针对遥感体系的作业环境特色、待处理信号的频谱特征以及体系信噪比等要求，归纳比较多种信号收集体系计划的优缺陷，本文提出了一种依据FPGA的激光多普勒测振计信号收集与处理体系的规划计划，该计划可以完结光声浅海地势遥感勘探中的水声信号的实时收集与处理。
1 体系整体结构
激光多普勒测振计信号收集与处理体系要求既要具有高速实时的收集和处理才干，也要具有丰厚的外部接口，一起，考虑到体系稳定性和灵活性的要求，选用中心板和底层板结合的硬件结构。体系原理框图如图1所示，FPGA 芯片选用Atera 公司的Cyclone Ⅱ 系列EP2C5Q208C8N,它选用90 nm 工艺，具有4 608个逻辑单元。此外，体系还包含信号调度模块、A/D转化电路模块、D/A 转化电路模块和外部接口单元等部分组成。
体系选用±15 V 电源供电，选用多块电压转化芯片，供给5 V,1.8 V,3.3 V和1.2 V电压。
2 信号收集和处理体系规划
2.1 硬件电路规划
激光多普勒测振计信号收集与处理体系选用中心板和底层板结合的硬件结构，中心板首要包含FPGA芯片、串行装备芯片(EPCS)、联合测验调试接口(JTAG)，其通过108个引脚插针与底层板插座一一对应衔接。
底层板电路首要包含电源转化电路、信号调度电路、A/D转化电路、D/A转化电路和串行通讯转化电路。
电源转化电路通过7805 稳压芯片、AMS1117 稳压芯片和LM1085稳压芯片完结电源电压的转化，为体系供给5 V,1.8 V,3.3 V 和1.2 V 电压。信号调度电路模块包含两路差分扩大电路，每路差分扩大电路由一片高性能的全差分音频运算扩大器芯片OPA1632 构成。A/D 转化电路模块是在四通道16 位求和型模数转化芯片ADS1174、稳压芯片REF1004 以及集成运放芯片OPA350的基础上完结的，高速状况下，ADS1174芯片速度可以到达52 KSPS,并支撑多通道并行处理。选用DAC8551 和REF02 稳压芯片完结D/A 转化，DAC8551是一款16 位电压输出模数转化芯片，REF02 稳压芯片为DA芯片供给2.5 V的参阅电压。因为RS 232在通讯范畴的广泛使用，本文规划体系选用RS 232 串行办法进行通讯，考虑到激光多普勒测振计信号收集与处理体系中FPGA 接口电路是TTL 电平，所以需求通过MAX3232芯片完结与RS 232规范电平的转化。硬件电路板如图2所示。
2.2 FPGA逻辑规划
在FPGA逻辑规划中，选用ALTEra公司的QUARTus Ⅱ归纳开发环境对FPGA进行规划、仿真和调试，完结信号的收集和处理功用，FPGA逻辑规划作业流程图如图3所示。
在作业进程中，FPGA首要检测是否接纳到数据收集结束的使能信号，假如没有接纳到就一向进行检测，假如收到就读取16 位数据并缓存。当FIFO 挨近全满状况时发动数据处理逻辑，数据处理逻辑通过一系列乘加运算结合流水线的规划办法完结，并将运算成果恰当截位输出给双口RAM.双口RAM 具有两套彻底独立的数据线、地址线和读写操控线，当检测到有数据输入时，读地址开端加1,不然读地址坚持不变。上位机预备就绪，即双口RAM 数据预备输出时，双口RAM 写地址开端加1,通过串行接口将数据输出。在输出模拟信号时，只要当DAC8551芯片输入寄存器接纳到24位数据，一起同步信号为低电平时，才干发动D/A转化逻辑。下面将介绍几个典型数字逻辑模块的要害规划点。
(1)时钟模块
本规划中外部晶振供给给FPGA的时钟为50 MHz,时钟模块的功用便是依据规划要求，运用锁相环以及使能时钟的规划办法为各个模块供给所需的时钟信号。通过锁相环装备东西将50 MHz的体系时钟进行1/2分频，然后发生频率为25 MHz并满意时序束缚的主时钟。使能时钟规划，即不添加新的时钟，而仅仅运用原有主时钟，让分频信号作为使能信号来运用，通过该规划对主时钟进行1/16分频，为信号处理模块供给作业时钟。
