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分布式系统数据链路硬件平台设计 摘要 分布式系统在目标探测、目标监控和分布计算等领域中具有不可替代的作用和优 势，越来越受到广大研究人员的重视。本文以无线分布式采集和处理系统为研究目标， 主要对分布式系统的硬件平台的设计与实现进行探讨，包含硬件设计和硬件编程设计。 硬件平台的设计主要包含水下换能器接收模拟前端、接收机、信号采集、无线a p 通信电路设计。模拟系统针对微弱信号采集的实现，采用多种提高信噪比的方法，加入 增益控制，用于达到设计目标。数字系统采用f p g a 与d s p 配合的方式，实现增益控 制、数据采集和无线通信。在实现功能基础上，预留了一定空间，用于系统的升级。 硬件编程设计在硬件平台的基础之上，主要以实现数据链的畅通为目的，包含f p g a 程序和d s p 程序设计。f p g a 程序设计主要包含数据采集、数据缓存及d s p 通信接口 三个部分。d s p 程序设计包含接收机增益控制、t c p 佃通信设计两个部分。 本文对分布式硬件平台的整体功能的实现作了测试，并对测试结果进行了分析，并 给出改进意见。试验结果表明系统运行正常，可以实现本文所有预期目标。 关键词：分布式系统；d s p ：f p g a ；无线a p 分布式系统数据链路硬件平台设计 a b s t r a c t d i s t r i b u t e ds y s t e mp l a y sa ni r r e p l a c e a b l er o l ei nt h ef i e l d ss u c ha st a r g e td e t e c t i o n ，t a r g e t m o n i t o r i n ga n dd i s t r i b u t e dc o m p u t i n ge t c i td r a w sm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nf r o mr e s e a r c h e r s i nt h i s p a p e r , t h er e s e a r c ho b j e c t i v e sa r ew i r e l e s sd i s t r i b u t e da c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n g s y s t e m ，a n dm a i n l yt h ep a p e re x p l o r e st h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h eh a r d w a r e p l a t f o r mf o rd i s t r i b u t e ds y s t e m s ，i n c l u d i n gh a r d w a r ed e s i g na n dh a r d w a r ep r o g r a m m i n g d e s i g n h a r d w a r ep l a t f o r m d e s i g nm a i n l yc o n s i s t s o ft h er e c e i v i n ga n a l o gf r o n t e n do f u n d e r w a t e rt r a n d u c e r , r e c e i v e r , s i g n a la c q u i s i t i o n ，w i r e l e s sa pc o m m u n i c a t i o nc i r c u i t f o rt h e r e a l i z a t i o no faw e a ks i g n a la c q u i s i t i o n ，t h es i m u l a t i o ns y s t e mu s e sa v a r i e t yo fm e t h o d so f i m p r o v i n gn o i s er a t i o ，a d d i n gg a i nc o n t r o lt oa c h i e v ed e s i g ng o a l s t h r o u g ht h ec o o p e r a t i o n o ff p g aa n dd s p , t h ed i g i t a ls y s t e ma c h i e v eg a i nc o n t r o l ，d a t aa c q u i s i t i o na n dw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s o nt h eb a s i so ft h a t , t h e r ei sac e r t a i ns p a c er e s e r v e df o rs y s t e mu p g r a d i n g h a r d