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1、Y 14 3 7 0 7 8分类号：UDC：工学硕士学位论文密级：编号：基于L i n u x 的无线电通信节点设计硕士研究生：余立指导教师：王燕副教授学位级别：工学硕士学科、专业：信号与信息处理所在单位：水声工程学院论文提交日期：2 0 0 9 年2 月论文答辩日期：2 0 0 9 年3 月学位授予单位：哈尔滨工程大学哈尔滨T 程大学硕+学位论文摘要本论文是基于L i n u x 的无线电通信节点设计，该设计在硬件上采用了A R M+F P G A 的结构，既可以与无线电台相连，为通信节点提供稳定可靠的无线电通信服务，又具备强大的接口能力，使该节点可以与水声信号处理单元、G P S 接收机、
2、方位姿态仪、深度传感器、U S B 数据读取设备等进行数据传输。论文的主要工作包括如下4 个方面：1 在F r i e n d l y A R MN a n o2 4 1 0 开发板上实现L i n u x 操作系统的移植和部分接口应用程序的开发。所开发的外设接口包括R S 2 3 2 串口、U S B 主机接口、1 2 S、以太网口等。2 通信节点硬件平台的设计。硬件平台采用低功耗设计，以A R M 为核心控制器，通过直接序列扩频电台与显控平台通信，通过外接一片F P G A 与声学板上的D S P 通信，还负责G P S 导航数据的接收。3 底层硬件接口的逻辑转换和系统同步信号及接口的设计
3、。在F P G A 中采用了模块化设计，各模块间相对独立，有利于提高通信节点的工作稳定性。4 在浮标通信板上实现操作系统的移植，以及应用程序的开发调试。关键词：嵌入式技术；无线电通信节点；L i n u x 操作系统；A R M；F P G AA BS T R A C TI nt h ed i s s e r t a t i o n，aw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nn o d ei sd e s i g n e db a s e do nL i n u xo p e r a t i o ns y s t e mu s i n gt h eh a
4、 r d w a r es t r u c t u r eo fA R Mc o m b i n e dw i t hF P G A T h en o d en o to n l yc a nl i n kw i t hw i r e l e s sb r o a d c a s t i n gs t a t i o nt op r o v i d es t a b l ea n dr e l i a b l ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns e r v i c e，b u ta l s oh a st h ep o w e r f u la
5、 b i l i t yt oo f f e ri n t e r f a c e s T h ei n t e r f a c e sm a k ei tp o s s i b l et oc o m m u n i c a t ew i t ha c o u s t i cs i g n a lp r o c e s s i n gu n i t，G P Sr e c e i v e r,d i g i t a lc o m p a s sm o d u l e，d e p t hs e n s o ra n dU S Bd a t ar e a d i n ga n dw r i t i
6、 n gd e v i c e T h ed i s s e r t a t i o ni n c l u d e s f o u rp a r t s：1 T r a n s p l a n tL i n u xo p e r a t i o ns y s t e mt oF r i e n d l yA R MN a n o 一2 4 1 0b o a r d D e v e l o pp a r to fi n t e r f a c ea p p l i c a t i o ni n c l u d i n gR S 2 3 2s e r i e sc o n n e c t i o
