基于FPGA的水聲信號采樣存儲系統設計

摘要：為了提高水聲傳感器網(wǎng)絡(luò )通信系統試驗和算法研究的效率，水聲傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)需要具有水聲通信的原始波形數據的記錄功能。本文設計了一種水聲信號采樣存儲系統，實(shí)現了數據變速率AD采集、數據環(huán)形存儲、數據連續讀取、數據飛讀等功能。該系統具有結構清晰，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 )試驗的效率。

1 引言

近幾十年來(lái)，隨著(zhù)世界各國對海洋開(kāi)發(fā)和利用步伐的加快，對海洋信息進(jìn)行連續實(shí)時(shí)監 測的意義越來(lái)越重要。水聲無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(Underwater AcouSTic sensor network,簡(jiǎn)稱(chēng) UW-ASN)是海洋環(huán)境立體監測系統中的研究熱點(diǎn)，它由大量具有計算和通信能力的傳感器 節點(diǎn)組成，各節點(diǎn)被分布在指定的海域，執行連續的協(xié)同監測任務(wù)。鑒于水聲信道的帶寬有 限、海洋噪聲復雜、具有多途效應和多普勒效應[1]，這些特殊性給UW-ASN 中的水聲通信、 協(xié)議設計等方面帶來(lái)了很大的挑戰，增加了傳感器網(wǎng)絡(luò )設計的復雜性。

為了充分了解水聲通信過(guò)程中的數據變化，方便對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 )節點(diǎn)之間通信數據的存儲，傳感器節點(diǎn)必須具備數據采集功能。傳 統的水聲數據采集存儲系統主要由數據采集板卡組成，能夠滿(mǎn)足數據采集功能，缺點(diǎn)是體積 大，便攜性差，難以作為傳感器節點(diǎn)的組成部分應用于實(shí)際設計中。

本文針對這一問(wèn)題，提出了基于SOPC(System ON Programmable Chip)的設計方案[2]，利 用其配置靈活、擴展性強、接口豐富等優(yōu)點(diǎn)，以Altera 公司的Cyclone II 系列FPGA 為基 礎，設計傳感器節點(diǎn)數據采集存儲系統，降低了設計的風(fēng)險，完善了傳感器節點(diǎn)功能要求。

2 采樣存儲系統概述

本設計系統的結構如圖1 所示，在整個(gè)傳感器節點(diǎn)的系統當中，將AD 芯片輸出的12 位數據，通過(guò)設計SDRAM 控制IP 核，實(shí)現數據變速率AD 采集、數據環(huán)形存儲、數據環(huán) 形讀取、以及數據飛讀（實(shí)時(shí)數據讀?。┑裙δ?。同時(shí)，對于NiosII CPU 設計串口（UART） 協(xié)議，以便前置機與傳感器節點(diǎn)通信，實(shí)現不同命令操作功能，方便對水聲試驗過(guò)程中波形 數據的變化進(jìn)行仿真處理，以滿(mǎn)足試驗要求。

本設計采用 MICRO 公司的MT48LC32M8A2 型號容量為32Mbyte 的SDRAM，芯片地 址線(xiàn)為25 位，每個(gè)地址存儲16 位數據。根據水聲通信試驗要求，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，本系統設計采樣時(shí)鐘最大40MHz。 同時(shí)，環(huán)形存儲深度最大為32Mbyte，每次采樣存儲數據占2byte，則至少可以采樣25 秒正 弦波數據。環(huán)形存儲區域大小，以及采樣時(shí)鐘都可以進(jìn)行參數化配置，能夠滿(mǎn)足試驗要求。 系統整體分為硬件邏輯設計，與軟件程序設計兩部分。