(2)A/D逻辑模块
A/D 逻辑模块的使命是依据ADS1174 的转化时序图，在芯片的引脚宣布或接纳相应的信号，使得ADS1174完结发动、装备和数据读取操作。其操控操作如下：首要装备ADS1174 的相关参数，包含运转形式、接口类型等，然后通过查询ADS1174的DRDY信号来断定数据转化是否完结，开端读取数据，最终将读得数据进行串并转化，一起完结数据的缓存。A/D逻辑模块每完结一次信号采样，则等候下一次触发脉冲的到来。
(3)数据处理模块
数据处理模块的功用是提取出多普勒测振计信号中的频移信号，本规划选用如图4 所示的信号处理算法，通过微分和乘加运算，一起结合流水线的规划办法来完结。微分运算的处理是将前一个数据推迟一个单位时刻，用当时的数据减去前一个数据得到的。通过宏模块构建16 b × 16 b有符号乘法器来完结乘法运算，一起为了防止溢出，对乘法运算成果恰当截位。相关除法器操作则与乘法器相似。
(4)双口RAM模块
本文规划中双口RAM 用于存储通过处理的数据，一方面通过RS 232 接口供给给上位机操作，另一方面通过DAC8551转化成模拟信号。双口RAM具有两套彻底独立的数据线、地址线和读写操控线，并答应两个独立的体系或设备一起对其进行随机性拜访。该双口RAM 模块是通过调用Quartus Ⅱ自带的参数化模型库完结的，容量为4 KB.
(5)数据通讯模块
RS 232选用的是异步通讯协议，根本的异步通讯只需包含通讯发送端和通讯接纳端两根信号线。该模块由三个子模块组成：波特率发送器模块、数据发送模块、数据接纳模块。波特率发生器模块首要用于发生接纳模块和发送模块的时钟频率，其实质是一个分频器，数据接纳模块的效果便是将接纳到的串行数据转化成并行数据并输出，数据发送模块的效果相当于一个移位寄存器，其功用便是依照必定的波特率将移位寄存器中的数据一位一位移出。数据收发进程是通过状况机完结的，规划中波特率发生器模块的输出时钟为实践串口数据波特率的16倍，当输入线路逻辑发生跳变时，敞开采样计数器，当计数器计数到开端位数据中心时刻时即可确定接纳到的数据是开端位数据，顺次类推，只要计数器计数到每个数据的中心方位时才开端收集该数据。
3 仿真验证
激光多普勒测振计信号收集与处理体系选用MentorGraph%&&&&&%s公司Modelsim软件进行仿真验证。数据通讯模块仿真波形如图5所示。其间，first发生跳变会引起数据发送使能信号的翻转，然后给UART传输体系中数据发送模块一个使能信号。clk16x_rx,clk16x_tx是由波特率发送器发生的16倍于体系时钟的信号，别离效果于数据接纳模块和数据发送模块。依照时刻次序由低字节到高字节发送一帧数据0,1,0,0,1,1,1,0,1,1,当数据发送使能信号低电平有用时，被采样的数据经由数据发送模块发送出来。由此证明数据通讯模块可以正常作业。
体系仿真波形如图6 所示。dina,dinb 是由计算机随机发生的两路多普勒正交信号，通过ADS1174 模数转化输出给FPGA,通过信号处理模块、双口RAM 模块以及DA操控模块，从dout口输出给DAC8551芯片进行数模转化。
4 结语
依据激光多普勒测振技能的声光耦合体系是光声浅海地势遥感体系的重要组成部分，包含激光多普勒测振体系、水面反射光自适应盯梢体系以及可调水平渠道三个部分。传统的浅海地势丈量以船舶为渠道，选用声纳技能进行，这种丈量办法关于一些船舶难以驶入的区域便形成了丈量盲区，而机载渠道与光声浅海丈量技能的结合克服了这一缺陷，大大提高了丈量区域的规模。
测验标明该规划计划可以确保规划要求的采样速度和精度，关于信号的实时解谐和处理具有实践使用价值。