w a r ep r o g r a m m i n gd e s i g ni sb a s e do nt h eh a r d w a r e p l a t f o r m ，m a i n l yf o rt h e p u r p o s eo fs m o o t hf l o wo fd a t ac h a i n i ti n c l u d e sf p g aa n dd s p p r o g r a m m i n gd e s i g n f p g a p r o g r a m m i n gm a i n l yc o n s i s t so ft h r e ep a r t s ，n a m e l y , d a t ac o l l e c t i o n ，d a t ac a c h e ，a n dd s p c o m m u n i c a t i o n si n t e r f a c e d s pp r o g r a m m i n gi n c l u d e st w op a r t s ：t h er e c e i v e rg a i nc o n t r o l a n d t c p i pc o m m u n i c a t i o nd e s i g n t h i sp a p e rh a st e s t e dt h eo v e r a l lf u c n t i o n so fd i s t r i b u t e dh a r d w a r ep l a t f o r m t h et e s t i n g r e s u l t sw e r ea n a l y s e da n dr e v i s e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e s y s t e mr u n sp r o p e r l ya n d a c h i e v e st h ee x p e c t e dg o a l s k e y w o r d s ：d i s t r i b u t e ds y s t e m ；d s p ；f p g a ；w i r e l e s sa p 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 分布式系统概述 在二十世纪初，伴随着电子技术及计算机技术的高速发展，分布式系统渐渐成为了 研究热点。以其计算方法灵活、覆盖范围广、安全性高、系统稳定性良好等特点，己被 广泛应用到现代人类生活的各个领域。分布式系统是分布式硬件、分布式控制和分布式 数据的集合，当一个分散式系统不存在或仅存在有限的合作时，它就被称作网络的；否 则它就被称作分布式的。 分布式系统按照其特点的描述可以分为以下几种类型：分布式的、网络的、并行的、 并发的和分散的。而对于分布式处理这一崭新的领域来说，并没有一个确切的定义。在 通常意义下，分布式系统是指分布式的计算机协同计算和计算机软分布计算，但随着电 子技术、通信技术及软件技术的高速发展，分布式系统的定义也越来越大。现代电子技 术的高速发展，高性能的数字信号处理器的出现，许多型号的f p g a 、a r m 和d s p 的 处理性能已经可以满足许多情况下的分布式控制和处理要求，分布式系统已经不只存在 于计算机领域儿习。 。 一、分布式系统定义 分布式系统是若干独立计算节点的集合，各个计算节点计算是相互独立的，也就是 说每个计算节点都可以称作独立的计算系统。这个定义可以从两个方面理解：第一个是 硬件独立，其系统的硬件可能分布在不同的位置，相互之间没有关联性或关联很小；第 二个是软件独立，在同一时间用户可能只与某个或某几个系统有联系p 删。 分布式系统是分布式硬件、分布式控制和分布式数据的集合，而系统部件的相对位 置决定了系统的分布特性。如果系统的所有部件存在于一个地方，那么把它可以称为集 中式系统；如果系统部件存在于不同的地方，部件之间有协作关联或完全没有协作关联 时，就可以称它为分散式系统。如果一个分散式系统的各个部件之间不存在或仅存在有 限的合作时，这个系统被称作网络式的；而当系统的各个位于不同位置的部件之间存在 紧密合作的时候，系统就是分布式的。分布式系统的三个要素在定义中已经体现出来， 即分布式硬件的位置是分散的，分布式控制和数据是协作的关系。 分布式计算具有强大的处理能力，单个的计算节点的处理能力是有限的，而将所有 闲置的计算空余综合的分配任务，减轻单个节点的运算负荷，可以达到提高计算速度和 合理运用资源的目的。从狭义上分析，所谓的分布式计算就是在两个或多个软件互相共 享信息，这些软件既可以在同个计算节点上运行，也可以在通过网络连接起来的多个计 算节点运行。从广义上讲，它研究如何把一个需要非常巨大的计算能力才能解决的问题 分成许多小的部分，然后把这些部分分配给很多计算节点进行处理，最后把这些计算结 果综合起来得到最终的结果。综合以上对分布式系统的定义可以看出，分布式系统单个 哈尔滨下稃大学硕十学何论文 节点不一定具有所有处理功能，采用多部件协作的方式，能够克服系统的能力缺陷。 