CN113126069B - 一种基于zynq的前视声呐信号处理硬件系统 - Google Patents

一种基于zynq的前视声呐信号处理硬件系统 Download PDF

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Abstract

一种基于ZYNQ的前视声呐信号处理硬件系统，涉及海洋声学装备技术领域，包括ZYNQ模块、Spartan‑6模块、高速AD模块、模拟前端模块、电源模块、DDR3模块、千兆网模块、PWM模块、DA模块、SD卡模块以及串口通信模块。本发明抗干扰能力较好、功耗较低、实时性良好。本发明提供了一种能对多路模拟通道同步采集、大量数据高速处理、成像速度快的基于ZYNQ的前视声呐信号处理硬件系统。

Description

一种基于ZYNQ的前视声呐信号处理硬件系统
技术领域
本发明涉及海洋声学装备技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于ZYNQ的前视声呐信号处理硬件系统。
背景技术
由于海洋中水下环境比较复杂，使得能在水中远距离传输的声波成为海洋探索和研究过程中有效的信息传递方式。虽然声信号的频率越低其能量在水下衰减的越少，但是为了保证图像的分辨率，一般成像声呐系统还是会选取较高频率的信号。声呐成像技术利用声信号作为传递信息的载体，并通过成像设备进行图像生成和显示，用于目标或者障碍物的识别、定位以及显示等。常见的前视声呐分为单波束成像声呐、多波束成像声呐和三维成像声呐。多波束成像声呐虽然存在成本高、传输数据大等缺点，但是目标识别精度高、图像生成速度快。
水中压力与压强和受力面积有关，同样压强受力面积小则受到的压力小，所以要求声呐电路小型化、嵌入式化。FPGA硬件逻辑架构因为其并行性、实时性好的特点被广泛应用于嵌入式系统，而嵌入式系统具有专用性强、可裁剪性高、系统精简安全等特点，适用于水下声呐系统。近年来随着嵌入式微处理器系统的发展，前视声呐的信号处理算法比较复杂，多波束形成时需要使用大量的聚焦参送，目前对于该困难的解决大多是提升硬件设备，而利用FPGA的高速处理能力，这样即满足储存要求也对系统成像性能有所提升。
ZYNQ系列集成ARM处理器的软件可编程性与FPGA的硬件可编程性，不仅可实现重要分析、硬件加速与优异的性能功耗比和设计灵活性，还在单个器件上高度集成CPU、DSP、ASSP以及混合信号功能。使用ZYNQ芯片优点在于开发环境的大集成；AXI4标准总线互联；PS和PL数据交换便捷且通讯速度快；节省一个ARM的布局面积和通讯总线的资源消耗，硬件集成度高等。
发明内容
为了克服现有前视声呐信号处理系统需要同时采集几十路甚至上百路模拟前端电路、数据量庞大、成像速度慢等问题。采用ZYNQ+Spartan-6结合的方式来对多路AD数据进行采集，并利用FPGA的PS+PL结构实现系统的控制指令处理、高速回波信号上传、高速并行数字信号处理；在模拟前端采用多路低噪声、小相移差和高增益调节范围的电路。本发明提供了一种能对多路模拟通道同步采样、大量数据高速处理、成像速度快的基于ZYNQ的前视声呐信号处理硬件系统。
为了解决上述技术问题采用的技术方案为：
一种基于ZYNQ的前视声呐信号处理硬件系统，所述硬件系统包括ZYNQ模块、Spartan-6模块、高速AD模块、模拟前端模块、电源模块、DDR3模块、千兆网模块、PWM模块、DA模块、SD卡模块以及串口通信模块，其中，模拟前端模块包括信号放大模块、带通滤波模块和TVG模块，
所述ZYNQ模块包括ZYNQ最小系统、Flash模块、JTAG模块、软硬件复位模块和外部晶振模块，用于负责和Spartan-6模块、DA模块、PWM模块、千兆网模块、串口通信模块、DDR3模块以及SD卡模块数据交互，在信号处理系统中，ZYNQ用于多波束形成算法的实现；
所述Spartan-6模块包括Spartan-6最小系统、Flash模块、JTAG模块、软硬件复位模块以及外部晶振模块，将多路AD的数据初步处理后通过LVDS方式传输给ZYNQ模块，在信号处理系统中，Spartan-6对AD传输过来的信号进行回波信号采集以及DFT(离散傅里叶变换)谱线抽取处理；
所述高速AD模块将模拟前端处理完的模拟信号转为数字信号，具有多路高速、高精度的A/D采样通道；