7、ni n t e r f a c e，U S Bh o s tc o m p u t e ri n t e r f a c e，I n t e rI CS o u n dB u sa n dE t h e r n e ti n t e r f a c ee t c 2 D e s i g nac o m m u n i c a t i o nn o d e T h eh a r d w a r ei sd e s i g n e di nt h ea d v a n t a g eo fl o wp o w e rc o n s u m p t i o n，t a k i n gaA R Mc
8、 h i pa st h em a i nc o n t r o l l e r I tc o m m u n i c a t e sw i t ht h ec o n t r o lc e n t e rt h r o u g ht h e d i r e c ts e r i a ls p r e a ds t a t i o n，c o m m u n i c a t e sw i t ht h es i g n a lp r o c e s s i n gD S Pt h r o u g haF P G Ac h i p I ta l s oa n s w e r sf o rr e
9、c e i v i n gn a v i g a t i o nd a t af r o mG P S。3 A c c o m p l i s ht h el o g i cc o n v e r s i o no ft h eh a r d w a r ei n t e r f a c e，d e s i g nt h es y s t e ms y n c h r o n o u si m p u l s ea n di n t e r f a c e T h eF P G Ap r o g r a mi sm o d u l a r i z e dw i t ht h em o d u
10、l e si n d e p e n d e n tw i t he a c ho t h e r,w h i c hi n c r e a s et h es t a b i l i t yo ft h ec o m m u n i c a t i o nn o d e 4 T r a n s p l a n tt h eo p e r a t i o ns y s t e mt ob u o yc o m m u n i c a t i o nb o a r d，d e v e l o pa n dd e b u gt h ea p p l i c a t i o n K e yw o r
11、 d s：e m b e d d e dt e c h n i q u e；w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nn o d e；L i n u xo p e r a t i o ns y s t e m；A R M；F P G A哈尔滨工程大学学位论文原创性声明本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用己在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识
12、到本声明的法律结果由本人承担。作者(签字)：翁豆日期：加7 7 年弓月I7 日哈尔滨工程大学学位论文授权使用声明本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。本论文(日在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口