根据分布式系统的特点来分析，它具有以下几个优点： 1 、能够做到资源共享，方便各个节点的资源利用。 2 、通过分布式计算，将运算分配到其它闲置节点，提高资源利用度，平衡单个节 点的计算负荷。 3 、平衡系统处理能力，克服单个节点的处理能力缺陷。 二、分布式系统特性 分布式系统概括的来说具有以下几个特点：分布式的、网络的、并行的、并发的和 分散的等等特点。在分布式系统中存在多个对等的进程，它们之间具有合作关系和具体 的工作目标；其系统的控制方式是个性话的，这也是分布式系统的设计核心问题，它决 定了系统各个进程的协作方式；系统中数据是共享的，节点间可以互相访问，提高运算 速度5 1 嘲。 系统中并行的特点是指系统各个单元的运算是同时进行的，相对于单一进程运算来 说，系统可以将整个的数据处理过程分散的分配给其它节点，让相关多个节点同一时间 共同完成这一处理过程，大大节省了所需的时间。 系统所谓并发的特点是指某些处理是可以任意次序执行的，系统可以通过优先级选 择执行的先后顺序。 由于单个节点间是相互独立的，所以分布式系统的可靠性大大提高了。如果某个或 某几个节点出现故障，并不会影响其它节点而导致系统功能失效。 综合多个特点可以总结出分布式系统一般具有以下几个目标：分布式系统必须具有 开放性和可扩展性，能够方便的接入网络，保证一定的资源共享。而对于一个开放性的 系统来说，同样也存在几个基本的问题：系统要保证通信的可靠性，包含容错和安全， 系统的同步要求等等，为了保证分布式系统能够高效、稳定的运行，这些问题是必须要 面对的。 三、分布式系统与网络的区别 随着信息时代的高速发展，计算机网络已经发展到家喻户晓的程度，但是它与分布 式系统网络，在结构、工作方式和功能上都有很大的区别。现在的大多数分布式系统都 是建立在计算机基础之上的，但随着高速处理器的发展，许多自主网络已经可以取代计 算机网络作为分布式系统的硬件连接方式。 在结构上，分布式系统包含计算机和具有特定功能的计算机或处理器，在通信功能 上分布式系统以其控制的特殊性为依托，存在着采用其它通信方式的可能性，但两个都 有一定的共同点；然而在用户服务上存在本质差异：分布式系统涉及与应用有关的语义， 而网络只涉及通信的语义。也就是说，分布式系统在保证通信的前提下，需要实现一定 的功能应用。 2 第1 章绪论 在工作方式上，计算机网络为显式的方式，即对所有网络功能的调用是显式地进行 的，需指出对象的标识，所访问的功能调用是可知的，能定向的；分布式系统为隐式的 方式，它以功能调用形式向用户提供服务，各分布功能的使用过程和部分之间关系的维 护是由系统完成的，用户很难全部了解功能实现过程。 在功能上，网络通常被人们所熟知，其应用广泛，具有通用性；但分布式系统通常 是为解决一些特定问题而设计的，通用性较差。 四、分布式系统拓扑结构 分布式系统有着多样化的拓扑结构，而对于无线分布式系统来说，往往拓扑结构决 定了它的覆盖范围，超出覆盖范围的节点将失效，不再是分布式系统的部件了，所以拓 扑结构对于无线分布式系统来说是非常重要的。而对于有线的分布式系统来说，拓扑结 构往往影响到系统功能实现效率，同样也是非常重要的。一般拓扑结构是由互联形式区 分的，按其连接方式可以划分为直线型、环形、星形、树形、网络型和超立方等结构。 拓扑结构的不同，其特点也有很大的差异，每一种拓扑都有其特定的拓扑参数，结 点度数。不同的拓扑结构具有不同的特点，评价一种拓扑结构的优劣是比较困难的，只 能在特定的应用场合才能比较出哪种结构更为合理p 1 。 ? 1 2 分布式系统的应用及发展 随着计算机技术的高速发展，分布式系统也逐渐成为研究热点，从长远的角度看， 分布式系统会越来越普遍，将取代集中式大型计算机成为主流计算模式。相对于大型集 中式计算机相比，分布式系统的成本低，性能会随着计算机技术的发展会越来越好。另 外，它的高可靠性和可扩展性是其输出的优点，系统不会因为某个节点的损坏而失效， 可以通过其它节点代替损坏节点完成；分布式系统的开放性注定必须走可扩展性路线， 它们是相辅相成的。此外，分布式系统的具有高度的灵活性，其兼容性良好，对于现代 工业来说，通常的管理部门和现场都不在一个地点，能够快速灵活的接入系统是非常重 要的。综上所述，分布式系统将会成为现代计算技术的主流方向四。 y a h o o 公司已经实现了有一万个节点的分布式系统，一万台计算机的互联网络总的 处理能力是2 ，0 0 0 ，0 0 0 m i p s ，充分说明了分布式系统的强大处理能力。当前世界著名的 超级计算机t o p 5 0 0 ，达到每秒几百万亿次指令执行，其系统设计也是分布式的，世界 第一的i b mb l u e g e n e 超级计算机采用了3 2 部机架，每部机架部署有7 6 8 个p o w e r p c 4 4 0 c p u 。这些说明，现代超级计算机的成功发展也依赖于分布式系统。百度公司也在致力 于这一方面研究，目前应用于广告计算的h p c 高性能计算系统和m a p r e d u c e 计算的d c 系统则用于大规模分布式计算。 相对于小计算量的系统来说，分布式技术在保证系统功能的情况下，无疑会为提高 性价比做出贡献。在不能够架设计算网络的情况下，利用微型处理器代替计算机完成计 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 算功能时，分布式系统同样适用，能够大大的提高处理器运算能力，降低这个原因所造 成的成本增加。 