所述模拟前端模块把接受换能器传过来的多通道模拟信号，进行初级固定增益控制、输入阻抗匹配、以发射声波为中心频率进行带通滤波以及TVG增益控制；
所述电源模块包括给ZYNQ、Spartn-6、AD芯片以及其他外围芯片供电的电路；
所述DDR3模块包括AD原始数据缓存区、滤波数据缓存区、参考信号缓存区，用于存储高速AD采集模块产生的数字信号数据和计算的中间值；
所述千兆网模块将ZYNQ处理完的数据通过一个带变压器隔离的RJ45传给PC端上位机，由上位机显示声呐图像；
所述PWM模块用于输出经过ZYNQ编码的PWM脉冲激励信号，提供给外部发射板以驱动发射换能器；
所述DA模块用于把ZYNQ给出的数学信号转化为电信号，用于模拟前端的TVG模块，从而调节模拟信号的增益；
所述SD卡模块通过ZYNQ的SD卡控制器接口与逻辑控制模块相连，用于存储参数、回波数据、传感器参数等结果数据；
所述串口通信模块用于将姿态传感器、GPS等信息传给ZYNQ以及打印系统信息。
进一步，整个系统的信号处理流程为：系统以一片ZYNQ与两片Spartan-6为核心，以声呐主动成像方式进行工作，利用压电效应进行声能与电能的转换，利用发射换能器进行发射，声呐依据其声阻抗原理形成反射场，接受换能器阵列接受到回波信号，把声信号转化为电信号通过水密缆传到多路模拟前端进行处理，再通过模拟前端、AD转换、Spartan-6和ZYNQ的数据处理后传到上位机进行声呐图像显示。
再进一步，模拟前端信号调理共有三级电路，第一级为固定增益电路，用来做阻抗匹配、无源滤波和隔直流信号，增益为
Figure GDA0003102763560000041
第二级为二阶无限增益带通滤波电路，对模拟信号进行滤波，得知发射声波中心频率f、需要的滤波器通带增益K和品质因素Q，令C4＝C5＝C，则确定滤波器器件的值为：则
Figure GDA0003102763560000042
第三级为TVG电路，可以根据DA给出的电压信号对前端信号进行时变增益控制，增益为
Figure GDA0003102763560000043
进一步，多路模拟前端电路处理完的模拟信号用差分的方式传输到高精度AD进行模数转换。高精度AD与Spartan-6之间使用SPI进行数据交互，还具有电源控制和芯片之间同步的功能，最后使用LVDS方式把处理完的数字信号传输到2片Spartan-6进行处理。
更进一步，利用2片Spartan-6的高速并行处理能力同时对多路的AD数据进行回波信号采集和DFT谱线抽取等处理，即用发射频率四倍频率采样信号进行同步数字采样，得到波束数字序列T(n)X1(i，n),其中T代表TVG(时变增益)，i代表采样得到的波束号取值1～128，n代表采样时间序列，然后对多路数字信号进行发射频率谱线的抽取，设抽取后的信号为X2(i，n)，则
Figure GDA0003102763560000051
n是DFT的长度，最后将处理完的数据再通过LVDS方式同步传输到ZYNQ再处理。
进一步，ZYNQ将Spartan-6传输过来的数据进行多波束形成处理，形成方向为θj的波束时，设ri为远处聚焦面到线阵探头的最短距离与该聚焦面到达第i个阵元的声程差，则ri＝dsin(θα)(n-1)，其中d为线阵阵元间距取半波长，N为阵元数量，α为形成波束的数量。对应ri的相移为τi，则
Figure GDA0003102763560000052
其中c为声速，f为发射频率，那么波束合成结果为
Figure GDA0003102763560000053
其中ki为幅相一致性系数，Ai为加权系数，利用Matlab将
Figure GDA0003102763560000054
对应不同焦平面、成像角度、成像深度参数计算出来。
系统与上位机实时通讯，按需调节成像深度、覆盖角度、幅相矫正和TVG增益，系统满足以发射声波频率的不同脉宽PWM发射信号产生、高速并行接收信号采集和处理、对外通讯、数据存贮和电源控制、外同步控制等功能。
本发明由于采取以上技术方案，具有以下有益效果：
(1)基于ZYNQ+Spartan-6的前视声呐信号处理
