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1、天津大学 硕士学位论文 数字ADCP中央控制模块的改进研究 姓名：吕大伟 申请学位级别：硕士 专业：光学工程 指导教师：刘文耀 20070601 摘要 本谍题燕国家8 6 3 项舀海洋监测技术主题“小型多参数海洋环境益测浮标” 的予课题，本文主要经务是对数字水声多普勒流遮剖面敌( 数字A D C P ) 中央处 理模块粒改避设诗。 首先简要介绍A D C P 的终用、历史、理论基础以及原数字A D C P 系统中的 中央处理模块结构设计。原数字A D C P 信号处理系统具有低价格、低功耗以及 多功能等优点，但是豳予当时设计条件的限制，使得整个数字信号处理平台、尤 其怒其中的中央处理模块满足不
2、了未来发展的需爱。本文详细介绍在原系统的基 础上对中央处理模块的改进设计，以及对改进设计蘑系统的调试验证。最后，提 是孛夹处理模块硬件设计的薪方案，选嬲薪蕊冀对原摸块中筋芯片进行替换，对 薪逡用的芯片进稽可行性论证，并介缨了新硬件设计串D S P 与外围芯片翦接墨 设计。 本文主要工俸包括： l 。通过新C P L D 中的逻辑设计，实现了聪个空间的分时复用，使D S P 的数 据空阁扩震到理论上熬最大僮。 2 在凝C P L D 芯片的逻辑程序设计时，大量的运用硬件描述语言和参数他 模块痒，提囊了程序的设计效率和系统的运行效率。 3 提滋了中央处理模块硬件设计韵新方案。 关键谲； 求声多普勒
3、削面议，C P L D ，分随复用，V e r i l o gH D L ，参数讫模块瘁， D S p A B S T R A C T 髑l i sp r o j e c ti sas u b - p a r to ft h ep r o j e e l j 茂s m a l lm u l t i - p a r a m e t e rm a r i n e e n v i r o n m e n td e t e c t i o nb u o y ，i nm a j o rp r o j e c tM a r i n eM o n i t o r i n gT e c h n o l o g
4、 yu n d e r C h i n an a t i o n a l8 6 3p r o g r a m s 。儆t a s ko ft h et h e s i si sm a k i n gt h ei m p r o v e m e n t d e s i g no fc e n t r a lp r o c e s s i n gm o d u l e F i r s t ，t h ef u n c t i o n ，h i s t o r y , t h e o r i e sf o u n d a t i o na n dc e n t r a lp r o c e s s i
5、 n gm o d u l ea t f i r s ts y s t e ma r ei n t r o d u c e db yt h i st h e s i s 惩ef i r s td i g i t a lA D C Ps y s t e mh a st h e a d v a n t a g eo fc h e a pm a t e r i a l ，l o wc o n s u m i n ga n dm u l t i - f u n c t i o n B u tt h ew h o l ed i 瓣t a l A D C Ps y s t e m ，e s p e c i
6、 a lt h ec e n t r a lp r o c e s s i n gm o d u l ec a n n o tm e e tt h ef u t u r ed e m a n d I nt h i s t h e s i s ，t h ei m p r o v e m e n td e s i g no fc e n t r a lp r o c e s s i n g m o d u l ea n dt h e d e b u g g i n go fi m p r o v e m e n ts y s t e ma r ei n t r o d u c e dd e t a
7、 i l e d l y F i n a l i y ，an e w h a r d w a r e d e s i g ns c h e m eo ft h ec e n t r a lp r o c e s s i n gm o d u l ei sp u tf o r w a r d M e a n w h i l e ，I i n t r o d u c et h ei n t e r f a c ed e s i g nb e t w e e nD S P ( D i g i t a lS i g n a lP r o c e s s i n g ) a n de x t e r i
8、 o r c h i p s T h i sd i s s e r t a t i o na c h i e v e st h ef o l l o w i n gp o i n t s ： 1 ht h i st h e s i s Ii n t r o d u c eam e t h o dt oe x t e n dd a t as p a c eo fD S P , t h a ti st h e t i m e - s h a r i n gm u l t i p l e x i n go ft w Om e m o r i e sw i t ht h ei n g e n i o