随着软件技术的发展，云计算已经成为一大研究热点，这种计算方法就是建立在分 布式系统的基础之上的。云计算( c l o u dc o m p u t i n g ) 是分布式处理( d i s t r i b u t e dc o m p u t i n g ) 、 并行处理( p a r a l l e lc o m p u t i n g ) 和网格计算( g r i dc o m p u t i n g ) 的发展，或者说是这些计算机 科学概念的商业实现。云计算的基本原理是，将计算分布在大量的分布式计算机上，而 并非本地计算机或者远程服务器中，大量的数据计算将由相互连接的计算机网络来实 现。这种分布式的计算方式，大大降低了购买大型计算机的成本，其数据存储是开放式 的，用户可以根据需要提取相应的资源，提高工作效率聊。 基于分布式系统的优点，在分布式测量中同样具有广阔的应用前景，在测量和测控 领域已经成为了研究热点。本文以小型的分布式测量系统为讨论目标，以自行开发的分 布式系统硬件平台的设计为研究目的，对具体的硬件设计方案展开工作，对于分布式测 量系统的开发有一定的参考意义。 1 3 论文的主要工作 本文以小型分布式系统的硬件平台设计为主要研究目标，通过大量的文献阅读，了 解分布式系统硬件平台所需要的具体功能，根据分布式节点的特点设计电路。采用f p g a 和d s p 为处理器，无线a p 作为分布式系统的网络接入端口，实现了无线网络的小型分 布式系统硬件平台设计。具体的工作如下： 1 完成换能器匹配电路的设计与调试。设计中使用的接收机无法直接将响应转换为 电信号，需要为其设计一个匹配电路才能将信号取出。根据换能器要求设计电路并完成 调试，实现了供电和信号取出，并保证良好的信噪比。 2 完成接收机的电路设计与调试。根据声学换能器特点，合理设计滤波器的频带特 性，并完成电路调试。接收机中还包含一级放大电路，同可控增益放大电路配合使用， 实现电路的所需增益要求。 3 完成a d 转换电路的设计与调试。信号经由接收机调理之后，将进行4 路模拟信 号的并行数模转换，最后进入数字系统。 4 完成d a 转换电路的设计与调试。由d s p 控制d a 输出模拟量，用于控制接收机 的压控增益放大器来调节模拟增益。 5 完成网卡芯片的电路设计与调试。无线a p 只能放大双绞线上传输的模拟信号， 需要使用网卡芯片先将数字信号转换，必须要完成硬核t c p i p 协议网卡芯片的设计与 调试工作。 6 完成f p g a 的程序编写和调试。使用v e r i l o gh d l 语言的在q u a r t u si i7 2 平台对 f p g a 进行程序开发，利用平台自带的软件进行仿真和调试。a d 采集的控制是由f p g a 4 第1 章绪论 完成的，并在其中设定乒乓r a m 作为数据缓冲区，乒乓r a m 半满时会发送满存信号 到d s p ，告知d s p 进行数据读取。 7 完成d s p 的程序编写。使用c 语言和汇编语言混合编程的方式在c c s3 2 平台下 对d s p 进行程序开发，实现f p g a 接口、d a 转换控制和网卡通信控制。其中f p g a 的 接口和网卡通信控制采用e m i f 总线访问存储其的方式，而d a 输出控制是使用多通道 缓冲串口来实现的。 论文的章节安排如下： 第一章介绍论文的研究背景，发展现状，以及研究的目的和意义。 第二章详细的介绍了硬件平台的设计构思，将整个硬件平台划分成各个部分，并 对每个部分的设计思想和设计方法做出了说明。 第三章详细介绍了系统的软件设计。将系统软件对应其用途做了划分，并对每个 部分给出具体的说明。 第四章对系统测试结果进行了分析，并给出系统修改方案。 5 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 第2 章系统硬件电路设计 2 1 系统硬件性 甘- 匕i a 了4 匕日- - , 标 整个设计可以分为两个部分：数字部分实现和模拟部分实现。数字部分的工作频率 为1 2 0 m h z ，即f p g a 及d s p 的运行频率；工作在这个频率上基本可以实现基本的节点 算法、保证系统稳定运行和无线通信的效率。a d 的采样频率可以在1 m h z 以内可调， 精度为1 6 位，在有a g c 的支持下可以保证其精度的可靠性。系统的供电电源为2 4 v 直流电池，同时给数字系统供电和模拟差分电源供电，这样不得不使用d c d c 模块， 这样就存在一个合理电源设计以保证数字电路对模拟电路的干扰，还有模块本身纹波噪 声的干扰。本设计是基于分布式系统的单个节点的硬件电路设计，所以其节点中不但包 含了数字和模拟电路，还存在无线t c p m 传输的无线a p 发射模块，其对电路的辐射干 扰，需要同时考虑板级的和系统级的e m i e m c 。作为单个节点，还应当考虑到功耗的 问题。