前视声呐图像采集系统采用ZYNQ与Spartan-6结合的方式来对多路AD的数据进行采集，并利用FPGA的PS+PL结构实现系统的控制指令处理、高速回波信号上传、高速并行数字信号处理形成波束，在获得高分辨率图像的同时，保证了图像的实时率。并且使用ZYNQ处理声呐信号，能降低软件开发成本、硬件集成度高、适用性广，灵活性强。
(2)多路低噪声、小相移差和高增益调节范围的模拟前端电路
信号处理系统将多个接受换能器的微弱信号，经过换能器阻抗匹配、初级信号放大、带通滤波以及TVG增益后，由于使用差分输出可以抑制共模噪声，所有通过差分的传输方式把模拟信号传输到AD处理。
附图说明
图1为本系统的整体结构示意框图。
图2为本系统的信号处理流程示意框图。
图3为模拟前端信号调理电路图。
图4为本系统的电源拓扑图。
具体实施方式
为了使本发明的技术实现更加明了，下面结合具体示意图，进一步阐述本发明。
参照图1～图3，一种基于ZYNQ的前视声呐信号处理硬件系统，包括ZYNQ模块、Spartan-6模块、高速AD模块、模拟前端模块、电源模块、DDR3模块、千兆网模块、PWM模块、DA模块、SD卡模块以及串口通信模块，其中，模拟前端模块包括信号放大模块、带通滤波模块和TVG模块。
所述ZYNQ模块包括ZYNQ最小系统、Flash模块、JTAG模块、软硬件复位模块和外部晶振模块，负责和Spartan-6模块、DA模块、PWM模块、千兆网模块、串口通信模块、DDR3模块以及SD卡模块数据交互，在信号处理系统中，ZYNQ用于多波束形成算法的实现；
所述Spartan-6模块包括Spartan-6最小系统、Flash模块、JTAG模块、软硬件复位模块、以及外部晶振模块，将多路AD的数据初步处理后通过LVDS方式传输给ZYNQ模块，在信号处理系统中，Spartan-6对AD传输过来的信号进行回波信号采集以及DFT(离散傅里叶变换)谱线抽取等处理；
所述高速AD模块将模拟前端处理完的模拟信号转为数字信号，具有多路高速、高精度的A/D采样通道；
所述模拟前端模块把接受换能器传过来的多通道模拟信号，进行初级固定增益控制、输入阻抗匹配、以发射声波为中心频率进行带通滤波以及TVG增益控制；
所述电源模块包括给ZYNQ、Spartn-6、AD芯片以及其他外围芯片供电的电路；
所述DDR3模块包括AD原始数据缓存区、滤波数据缓存区、参考信号缓存区，用于存储高速AD采集模块产生的数字信号数据和计算的中间值；
所述千兆网模块将ZYNQ处理完的数据通过一个带变压器隔离的RJ45传给PC端上位机，由上位机显示声呐图像；
所述PWM模块用于输出经过ZYNQ编码的PWM脉冲激励信号，提供给外部发射板以驱动发射换能器；
所述DA模块用于把ZYNQ给出的数学信号转化为电信号，用于模拟前端的TVG模块，从而调节模拟信号的增益；
所述SD卡模块通过ZYNQ的SD卡控制器接口与逻辑控制模块相连，用于存储参数、回波数据、传感器参数等结果数据；
所述串口通信模块用于将姿态传感器、GPS等信息传给ZYNQ以及打印系统信息。
整个系统的信号处理流程如图2所示：系统以一片ZYNQ与两片Spartan-6为核心，以声呐主动成像方式进行工作，利用压电效应进行声能与电能的转换，利用发射换能器进行发射，声呐依据其声阻抗原理形成反射场，接受换能器阵列接受到回波信号，把声信号转化为电信号通过水密缆传到多路模拟前端进行处理，再通过模拟前端、AD转换、Spartan-6和ZYNQ的数据处理后传到上位机进行声呐图像显示。
进一步地，如图3所示模拟前端信号调理共有三级电路，第一级为固定增益电路，用来做阻抗匹配、无源滤波和隔直流信号，增益为
Figure GDA0003102763560000091
第二级为二阶无限增益带通滤波电路，对模拟信号进行滤波，得知发射声波中心频率f、需要的滤波器通带增益K和品质因素Q，令C4＝C5＝C，则确定滤波器器件的值为：，则
Figure GDA0003102763560000092
Figure GDA0003102763560000093
第三级为TVG电路，可以根据DA给出的电压信号对前端信号进行时变增益控制，增益为
Figure GDA0003102763560000094
进一步地，多路模拟前端电路处理完的模拟信号用差分的方式传输到高精度AD进行模数转换。高精度AD与Spartan-6之间使用SPI进行数据交互，还具有电源控制和芯片之间同步的功能，最后使用LVDS方式把处理完的数字信号传输到2片Spartan-6进行处理。
