[发明专利]一种基于ZYNQ的前视声呐信号处理硬件系统

权利要求书

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

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。