根据上述考虑，系统应达到以下性能参数： 1 模拟系统的等效电噪声在1 0 0 u v 以下 2 a g c 的增益最高应达到6 0 d b 3 a d 的采样频率应在1 0 0 k h z 以上 4 无线传输系统的速度应保证2 m b i t s 以上 5 a d 电路四路同时采样和保持 6 数字部分和模拟部分分别供电 根据以上性能指标合理的器件选型，并设计硬件电路；接收和处理部分的功耗最大 时在3 w 左右，其发射部分的功耗小于7 w ，即电路的功耗峰值为1 0 w ，符合节点的功 耗设计要求。结合设计的低噪声要求，合理布线，减少数字部分对模拟部分的污染。 2 2 系统硬件实现方案 系统的整体硬件系统主要由以下几个部分组成，它们是a d 7 6 5 5 数模转换电路、基 于d a c 8 8 3 2 的a g c 自动增益控制电路、接收机模拟信号调理、f p g a 的接口电路、传 感器的阻抗匹配电路、电源设计等部分组成，系统框图如图2 1 所示。每个节点都具有 采集、处理和通信功能；系统将传感器信号进行模拟信号的调理，放大并滤除频带外的 噪声，通过a d 7 6 5 5 转换成数字量存入f p g a 内开辟的缓存r a m 中，d s p 经由e m i f 总线将数据读入d s p 内并进行处理；处理中包含对信号放大量的检测，并控制d a c 输 出模拟电压，模拟板通过这个电压值来控制模拟板的增益；d s p 处理完的数据传输给 w 5 1 0 0 网卡，由无线a p 通信将信息传送给其他节点。系统中硬件电路包含电源电路设 计、模拟接收机电路设计、a d 7 6 5 5 采集模块、d s p 控制w 5 1 0 0 网卡和d s p 控制d a c 8 8 3 2 完成v g c 电路。 6 第2 章系统硬件电路设计 - 一一 无线a p f p g a w 5 1 0 0 网卡 td s p v a d 7 6 5 5a d 7 6 5 5 d a c 8 8 3 2 一 ( 模拟接收机 v g c 图2 1 系统框图 2 3 电源设计 系统中不仅包含数字电路，还包含模拟电路，这使电源的复杂程度增加了。系统选 用2 4 v 直流电压供电，还要保证节点低功耗的要求，这样d c d c 模块成为首选，但其 无法去除的纹波噪声也是不能不考虑的。系统同时需求多种电压值，包括模拟电路的 + 5 v ，数字电路的5 v 、1 2 v 、1 6 v 、2 5 v 、3 3 v 、5 v 多种电压，首先要保证系统工作。 所需的各种电源，之后在考虑如何优化这些电源，并尽量减少噪声，提高系统性能。设 。 计中给出了在这样模拟与数字结合、板上要求各种电压值的情况下，实现时应当注意的 事情，和应用d c d c 模块尽量减小噪声的具体方法，并在电源的接入端给出了能够针 对于对电源纯净要求较高的系统如何将电源正确高效的接入。 2 3 1 应用电路设计 由于系统中包含模拟和数字两部分电路，为尽量保证信号的纯净，减小数字电路对 模拟电路的干扰，系统采用双模块供电的方式，单独设计一块电源板，其电路实现如图 2 2 所示。d c d c 模块选择的l i n e a rt e c h n o l o g y 公司的l t m 8 0 2 3 ，其性能参数 如表2 1 所示，其突出优点是纹波的峰峰值只有1 0 m v ，适合于给设计中模拟电路的供 电要求，利用三个模块分别数字电路和模拟电路提供+ 5 v 和+ 5 v 的电源。 7 哈尔滨丁稗大学硕十学何论文 表2 1l t m 8 0 2 3 d c 基本参数 型号u m 8 0 2 3 d c 输入电压范嗣( v ) 3 6 3 6 输出电压( v ) 0 8 1 0 输出电流( a ) 2 纹波峰值( m v ) 1 0 啪。 图2 2d c d c 应用电路 对于电源接入的前端设计如图2 3 所示，电源的接入端采用共轭线圈，可以有效的 去除从电源端进入的由温度变化等产生的共模噪声。在线圈后接电容形成l c 滤波器， 再次对电源进行滤波；另外，在常用的d c d c 转换电路中，电感还具有扼制突变电流 的作用，和电容作用相同具有储能作用。 专粥瑾 嚣；x 0二划圭& 刑 主盘i = 嚣 潍 2 图2 3 电源接入前端电路 对整流二极管选择，设计中采用肖基二极管1 n 5 8 4 7 ，它具有很小的正向压降和可 以忽略不计的反向回复时间，及不存在开关过程中电荷储能问题，非常适合用于5 v 左 右的低电压d c d c 转换电路中。 由于节点可能用于环境非常复杂的地方，因此在电源前端加入自恢复保险丝p p t c ， 当温度过高或后端短路时做过流保护。 考虑的抑制板级的e m i ，电路在电源地、模拟地、数字地及数字电源和模拟电源采 用铁氧体磁珠b l m 3 1 p g l 2 1 s n i l 连接，最大额定电流3 a ，直流最大电阻0 0 2 5 0 h m ， 体积小、频率特性良好，它可以有效吸收电路的高频干扰，可以降低d c d c 的纹波噪 姗，适合于应用d c d c 模块电源的电路设计。 8 第2 章系统硬件屯路设计 设计中数字采集和处理板所需的电源值较多，并需要单独供应一个。5 v 的电压给 d a c 使用，所以选用t l 公司的t p s 7 0 3 0 2 可调节电源芯片进行设计，其应用电路如图 2 4 所示。