13、解密后)由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。人j 和作者(签字)：斧互导师(签字)：之凌曰期：2 肋7 年弓月1 1 日0 吲年事月哈尔滨T 程大学硕十学位论文第1 章绪论1 1 论文研究背景在新的世纪里，当陆地上的资源已被人类榨取殆尽的时候，有识之士已经将目光转向了广阔的海洋“次大陆”，“2 1 世纪是海洋的世纪”已经被越来越多的人达成共识。随着人类对海洋资源的开发和国际关系的演变，各国之间对海洋利益的争夺也会愈加激烈，海洋也必将成为即将争夺的焦点!我国的海洋资源极为丰富，拥有长达3 2 万公里长的海岸线和3 0 0 多万平方公里的海洋国土，所以更加应该重视海洋的开发和利用。为了维
14、护海洋国土完整和海洋权益不受侵犯，必须加强对海军军事建设的投入。水中兵器的发展对水下靶场建设提出了更高的要求。水下靶场必须研制和装备高性能的，能够对水下运动目标进行高精度跟踪定位的测控设备。本论文来源于基于矢量浮标阵的长基线被动定位系统的研制任务。该系统的完成对国内实现水下运动目标的被动跟踪和加强水下靶场建设具有重要的现实意义。本论文的研究内容是无线电通信节点的软硬件设计，既可以为水声被动定位系统提供无线电通信服务，同时又具备与水声信号处理单元、G P S 接收机、方位姿态仪、深度传感器、U S B 数据读取设备等的接口能力。1 2 相关技术发展概况1 2 1 无线通信技术简介按消息由一地向另
15、一地传递时传输媒质的不同，通信可分为两大类：一类称为有线通信，另一类称为无线通信n 1。所谓有线通信，是指传输媒质为架空明线、电缆、光缆、波导等形式的通信，其特点是媒质能看得见，摸得着。所谓无线通信，是指传输消息的媒质为看不见、摸不着的媒质(如电磁波)的一种通信形式。通常，有线通信可进一步再分类，如明线通信、电缆通信、光缆通信等。无线通信常见的形式有微波通信、短波通信、移动通信、卫星通信、散射通信和激光通信等，其形式较多。哈尔滨T 程大学硕士学位论文微波通信(M i c r o w a v eC o m m u n i c a t i o n)，是使用波长在0 1 毫米至1 米之间的电磁波微波
16、进行的通信。微波通信不需要固体介质，当两点间直线距离内无障碍时就可以使用微波传送。利用微波进行通信具有容量大、质量好并可传至很远的距离，因此是国家通信网的一种重要通信手段，也普遍适用于各种专用通信网。短波通信是无线电通信的一种。波长在1 0 米-5 0 米之间，频率范围6 M H z,-3 0 M H z。发射电波要经电离层的反射才能到达接收设备，通信距离较远，是远程通信的主要手段。由于电离层的高度和密度容易受昼夜、季节、气候等因素的影响，所以短波通信的稳定性较差，噪声较大。目前，它广泛应用于电报、电话、低速传真通信和广播等方面。移动通信技术是一种个人化的通信，它使无线通信成为了一种面向大众的
17、普遍通信方式。7 0 年代后期，由美国贝尔试验室建成的蜂窝状移动通信网成功解决了公用移动通信系统要求容量大与频率资源有限的矛盾。8 0 年代到9 0 年代中期，第二代数字移动通信兴起并且大规模的发展，出现了D A M P S、T A C S、E T A C S 等各类系统，频段扩至9 0 0 M H z 到1 8 0 0 M H z，各类移动通信手段适应用户与市场需求同时兴起。9 0 年代中期到现在，随着数据通信与多媒体的业务需求的发展，适应移动数据、移动计算器及移动多媒体的第三代移动通信开始兴起C D M A 2 0 0 0、W C D M A、L A S C D M A 等相应的标准。如今
18、，正经历着由第2 代移动通信技术(G S M)向第3 代移动通信技术C D M A(C o d eD i v i s i o nM u l t i p l eA c c e s s)的过渡，有力带动和催生了许多新科学、新技术。卫星通信简单地说就是地球上(包括地面和低层大气中)的无线电通信站间利用卫星作为中继而进行的通信。卫星通信系统由卫星和地球站两部分组成。卫星通信的特点是吲：1 通信范围大：只要在卫星发射的电波所覆盖的范围内，任何两点之间都可进行通信。2 可靠性高：不易受陆地灾害的影响。3 开通电路迅速：只要设置地球站，电路即可开通。4 多址特点：同时可在多处接收，能经济地实现广播、多址通信
19、。5 电路设置非常灵活，可随时分散过于集中的话务量。2哈尔滨j=程大学硕士学位论文6 多址联接：同一信道可用于不同方向或不同区间。卫星在空中起中继站的作用，即把地球站发上来的电磁波放大后再反送回另一地球站。地球站则是卫星系统形成的链路。由于静止卫星在赤道上空3 6 0 0 千米，它绕地球一周时间恰好与地球自转一周(2 3 小时5 6 分4 秒)一致，从地面看上去如同静止不动一样。三颗相距1 2 0 度的卫星就能覆盖整个赤道圆周。故卫星通信易于实现越洋和洲际通信。最适合卫星通信的频率是I I O G H z 频段，即微波频段。为了满足越来越多的需求，已开始研究应用新的频段，如1 2 G H z、