进一步地，利用2片Spartan-6的高速并行处理能力同时对多路的AD数据进行回波信号采集和DFT谱线抽取等处理，即用发射频率四倍频率采样信号进行同步数字采样，得到波束数字序列T(n)X1(i，n),其中T代表TVG(时变增益)，i代表采样得到的波束号取值1～128，n代表采样时间序列，然后对多路数字信号进行发射频率谱线的抽取，设抽取后的信号为X2(i，n)，则
Figure GDA0003102763560000095
n是DFT的长度，最后将处理完的数据再通过LVDS方式同步传输到ZYNQ再处理。
进一步地，ZYNQ将Spartan-6传输过来的数据进行多波束形成处理，形成方向为θj的波束时，设ri为远处聚焦面到线阵探头的最短距离与该聚焦面到达第i个阵元的声程差，则ri＝dsin(θα)(n-1)，其中d为线阵阵元间距取半波长，N为阵元数量，α为形成波束的数量，对应ri的相移为τi，则
Figure GDA0003102763560000101
其中c为声速，f为发射频率，那么波束合成结果为
Figure GDA0003102763560000102
其中ki为幅相一致性系数，Ai为加权系数，利用Matlab将
Figure GDA0003102763560000103
对应不同焦平面、成像角度、成像深度参数计算出来。
进一步地，系统能够与上位机实时通讯，按需调节成像深度、覆盖角度、幅相矫正、TVG增益等，整体系统满足以发射声波频率的不同脉宽PWM发射信号产生、高速并行接收信号采集和处理、对外通讯、数据存贮和电源控制、外同步控制等功能。
系统数字器件的电源拓扑图如图4所示，主要分为四大部分，第一部分是2片DDR3的电源，使用的是电源板给的数字DC5V+，因为5V到1.5V压降较大，使用LDO芯片功耗大，所以使用频率可调的DC/DC芯片LMR14020SDDA产生DDR3需要的1.5V，再用LDO芯片TPS1200产生0.75V；第二部分是ZYNQ使用的四种电源即1.0V、1.8V、2.5V和3.3V，都使用DC/DC芯片LMR14020SDDA做电平转换。同时四种电源还提供给ZYNQ的外围器件，即网口芯片、SD卡芯片、串口转换芯片、Flash芯片和时钟芯片；第三部分是Spartan-6使用的三种电源即1.2V、1.8V和3.3V，1.8和3.3V由DC/DC芯片LMR14020SDDA做电平转换，1.2V为芯片的核心电压用LMR14020SDDA输出功率不够，所以选择输出功率更大的DC/DC芯片TPS54424做电平转换；第四部分为AD所使用的6种电源，使用磁珠得到5V(H)，用LMR14020SDDA将5V转为1.2V、1.8V、3.7V和2.2V，再用LDO芯片TPS7A7001把3.7V和2.2V分别转为3.3V(M)和1.8V，这样能得到功耗以及纹波小的电源。
上述实施方式为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的修改、替代、组合、裁剪，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于ZYNQ的前视声呐信号处理硬件系统，其特征在于：所述硬件系统包括ZYNQ模块、Spartan-6模块、高速AD模块、模拟前端模块、电源模块、DDR3模块、千兆网模块、PWM模块、DA模块、SD卡模块以及串口通信模块，其中，模拟前端模块包括信号放大模块、带通滤波模块和TVG模块；
所述ZYNQ模块包括ZYNQ最小系统、Flash模块、JTAG模块、软硬件复位模块和外部晶振模块，负责和Spartan-6模块、DA模块、PWM模块、千兆网模块、串口通信模块、DDR3模块以及SD卡模块数据交互；
所述Spartan-6模块包括Spartan-6最小系统、Flash模块、JTAG模块、软硬件复位模块和以及外部晶振模块，将多路AD的数据初步处理后通过LVDS方式传输给ZYNQ模块；
所述高速AD模块将模拟前端处理完的模拟信号转为数字信号，具有多路高速、高精度的A/D采样通道；
所述模拟前端模块把接受换能器传过来的多通道模拟信号，进行初级固定增益控制、输入阻抗匹配、以发射声波为中心频率进行带通滤波以及TVG增益控制；