其中+ 5 v 的电压是从底板d c - d c 模块提供的，考虑到数字电路可能会给模拟 电路带来噪声，所以底板并没有引入5 v 模拟电压，设计中采用m a x 7 6 6 产生一个5 v 的电压给d a c 8 8 3 2 使用，+ 5 v a 模拟电源则直接由底板提供+ 5 v d ，避免了数字板给其 它板带来干扰。其中数字地、模拟地以及+ 5 v 和+ 5 v a 间都使用铁氧体磁珠隔离，为达 到降噪效烈u 1 。 、蕾ly 础 t j 互 葛珂王o f “卜叫 v “ 晦融 i 型土：哚县嚣 x 畦珈”。 寸口 d 口 匿 戤l m盈望毡 ”i l 毒引茹一嘿目十冀一二屯矿q b =私3 、”凶t 土 茸珂r ：l ll 稻， f a ” l l 嫩 q m v c ：苛灶 _b 嗓占：芸 羔-j援 志口 k n l 匡 戤 函竺 吉_：一 图2 4 数字处理板电源电路 2 3 2 设计功能实现 系统采用2 4 v 电池作为系统的总电源，系统中绝大部分器件及模块都选择低功耗 的，以延长节点使用周期。底板的3 个d c d c 模块为系统的各个部分转换电压，其实 测电压值如表2 2 所示。 表2 2d c d c 模块实测电压 模块名实测值( v )纹波峰峰值( m v ) l r m 8 0 2 3 d c+ 5 v d5 0 11 1 i t m 8 0 2 3 d c+ 5 v a5 0 41 0 l n 8 0 2 3 d c5 v a5 0 31 1 模块的实际测试中发现，虽然模块的输入电压范围为3 6 0 6 v ，但是当输入电压值 小于1 0 时，输出纹波噪声会增大，小于3 v 时模块没有输出，接近3 6 v 时，模块纹波 极大，不能正常的用于模拟电路中。设计选用2 4 v 输入，测试模块工作稳定，可以正常 的使用。 电源接入端2 4 v 电压输入噪声很小，将电池与底板相连后测得，共轭线圈前端噪声 为3 m v 峰峰值，d c d c 模块前端噪声为2 m v 峰峰值，达到设计标准，可以正常的使 用。 9 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 数字处理板有底板单d c d c 模块转换的+ 5 v d 直接供电，经由三片电源芯片将其 分别装换成1 2 v 、1 6 v 、2 5 v 、3 3 v 和5 v 提供给d s p 、f p g a 、a d 及d a 供电。它 们的转换分别由t p s 7 0 3 0 2 和m a x 7 6 6 来完成，通过改变t p s 7 0 3 0 2 的周边电阻值来调 节出设计所需要的电压。t p s 7 0 3 0 2 的输出能力强，两路输出分别为1 a 和2 a ，足以达 到设计所需求的电流值，使用也十分灵活。m a x 7 6 6 将+ 5 v 转换成5 v ，其输出能力弱， 但系统需求这个电压值的只有d a 部分，其功耗很小，可以稳定的完成这个指标。电源 供电实测情况如表2 3 所示，完全可以实现数字系统的供电要求，其噪声也很小，可以 保证系统的稳定使用。 表2 3 数字板电源实测表 预期输出值( v )实测值( v )误差( v )噪声( m y ) 55 0 10 0 11 0 1 2 1 2 4 0 0 12 0 1 61 6 50 0 52 0 3 33 3 5o 0 52 5 2 52 5 10 0 12 0 55 0 70 0 71 5 2 4 模拟接收机 设计中接收机可以分为两个部分：放大电路和滤波电路。放大电路由固定放大电路 和v g c 电路两个部分，放大电路的固定增益可到4 0 d b ，v g c 电路可以在4 0 d b 至l j + 4 0 d b 之间调节，这样可以有效的控制模拟信号增益，使采集到的输入信号幅度达到最优话。 滤波器的通带为5 0 0 h z 一4 0 k h z ，滤除的低频的工频干扰和高频噪声。 2 4 1 应用电路设计 图2 5 放大电路设计 放大电路部分具体如图2 5 所示，输入端加入了过压保护和过流保护电路，其中v g c 夹在两个正向放大电路中间，这样可以保证整个放大电路的输入电阻无限大、输出电阻 趋近于0 ，保证系统性能。在每个电源的接入处都接低通滤波器，尽量减小d c d c 模 块纹波对信号调理电路的影响。集成运放选择o p a 6 2 7 ，其性能优良，增益带宽积较大， 1 0 第2 章系统硬什电路设计 可以满足设计要求。可变增益部分选择压控增益放大器v c a 8 1 0 ，其频带系数良好，增 益可以在4 0 d b 一+ 4 0 d b 间控制，可变区间大，直流电压控制增益，可用d a c 实现，使 用简单方便旧。 图2 6 模拟滤波器电路 滤波器设计中采用4 阶高通加4 阶低通级联的方法搭建一个8 阶带通巴特沃斯滤波 器。选用巴特沃斯滤波器的原因是它的通带特性良好，可以保证通带信号几乎无损的通 过。级联处和输出级都加有射随，保证减小前后级间的相互影响和提高电路输出能力。 其频率特性如2 7 所示，其幅频特性曲线很好，幅频特性在通带内基本成线性。 _p-呵州r啤删嗍 图2 7 滤波器的幅频特性与相频特性 2 4 2 设计功能实现 模拟接收机是根据具体的信号频率而设计的，本文针对的信号是以声信号为主的， 所以其频带设计在5 0 0 h z - 4 0 k h z 上，而用于其他频带时，需要修改滤波器的阻容和更 换运算放大器即可实现，具体的实现方法还要结合实际应用。