，并可以通过主处理器模块(110)对已经存储在该模块内的数据进行读取；

所述的主处理器模块(110)与从处理器模块(120)需要协调工作，两个模块主要通过I²C数据协议进行命令发送，在系统上电时，主处理器模块(110)不工作，需要等待从处理器模块(120)使能主处理器模块(110)所需要的电源，并通过I²C数据进行校验通信后，主处理器模块(110)才能工作；主处理器模块(110)工作期间，从处理器模块(120)处在休眠状态，只等待来自主处理器模块(110)的中断唤醒；

所述的回波信号采集信号模块(130)中8路回波信号的数据传送到主处理器模块(110)主处理器需要对8路波束数字信号，形成8路数字信号如式1所示：

x1(i,n)i＝1,2,3,4,5,6,7,8(1)

其中n为时间采样序列，i为波束号；对8路波束数字信号进行波束形成，形成4路波束x2(i,n)，其中，i＝1,2,3,4；具体实现方式为如式2所示；

$\left\{\begin{array}{c}x2(1,n)=x1(1,n)+x1(2,n+1)-x1(3,n)-x1(4,n+1)\\ x2(3,n)=x1(4,n)+x1(3,n+1)-x1(2,n)-x1(1,n+1)\\ x2(2,n)=x1(5,n)+x1(6,n+1)-x1(7,n)-x1(8,n+1)\\ x2(4,n)=x1(8,n)+x1(7,n+1)-x1(6,n)-x1(5,n+1)\end{array}\right.---\left(2\right)$

利用上述得到的4路波束x2(i,n)从而主处理器模块(110)在后续步骤中进行正交基带调制，复降采样滤波以及复相关运算。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的回波信号采集信号模块(130)的同步采样是利用主处理器模块(110)的同步时钟信号实现，而且，采样数据长度须根据平台入水深度调整。