20、1 4 G H z、2 0 G H z 及3 0 G H z。根据网络分布的地域范围的不同，无线网络系统可以分为局域网(L 蝌)、城域网(M A N)和广域网(删)。本论文仅涉及到无线局域网。目前厂商在设计无线局域网络产品时，有相当多种存取设计方式，大致可分为三大类：窄频微波(N a r r o w b a n dM i c r o w a v e)技术、扩频(S p r e a dS p e c t r u m)技术、及红外线(I n f r a r e d)技术。扩频技术的无线局域网络产品是依据F C C(F e d e r a lC o m m u n i c a t i o n sC
21、o m m i t t e e，美国联邦通讯委员会)规定的I S M(I n d u s t r i a l，S c i e n t i f i ca n dM e d i c a l)，频率范围开放在9 0 2 M 一9 2 8 M H z 及2 4 G 一2 4 8 4 G H z 两个频段，所以并没有所谓使用授权的限制。扩频技术主要又分为跳频技术及直接序列两种方式。而此两种技术是在第二次世界大战中军队所使用的技术，其目的是希望在恶劣的战争环境中，依然能保持通信信号的稳定性及保密性。近年来，扩频技术逐渐应用于蜂窝电话、无线数据通信、无线图像监控、个人通信、无线局域网等民用通信领域，占据着极
22、其重要的地位。本论文中使用的无线通信技术是直接序列扩频(D S S S)。1 2 2 嵌入式技术随着信息化、智能化、网络化的发展，嵌入式技术将全面展开，现在嵌入式已经成为通信和消费类产品的共同发展方向。总体来说，嵌入式系统分别在硬件和软件(主要是嵌入式操作系统)方面获得发展。嵌入式系统必将成为当今r r 界的又一焦点，开发自主知识产权的嵌入式处理器和嵌入式操作系统，对于我国的民族I T 产业来讲具有十分重要的战略意义。从国内I T 市场来看，嵌入式系统及其产品在由家电产品和I n t e r n e t 衍3哈尔滨_ T 程大学硕十学位论文生出来的新型市场中占有主导地位和独特份额。由于L i
23、n u x 是开放源代码的，操作系统的一切对用户来说都是透明的；另一方面其模块化的设计，为用户提供了极大限度的可缩放功能。高端嵌入式系统要求许多高级功能，如图形用户界面和网络支持。很多高端R T O S 供应商已经提供了这些功能，但其价格也是高端的，一般人难以接受。现在人们需要的是一个便宜、成熟并且提供高端嵌入式系统所必需特性的操作系统，嵌入式L i n u x 操作系统以价格低廉、功能强大又易于移植正在被广泛采用，成为新兴的力量，所以众多厂家纷纷转向了嵌入式L i n u x。以L i n u x 为代表的自由软件开始占领比较大的市场，据统计，L i n u x 占北美P C 服务器2 5
24、左右的市场份额，打破了微软W i n d o w s 一统天下的局面，国内也迅速跟进，开发了红旗L i n u x 等。嵌入式操作系统及其开发平台的市场被普及计算(P e r v a s N eC o m p u t i n g)概念所驱动，发展更为迅速，著名的产品有美国加州的集成系统公司(I n t e g r a t e dS y s t e m sI n c)推出的p s o s y s t e m，占领了极大的市场份额。国内“九五”期间，由中科院推促并产业化的H o p c n嵌入式系统，被列为国家科技攻关项目。基于L i n u x 技术的嵌入式操作系统也已经推出。根据美国V D C
25、(V e n t u r eD e v e l o p m e n tC o)2 0 0 7 年统计数据显示，嵌入式L i n u x 的市场规模从2 0 0 1 年的5 5 2 0 万美元，到2 0 0 6 年增长到了3 4 6亿美元，在未来两年将占嵌入式操作系统市场份额的5 0。1 2 3A R M 微处理器A R M(A d v a n c e dR I S CM a c h i n e s)，既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字p 1。采用R I S C架构的A R M 微处理器一般具有如下特点：1 体积小、低功耗、低成本、高性能。2