本文中接收机前端还有一 个针对于矢量水昕器的阻抗匹配器设计，在下一节中进行介绍。由于声信号通常是微弱 信号，所以对放大的要求更高一些。 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 设计中采用三级放大电路级联的方式，两级固定放大电路一共可以放大4 0 d b 或更 高，可控增益放大电路则可以在4 0 d b + 4 0 d b 之间可控，这样就可以在0 d b 8 0 d b 之间 可控放大。经过放大器放大后的信号进入滤波器，最后到达a d 前端进行转换，应当注 意放大后信号的幅度问题。设计中选择的a d 转换器件是a d 7 6 5 5 ，它的采样精度是1 6 位的，输入量程为0 - 5 v ，这样最好的输入信号幅度就是2 5 v 一+ 2 5 v ，超出这个范围会 使信号信息丢失，太小又会采集不到完整信号同样丢失信息，只有合理的选择放大倍数 才会使信号有效的进入处理系统。关于a d 采集模块将在后面进行详细说明。 本文中的硬件设计是针对于具体换能器而展开的，换能器接收信号的大小是很难预 测和控制的，所以加入了v g c 电路，v c a 8 1 0 是压控增益放大器，其控制输入是模拟 电压，控制电压输入区间是0 2 v ，其增益控制曲线如图2 8 所示。从曲线中可以看到， 超出这个区间时可能出现增益骤降的情况，所以要尽量使得模拟控制信号稳定在这个区 间内。 6 0 4 0 2 0 营 o j 一2 0 蕾 。硼 - 6 0 一 - 1 g a l nv sc o r r r o lv o l l a g e 一轴目：埔e do p o + a t i n gr a ng o ，、 l l 一 一一十o1 5 4 v c + 2 v 图2 8v q 蝎1 0 压控增益曲线 两级固定增益放大点路，实测增益分别为1 9 5 d b 和2 0 5 d b ，这是由于电阻值偏差 造成的，两级级联后的增益约为4 0 d b 。而v c a 8 1 0 的实测增益区间是3 6 d b 一+ 3 8 d b ， 所以整个放大电路的实际增益为4 d b 一7 8 d b 间可控，基本完成了设计的要求，能够完成 本文中对放大电路要求的任务。 设计中重点对滤波器进行了长时间调试，对其整个频带进行了多次测试，其幅频特 性和相频特性基本与图2 7 吻合，可以实现设计要求。针对滤波器还进行了噪声滤除测 试，即利用信号源发射一组夹杂噪声的单频信号，测试结果能够实现噪声滤除。 接收机的电源是通过底板上d c d c 模块直接提供的，为了进一步减少噪声，整个 电路所有接入电源的点都附加一个r c 滤波器，减小纹波影响。从底板上来的电源噪声 是1 0 m v ，在信号端接地的情况下，放大量为7 8 d b 时，电路的等效噪声为1 0 u v ，放大 量为4 0 d b 时等效噪声为8 u v ，放大量为4 d b 时等效噪声为1 0 u v ，可以看出电路的噪声 等级可以满足要求。 1 2 第2 章系统硬件电路设计 2 5 换能器阻抗匹配模块 设计中使用的换能器是矢量水听器，其原理是内部存在一个测量振动信号的加速度 计，通过响应由介质传导过来的振动信号来测量系统所需要的信息。本设计中选用的是 特定的传感器，其内部的加速度计需要外部供电才能使用，并且在制作传感器的时候为 了优化资源，减少传输线的数量，采用信号与电源一线传输的方法，提高了系统抵抗噪 声的性能。而这种设计方式就要求在使用时必须在传感器后端加一个阻抗匹配器。 2 5 1 应用电路设计 传感器的信号与电源一线的特点使得供电方式必然使用恒流源。恒流源的优点是供 电非常稳定，抗各种干扰性能强，在一线传输中信号不会干扰其稳定性，是本设计中必 然使用的供电方式。本文中使用的换能器为了提高抗噪声能力，采用的差分信号的方法， 这样在信号取出的后端应加入一级减法器，即差分变单端电路设计。这里我们选用 a d 6 2 0 集成差分放大器来实现这个设计要求，其使用方便，只需在周边加入适合的电阻 电容即可实现，其增益也是可以调节的，可以优化其各个通道之间的增益差n 习。 恒流源的设计电路如图2 9 所示，这里横流源设计采用简单的方式实现，即利用小 电流l d o 的固定输出压差，通过调节电路中的可变电阻，即可调节电路的输出电流。 为保证电路输出电流的稳定性，加入1 n 4 0 0 7 和电感，作用是储能和稳定电流。已知换 能器所需电流为4 m a ，可以通过计算求得这个电阻值，也可以用固定电阻替换掉可变电 阻来提高性能。这里应当注意的是，大多数l d o 的g n d 端在工作时通常存在一个小的 漏电流，这样就给设计带来了不便，生产厂家标示的漏电流大小通常是只最大值，而单 片l d o 之间的具体漏电流大小又是难以估计的，所以设计时应当注意到这一点。那么 电路具体输出的电流大小如下式来计算，其中，。是l d o 的漏电流值，k 是l d o 的稳 定电压输出，r ，是l d o 的输出与地之间所接入的电阻值。 lq ls + v q | r w 合理调节r ，的值，调节到设计所需要的电流输出，保证换能器能够正常的工作。 换能器共有六路输出，分别是声压的两路差分输出、振动加速度的x 轴的两路差分输出 和y 轴的两路差分输出，其中声压的两路不需要恒流源供电，也就是只需要4 路恒流源 就可以实现供电了。 