所述电源模块包括给ZYNQ模块、Spartn-6模块和高速AD模块供电的电路；
所述DDR3模块包括AD原始数据缓存区、滤波数据缓存区、参考信号缓存区，用于存储高速AD采集模块产生的数字信号数据和计算的中间值；
所述千兆网模块将ZYNQ处理完的数据通过一个带变压器隔离的RJ45传给PC端上位机，由上位机显示声呐图像；
所述PWM模块用于输出经过ZYNQ编码的PWM脉冲激励信号，提供给外部发射板以驱动发射换能器；
所述DA模块用于把ZYNQ给出的数学信号转化为电信号，用于模拟前端的TVG模块，从而调节模拟信号的增益；
所述SD卡模块通过ZYNQ的SD卡控制器接口与逻辑控制模块相连，用于存储参数、回波数据和传感器参数结果数据；
所述串口通信模块用于将姿态传感器、GPS信息传给ZYNQ以及打印系统信息；
系统以一片ZYNQ与两片Spartan-6为核心，以声呐主动成像方式进行工作，利用压电效应进行声能与电能的转换，利用发射换能器进行发射，声呐依据其声阻抗原理形成反射场，接受换能器阵列接受到回波信号，把声信号转化为电信号通过水密缆传到多路模拟前端进行处理，再通过模拟前端模块、AD转换模块、Spartan-6模块和ZYNQ模块的数据处理后传到上位机进行声呐图像显示；
模拟前端信号调理共有三级电路，第一级为固定增益电路，用来做阻抗匹配、无源滤波和隔直流信号，增益为
Figure FDA0003669203440000021
第二级为二阶无限增益带通滤波电路，对模拟信号进行滤波，得知发射声波中心频率f、需要的滤波器通带增益K和品质因素Q，令C4＝C5＝C，则确定滤波器器件的值为：则
Figure FDA0003669203440000022
第三级为TVG电路，可以根据DA给出的电压信号对前端信号进行时变增益控制，增益为
Figure FDA0003669203440000031
2.根据权利要求1所述的一种基于ZYNQ的前视声呐信号处理硬件系统，其特征在于，多路模拟前端电路处理完的模拟信号用差分的方式传输到高精度AD进行模数转换，高精度AD与Spartan-6之间使用SPI进行数据交互，还具有电源控制和芯片之间同步的功能，最后使用LVDS方式把处理完的数字信号传输到2片Spartan-6进行处理。
3.根据权利要求1所述的一种基于ZYNQ的前视声呐信号处理硬件系统，其特征在于，利用2片Spartan-6的高速并行处理能力同时对多路的AD数据进行回波信号采集和DFT谱线抽取处理，即用发射频率四倍频率采样信号进行同步数字采样，得到波束数字序列T(n)X1(i,n),其中T代表时变增益TVG，i代表采样得到的波束号取值1～128，n代表采样时间序列，然后对多路数字信号进行发射频率谱线的抽取，设抽取后的信号为X2(i,n)，则
Figure FDA0003669203440000032
n是DFT的长度，最后将处理完的数据再通过LVDS方式同步传输到ZYNQ再处理。
4.根据权利要求3所述的一种基于ZYNQ的前视声呐信号处理硬件系统，其特征在于，ZYNQ将Spartan-6传输过来的数据进行多波束形成处理，形成方向为θj的波束时，设ri为远处聚焦面到线阵探头的最短距离与该聚焦面到达第i个阵元的声程差，则ri＝dsin(θα)(n-1)，其中d为线阵阵元间距取半波长，N为阵元数量，α为形成波束的数量，对应ri的相移为τi，则
Figure FDA0003669203440000033
其中c为声速，f为发射频率，那么波束合成结果为
Figure FDA0003669203440000034
Figure FDA0003669203440000041
其中ki为幅相一致性系数，Ai为加权系数，利用Matlab将
Figure FDA0003669203440000042
对应不同焦平面、成像角度、成像深度参数计算出来。
5.根据权利要求1所述的一种基于ZYNQ的前视声呐信号处理硬件系统，其特征在于，系统与上位机实时通讯，按需调节成像深度、覆盖角度、幅相矫正和TVG增益，系统满足以发射声波频率的不同脉宽PWM发射信号产生、高速并行接收信号采集和处理、对外通讯、数据存贮和电源控制、外同步控制功能。
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