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1、国防科学技术大学 硕士学位论文 光纤水听器阵列信号的准实时同步传输 姓名：张辉 申请学位级别：硕士 专业：光学工程 指导教师：熊水东 2010-11 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 第 i 页 摘 要 光纤水听器向大规模阵列的方向发展，对信号传输的多通道同步和数据实时 性提出了越来越高的要求。本文分析了光纤水听器阵列的结构及信号特点，针对 时分波分混合复用的模块化结构要求，提出了相应的基于以太网的模块化数据传 输方案。 针对数据传输的实时性与同步性，以 DM642 芯片为核心，设计制作了基于 DSP 百兆以太网接口的数据传输硬件模块，建立了实际光纤水听器阵列的数据传 输系统，编写了
2、PC 主机端与 DSP 客户端软件，实现了光纤水听器信号的准实时 同步数据传输。 在系统硬件方面，考虑了系统工程实现的可扩展性、可靠性和易维护性等综 合因素，设计并制作了模块化数据传输硬件，每个模块可通过一个网口完成多路 数据管理和数据传输，便于通过增加模块而进行系统扩展。 数据传输软件以 TI 公司的 TCP/IP 协议栈和 NDK 网络程序开发套件为基础， 设计了包括 DSP 端的数据发送程序和 PC 机端的数据接收程序， 最后实现了 PC 机 与 DSP 机网络层和传输层上的通信。 为实现前端多 DSP 数据传输的同步， DM642 数据获取采用 FIFO 缓存方案， FIFO 缓存多个
3、前端信号处理 DSP 的数据，并通过多个 FIFO 的半满标志控制逻辑启动 DM642 的 EDMA 数据传输，该方案可消除多个前端 DSP 的微小数据时差从而实现数 据的同步。 为实现数据无间断的准实时传输，DM642 数据获取采用外挂的 SDRAM 缓存方 案。外挂 SDRAM 的数据区分两个模块，一个作为存储操作缓冲区，一个作为网络 传输数据区，两区操作交替进行，并在存储操作缓冲区写满后插入通道数据排序 操作，最终实现了数据的准实时同步传输。 本课题的百兆网数据传输系统可以满足中等规模水听器阵列实时信号传输处 理的要求，针对更大规模光纤水听器阵列的信号处理要求，课题提出了基于千兆 网的水
4、声信号传输处理方案，并对该方案的关键技术和一些问题进行了讨论。 主题词：光纤水听器阵列光纤水听器阵列 信号传输信号传输 DSP 以太网以太网 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 第 ii 页 ABSTRACT The fiber optical hydrophones are evolving into the large scale array, demanding increasingly higher requirements for multi-channel synchronous real-time signal transmission. This paper analys
5、es the construction of the fiber optical hydrophone array and its signal characteristics, indicating a modularized data transmission scheme based on Ethernet, correspondingly to the requirements for the modularized construction of time and wave division hybrid multiplexing. Aiming at the real time a
6、nd synchronization of data transmission, based on DSPs fast Ethernet interface, DM642 chip as the core, we have designed the data transmission hardware module, constructed a data transmission system for the fiber optical hydrophone array, wrote the software for the PC host computer and DSP client, r
7、ealized quasi-real-time data transmission of the fiber optical hydrophone. In the aspect of system hardware, considering the systems engineerings general factors such as expansibility、dependability and easiness for maintenance, we designed and made modularized data transmission hardware. Through a n
8、etwork interface, each module could accomplish multi-channel data management and transmission, thus by adding extra modules system expansion could easily be achieved. Based on the TCP/IP and NDK network program developing suite of the NI Company, the software for data transmission included programs
9、for sending out data from the DSP and receiving them at the PC end, thus the communication between the PC and the network and transmission layers of the DSP was realized. To accomplish the synchronization of the multi-data-transmission of the front DSPs, FIFO cache scheme was adopted for DM642s data
10、 attaining, FIFO caching data from several signal-processing front DSPs, setting off EDMA of the DM642 to transmitting data by several FIFOs half-full sign controlling logics, this scheme avoiding the tiny time differences of the data from different front DSPs, thus achieving synchronization of the
11、data. To accomplish the continuous quasi-real-time transmission of the data, DM642 adopted the method of external SDRAM cache to attain the data. The regime of the SDRAM data was divided into two modules, one as memorizing cache regime, the other as network transmission data regime. The two regimes
12、worked by turns, and channel data taxis operation was inserted after the memorizing cache regime was written fully, thus the datas quasi-real-time-and-synchronization transmission was realized finally. The 100Mb/s network data transmission system of this subject can satisfy the requirements for the
13、teal time signal transmission and processing of medium scale fiber optical hydrophone arrays. Corresponding to the demand of the even lager scale arrays signal processing, this subject dedicated the underwater acoustic signals transmission 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 第 iii 页 and processing scheme which was
14、 based on the 1000Mb/s network, and the core techniques and some problems of this scheme were discussed. Key Words: Fiber optical hydrophone, Signal transmission, DSP, Ethernet 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 第 III 页 表 目 录 表 3.1 SDRAM 基本操作及控制信号. 21 表 4.1 WINDOWS API 函数说明 46 表 4.2 波长与通道对应关系示例表 49 表 5.1 6455 与 B
15、CM5464 接口描述表 59 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 第 IV 页 图 目 录 图 1.1 KNM 大规模光纤水听器阵列系统示意图. 4 图 2.1 典型光纤水听器时分波分混合复用阵列光学结构 11 图 2.2 典型光纤水听器阵列的光电信号处理模块结构 12 图 2.3 光纤水听器信号的三级网络传输架构 13 图 2.4 基于以太网的信号传输模块的扩展架构 13 图 2.5 系统工作流程 14 图 2.6 系统控制与采集时序框图 15 图 2.7 实现同步与准实时的系统整体设计 16 图 3.1 模块化结构设计 18 图 3.2 系统封装后实物图 19 图 3.3 FIFO
16、 的硬件设计框图 20 图 3.4 SDRAM 硬件设计框图. 22 图 3.5 1.4V 电源设计. 24 图 3.6 3.3V 电源设计. 24 图 3.7 片内倍频选择 25 图 3.8 外围工作频率设置 25 图 3.9 AM29LV33C 与 DM642 的接口设计 26 图 3.10 DM642、LXT971 与 RJ45 网络变压器连接原理框图. 27 图 4.1 基于 NDK 和 DSP/BIOS 的通信软件架构 30 图 4.2 网络开发程序架构 31 图 4.3 套接字编程基本流程 33 图 4.4 CE00 和 CE01 是否缓存对网络速度的影响. 36 图 4.5 CSL 中 EMIFA 的 CE3 配置位置. 37 图 4.6 CSL 中 EMIFA 的 CE3 配置. 38 图 4.7 CSL 中 EDMA 的配置位置. 38 图 4.8 CSL 中 EDMA 的配置. 39 图 4.9 DSP 程序流程图 40 图 4.10 网络程序流程图 41 图 4.11 单网络传输 PC 机端程序流程图. 44 图 4.12 双网络传输系统流程