1 3 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 图2 9 恒流源供电电路 恒流源供电给换能器，由于换能器的内阻使得信号上存在着一个直流偏置，需要进 行r c 低通滤波之后才能进入减法器。减法器的实现电路如图所示2 1 0 ，其中r w 是用 来调节放大器增益的，由于设计后级存在放大电路，所以这里不作为增益的主要部分。 由于换能器的本身特性，其声压通道的信号相对于振速通道要小很多，为了配合后级的 增益控制电路，这里只在声压通道上进行了2 0 d b 的放大，其它通道不放大。由于放大 器的电源供应也是从底板上d c d c 转换而来的，所以在供电处一样要进行滤波处理， 以保证系统的稳定。 图2 1 0 减法器实现电路 由于声压通道的抗干扰性能非常差，需要在后级加入一级抗干扰的滤波器，又考虑 到信号的通道一致性，所有在其它两个通达的后端同样加入相同参数的滤波器。由于系 统后端存在一个更为强大的滤波器，这里仅仅是初步的处理，所以滤波器选用4 级的通 带比较宽的巴特沃斯带通滤波器，其实现电路如图2 1 1 所示。其相频特性和幅频特性曲 线如图所示2 1 2 所示，其通带的设定是根据换能器的频率响应参数设定的，所以这个电 路也仅仅适用于这个换能器；滤波器的相频特性近似与线性，可以接收调频信号。 1 4 第2 章系统硬什电路设计 图2 1 1 后端滤波电路设计 位口城o “ 伦壤，瞳“拟lao铂lo“膏la(k恤瞳埘u rq州嗍冉叼岬悯 图2 1 2 滤波器的幅频特性和相频特性曲线 2 5 2 设计功能实现 设计中换能器匹配器作为模拟前端，作用就是能够正确的将信号取出，并保证一定 的噪声等级，最基本的要求就是不能够引入额外噪声。考虑到板级电磁干扰等问题，设 计将这部分电路装入封闭的铝制小盒中，其信号接入接触方式全部采用屏蔽线，以达到 降低干扰的目的。 恒流源供电的测量通过外接定值电阻测量电压的方式，对每一路恒流源进行单独的 测试，调节电阻值直至达到4 i l a 标准电流。由于设计中选用的电容值都比较大，其充 电效应比较强，所以系统需要十几秒才能进入稳定供电值4 m _ a ，在进入稳定状态过程中， 系统还是可以正常使用的，但会稍微降低信号幅度。 系统各处及各个通道的噪声情况如表2 4 所示，从表中数据可以看出系统能够稳定 的工作，各级电路的叠加噪声很小，为数字系统的信号处理减少了难度。可以有效的实 现信号的取出，再经过后级的放大和滤波之后将信号输出给a d ，实现数模转换。 哈尔滨t 稗大学硕十学位论文 表2 4 阻抗匹配器各级电路噪声 差分前( m v )差分后( m v )滤波后( m v ) v x 通道 1 2 85 v y 通道 1 585 声压通道 5 03 01 0 2 6 a d 转换设计 设计中选用的a d 芯片是a d 7 6 5 5 ，是a d i 公司生产的一款高性能的数模转换芯片， 4 通道1 6 b i t 最高采样率可达1 m s p s 。芯片支持4 通道顺序采样模式，即相邻两个通道的 采样相差一个采样时间；同时支持两个通道的并行采样。因为设计要求各通道并行采样， 所以需用2 各a d 7 6 5 5 搭建一个4 通道的并行转换电路。芯片还支持多种读写协议，包 含串行s p i 和并行等协议，实现较为方便。其通道的的接入方式控制如图2 1 3 所示。 、，b 凸 f i g u r el & s i m p l t f i e d a n a l o g i n p u t 图2 1 3 通道接入控制 其模拟供电电压为5 v ，模拟输入电压范围是0 - 5 v ；数字供电为5 v ，其i o 电平标 准可选，设计中是f p g a 来控制a d 7 6 5 5 ，为保持接口电平一致，两边都选择3 3 v 电源 供应芯片i o 电平。 设计中的a d 参考电压是2 5 v ，对应的数字量是0 x 8 0 0 0 h ，0 5 v 的输入范围对用 输出范围是0 x 0 0 0 0 h 0 xf h ，每位的精度可达7 6 2 9 u v ，从速度和精度上都满足设计 的选件要求。 2 6 1 应用电路设计 由传感器感应到的信号通过匹配器取出3 路信号，再经过接收机进行信号调理，最 后到达a d 采集前端。设计中预留一路a d 通道，是为了应用中可能会启用v z 垂直的 振动加速度。由2 1 4 可以看出，a d 7 6 5 5 的内部只有两个采样保持电路，即通道a 和通 道b ，而通道a 1 与a 2 、b 1 与b 2 之间的切换采集是通过外部控制a b 管脚来实现的。 这样，一片7 6 5 5 不能实现4 通道的并行采集，只能在不切换a b 来实现a 1 与b 1 或 a 2 与b 2 的并行采集。为此，将i n a 2 和i n b 2 管脚接地，采用两片拼接的方法来实现 4 通道的并行采集。 1 6 第2 章系统硬件电路设计 f u n c t l o n a lb l o c kd i a g r a i a v o d 0 or e f ；h or 睁td v d i d h o 图2 1 4 a d 7 6 5 5 的内部框图 a d