9、u sn s eo ft h e p r o b ei nC P L D ( C o m p l e xP r o g r a m m a b l eL o g i cD e v i c e ) 2 n ev a r i o u sa p p l i c a t i o no f V e r i l o gH D La n dL m 讧( L i b r a r yo f P a r a m e t e r i z e d M o d u l e s ) h a si m p r o v e dt h ee f f i c i e n c yo ft h ep r o g r a md e s
10、 i g na sw e l la st h e r u nr a t eo ft h es y s t e m ，w h e nw eu s et h el o g i cd e s i g no ft h en e wC P L Dc h i p 3 An e wh a r d w a r ed e s i g ns c h e m eo ft h ec e n t r a lp r o c e s s i n gm o d u l ei sp u t f o r w a r d K E YW O R D S ：A c o u s t i cD o p p l e rC u r r e n
11、 tP r o f i l e r ( A D C P ) ，C P L D ，t i m e - s h a r i n g m u l t i p l e x i n g ，V e f l o gH D L ，L P M ，D S P 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盗盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作一：、善叫妒一期：沙7 年j
12、肭冒 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫盗盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 傈密的学位论文在解密后适用本授权说明 导师签名： 签字旦期：矽D 7 年厂月罗驴曰 妒峭斯舶 p 哆 厂p 弦， 膨 睇鍪刁 作 ： 文 期 浍 爵 位 字 挚 签 第一牵绩论 第一章绪论 A D C P ( 声学多酱勒剖面仪 是一种新型铡流仪器。它根据多酱勒原理，应 用矢量合成法，遥测流速的垂矗削面分布，可以冀实反映
13、流场，并篮一次可以测 量一个剖面上蓑干层水流速度的三维分量耱绝对方蠢。本章就A D e P 的历史、 发展、测量原理以及原设计中系统的整体结构进行了介绍，并于最后总结了论文 的王作和刨薮点。 1 1A D C P 的作用漫其发展动态 1 1 。1A D C P 的作用 测流剖面仪是馨巾声纳系统，它被用来遥测较大范围内的水流速度。既可以 用于河流、潮渍、海湾等环境下，也萄以爝予海洋等海拳环境下流速的影穗研究。 准确的流速测量对于许多不同领域，如天气预报、生物营葬研究、对污水排放的 环境污染调查及对环撬资源的商业探察等方蔼都有非常重要的意义。丽我国犬陆 海岸线长达1 8 0 0 0 多公里，有大小
14、岛屿6 9 6 0 多个，海岛总藩积6 7 0 0 平方公挺， 能源短缺严重地制约辫海岛经济的发展和人民生活水平斡提高【捉，海流能是海岛 供电的一种选择。另外，海流发电也是海洋蕊溯仪器、灯塔等设施静理想能源闭， 它可以在无需人为干预的情况下提供持续能源。海流及在海面发生的海气交换是 影响全球气候变忧和形成水旱风浪潮等蠡然灾害鹣最重要的因素磁，所以登须不 断监测海流的变化，研究它在时间上的变化和空间上的分布，以便随时掌握翻然 界的变化规律。远洋舰队和核潜艇的发展，也追切需要远洋深水的海流资料 4 1 。 获取准确、实时的海流资料，不断充实海流数据库，以适应2 l 擞纪嚣签发 展蠡冬海洋权益、海洋
15、管理的需簧【5 】，对加速垦民经济约增长和黧防建设具有羹要 静意义。 1 1 ，2A D C P 的发展动态 早期的海流计为“全机械式，以印刷式海流计为代表网，这种海流计从速 度探头到数据记录完全由机械运动完成，躁前已经被淘汰。转予式海流计的速度 探头类似于水轮发电枫，它依靠水髂懿运动带动机擞转予运动，把动能转化成电 能输出。焉艇期数据处理、存储鄹通讯依靠电子电路完成，尤其是近年智能微处 理器等大规模集成毫路熬应用，辊摭式海流计的健熊有了很大翁改瓣。利用慝舵 和罗盘配合，W 以完成流淘的测量7 霹。 第一章绪论 机械式测流装置具有机械运动部分，这给使用维护造成不便，容易受到机械 损伤或异物缠绕
16、，舅外，由于机械运动的存在，机械镞性严重影响测量系统的响 应时间。 由于上述原因，人们便寻求一种新的方法去替代机械式测流装置。电磁式海 流计就是其中的一种。它的理论基础是法拉第效应，海水中含有大量的带电离子， 当水团通过磁场时，产生感应电动势，而这个电动势的大小与海水的流动速度成 正比，这是电磁式海流计的基本原理。例如，美国I n t e r o c e a n 公词的S 4 型电磁流 量计【l o l 。根据磁场的不同可以分为地磁磁场海流计和自励磁海流计。目前在化 工等行业中使用较多的电磁流量计也是根据这一原理设计的f l 。 另种方法灵| 是利用多酱勒方法进行测量。由于光波在深海里面几乎难以传 播，而声波在水底传播的性能十分稳定，所以，声波作为A D C P 进行测量的载 体是一个必然。 6 0 年代初期，美国首先开始了应用声学多酱勒原理测流技术的研究工作。在 整个6 0 年代，K o c z y ，K r o n e n g o l d 和L o w e n s t e i n