26、 支持T h u m b(1 6 位)厶堰M(3 2 位)双指令集，能很好的兼容8 位1 6位器件。3 大量使用寄存器，指令执行速度更快。4 大多数数据操作都在寄存器中完成。5 寻址方式灵活简单，执行效率高。6 指令长度固定。4哈尔滨工程大学硕十学位论文到目前为止，A R M 微处理器及技术的应用几乎已经深入到各个领域H。1 工业控制领域：作为3 2 的R I S C 架构，基于A R M 核的微控制器芯片不但占据了高端微控制器市场的大部分市场份额，同时也逐渐向低端微控制器应用领域扩展，A R M 微控制器的低功耗、高性价比，向传统的8 位1 6 位微控制器提出了挑战。2 无线通讯领域：目前已
27、有超过8 5 的无线通讯设备采用了A R M 技术，A R M 以其高性能和低成本，在该领域的地位日益巩固。3 网络应用：随着宽带技术的推广，采用A R M 技术的A D S L 芯片正逐步获得竞争优势。此外，A R M 在语音及视频处理上行了优化，并获得广泛支持，也对D S P 的应用领域提出了挑战。4 消费类电子产品：A R M 技术在目前流行的数字音频播放器、数字机顶盒和游戏机中得到广泛采用。5 成像和安全产品：现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用A R M 技术。手机中的3 2 位S I M 智能卡也采用了A R M 技术。除此以外，A R M 微处理器及技术还应用到许多不同的领域
28、，并会在将来取得更加广泛的应用。A R M 微处理器目前包括下面几个系列，以及其它厂商基于A R M 体系结构的处理器。除了具有A R M 体系结构的共同特点以外，每一个系列的A R M微处理器都有各自的特点和应用领域睁1。A R M 7 系列A R M 9 系列A R M 9 E 系列A R M l 0 E 系列S e c u r C o r e 系列I n t e r 的X s c a l eI n t e r 的S t r o n g A R M其中，A R M 7、A R M 9、A R M 9 E 和A R M l 0 为4 个通用处理器系列，每一个系列提供一套相对独特的性能来满足不
29、同应用领域的需求。S e c u r C o r e系列专门为安全要求较高的应用而设计。5哈尔滨工程大学硕士学位论文1 2 4 可编程逻辑技术当今社会是数字化的社会，是数字集成电路广泛应用的社会。数字集成电路本身在不断地进行更新换代。它由早期的电子管、晶体管、小中规模集成电路、发展到超大规模集成电路(V L S I，几万门以上)以及许多具有特定功能的专用集成电路。但是，随着微电子技术的发展，设计与制造集成电路的任务已不完全由半导体厂商来独立承担。系统设计师们更愿意自己设计专用集成电路(A S I C)芯片，而且希望A S I C 的设计周期尽可能短，最好是在实验室里就能设计出合适的A S I
30、C 芯片，并且立即投入实际应用之中，因而出现了现场可编程逻辑器件(F P L D)，其中应用最广泛的当属现场可编程门阵列(F P G A)和复杂可编程逻辑器件(C P L D)1 6 1。早期的可编程逻辑器件只有可编程只读存贮器(P R O M)、紫外线可擦除只读存贮器(E P R O M)和电可擦除只读存贮器(E E P R O M)三种。由于结构的限制，这几种器件只能完成简单的数字逻辑功能。其后，出现了一类结构上稍复杂的可编程芯片，即可编程逻辑器件(P L D)，它能够完成各种数字逻辑功能。典型的P L D 由一个“与 门和一个“或 门阵列组成，而任意一个组合逻辑都可以用“与或 表达式来描
31、述，所以，P L D 能以乘积和的形式完成大量的组合逻辑功能。这一阶段的产品主要有P A L(可编程阵列逻辑)和Q 址(通用阵列逻辑)。P A L 由一个可编程的“与平面和一个固定的“或 平面构成，“或 门的输出可以通过触发器有选择地被置为寄存状态。P A L 器件是现场可编程的，它的实现工艺有反熔丝技术、E P R O M 技术和E E P R O M 技术。还有一类结构更为灵活的逻辑器件是可编程逻辑阵列(P L A)，它也由一个“与 平面和一个“或 平面构成，但是这两个平面的连接关系是可编程的。P L A 器件既有现场可编程的，也有掩膜可编程的。在B 也的基础上，又发展了一种通用阵列逻辑G
32、 A U G e n e d cA r r a yL o g i C)，如G A L l 6 V 8、G A L 2 2 V 1 0 等。它采用了E E P R O M 工艺，实现了电可按除、电可改写，其输出结构是可编程的逻辑宏单元，因而它的设计具有很强的灵活性，至今仍有许多人使用。这些早期的P L D 器件的一个共同特点是可以实现速度特性较好的逻辑功能，但其过于简单的结构也使它们只能实现规模较小的电路。6哈尔滨工程大学硕士学位论文为了弥补这一缺陷，2 0 世纪8 0 年代中期，A l t e r a 和X i l i n x 分别推出了类似于P A J L 结构的扩展型C P L D(C o
33、 m p l e xP r o g r a m m a b l eL o g i cD v i c e)和与标准门阵列类似的F P G A(F i e l dP r o g r a m m a b l eG a t eA r r a y)，它们都具有体系结构和逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围宽等特点。这两种器件兼容了P L D 和通用门阵列的优点，可实现较大规模的电路，编程也很灵活。与门阵列等其它A S I C(A p p l i c a t i o nS p e c i f i ci c)相比，它们又具有设计开发周期短、设计制造成本低、开发工具先进、标准产品无需测试、质量稳定以及可实时在线
34、检验等优点，因此被广泛应用于产品的原型设计和产品生产(一般在1 0，0 0 0 件以下)之中。几乎所有应用门阵列、P L D 和中小规模通用数字集成电路的场合均可应用F P G A 和C P L D 器件。F P G C P L D 芯片都是特殊的A S I C 芯片，它们除了具有A S I C 的特点之外，还具有以下几个优点：1 随着V L S I(V e r yL a r g eS c a l eI C，超大规模集成电路)-r 艺的不断提高，单一芯片内部可以容纳上百万个晶体管，F P G C P L D 芯片的规模也越来越大，其单片逻辑门数已达到上百万门。它们所能实现的功能也越来越强，同时
35、也可以实现系统集成。2 F P G A，C P L D 芯片在出厂之前都做过百分之百的测试，不需要设计人员承担风险和费用，设计人员只需在自己的实验室里就可以通过相关的软硬件环境来完成芯片的最终功能设计。所以，F P G C P L D 的资金投入小，节省了许多潜在的花费。3 用户可以反复地编程、擦除、使用或者在外围电路不动的情况下用不同软件就可实现不同的功能。所以，用F P G A，C P L D 试制样片，能以最快的速度占领市场。F P G A C P L D 软件包中有各种输入工具和仿真工具，及版图设计工具和编程器等全线产品，电路设计人员在很短的时间内就可完成电路的输入、编译、优化、仿真，
36、直至最后芯片的制作。当电路有少量改动时，更能显示出F P 蝴P L D 的优势。电路设计人员使用F P G C P L D 进行电路设计时，不需要具备专门的I C(集成电路)深层次的知识。F P G A C P L D 软件易学易用，可以使设计人员更能集中精力进行电路设计，快速将产品推向市场。7哈尔滨T 稃人学硕十学何论文1 3 论文工作安排本论文工作内容包括硬件电路的设计和调试工作，以及基于此硬件平台的相关V H D L 程序和基于A R M 的嵌入式l i n u x 应用程序的编写和调试工作。本论文的组织结构如下：第一章：引言首先简单介绍了论文的研究背景，然后对相关技术的发展情况做了大致
37、描述。包括无线电通信技术，嵌入式技术以及A R M 微处理器等。最后说明了论文来源和论文的基本组织结构安排。第二章：无线电通信节点硬件设计介绍了无线电通信节点硬件的总体设计和硬件接口设计，包括芯片选型及性能特点等，最后给出了硬件设计的部分原理图并做了大致说明。第三章：基于开发板的软件调试本章介绍了N a n 0 2 4 1 02 0S D K 4 0 开发板的一些硬件资源，常见的嵌入式操作系统，嵌入式L i n u x 的开发流程以及开发环境的建立，最后重点讲解了基于开发板的接口编程。第四章：无线电通信节点软件设计对无线电通信节点的主控A R M 软件程序和F P G A 接口及功能模块程序设
38、计作了详细说明。包括无线电通信协议中的主要命令类型描述，还有F P G A程序的各个功能模块设计及相关实现方法和仿真结果。8哈尔滨1：程大学硕士学位论文第2 章无线电通信节点硬件设计2 1 设计思想本论文的硬件部分简称为通信板，通信板设计框图如图2 1 所示。接U S B 读取设备同步串n(3 个)接水声信号处理单元霎薏板等S D R A MfF L A S H(3 2 M)l(6 4 M)U S BA R MH o s t$3 C 2 41 0 AU。2 A 个R T，”岳厨榉F P G A1 0 K 3 0 E秒脉冲一U A R T(2 个)IG P S 模块图2 1 浮标通信板硬件结构框
39、图通信板由一片A R M$3 C 2 4 1 0 A 作为中心控制单元。F P G A 选用A l t e r a 公司的E P F l 0 K 3 0 E，是通信板的数据交换中心，下面简单介绍一下通信板的硬件接口能力。首先，$3 C 2 4 1 0 A 的总线与C S 8 9 0 0 A 相连，拓展了一个1 0 M 的以太网接口与无线电台通信。这样就保证了该节点的无线电通信能力。第二，$3 C 2 4 1 0 A 共有三个U A R T 接口，一个通过M A X 3 2 2 1 转为R S 2 3 2标准串口后与辅舱相连，用于传输深度传感器和方位姿态仪数据；另外两个U A R T 接入F P
40、 G A，在F P G A 中程控与G P S 相连，用于读取G P S 数据。第三，$3 C 2 4 1 0 A 的U S B 主机接口与外界的U S B 读取设备连接，并由外界读取相应数据。第四，$3 C 2 4 1 0 A 的总线和1 2 S 接口与F P G A 相连，进行数据交换。F P G A通过3 个同步串1 3 与水声信号处理单元相连，使得通信板具备了与水声信号9哈尔滨T 程大学硕十学位论文处理单元的通信能力。另外，水声信号处理单元的同步中断也由F P G A 给出。F P G A 还通过多个I O 口与电源板相连，作为电源控制和检测以及漏水警报。通信板上板载N o v A t
41、 e l 公司的G P S 模块S U P E R S T A RI I，F P G A 通过两个U A R T 与其连接，G P S 的秒脉冲信号也直接输入到F P G A。2 2 主控制器(A R M)本论文选用三星公司的S 3 C 2 4 1 0 A 作为主控制单元，它是A R M 9 2 0 T 系列C P U，采用0 1 8 u m2 1 2 艺的C M O S 设计，主频最高可达2 6 6 M H z，特别适用于低功耗场合忉。主要负责通信板的控制和数据的传输。其结构框图如图2 2 所剥卅。A R M 9 2 0 T 核由A R M 9 T D M I、存储管理单元(M M U)和高
42、速缓存三部分组成。其中，M M U 可以管理虚拟内存，高速缓存由独立的1 6 K B 地址和1 6 K B 数据高速C a c h e 组成。A R M 9 2 0 T 有两个内部协处理器：C P l 4 和C P l 5。C P l 4 用于调试控制，C P l 5 用于存储系统控制以及测试控制p 1。S 3 C 2 4 1 0 的资源包括唧：外部存储器控制器(S D 洲控制和芯片选择逻辑)L C D 控制器，一个L C D 专业D M A4 个带外部请求线的D M A3 个通用异步串行端口，2 通道S P I一个多主1 2 C 总线一个1 2 S 总线控制器S D 卡接口和M M C 卡接
43、口两个U S BH O S T，一个U S BD E V I C E(V E R1 1)看门狗定时器1 1 7 个通用I 05 6 个中断源，2 4 个外部中断4 个P W M 定时器和一个内部时钟8 通道1 0 位A D C 和触摸屏接口带日历功能的实时时钟，芯片内置P L L1 0哈尔滨工程大学硕士学位论文图2 2$3 C 2 4 1 0 结构框图本论文中没有单独选用A R M、F L A S H 和S D R A M，而是选用了一块把这三个芯片已经硬件连接在一起了的核心板N a n 0 2 4 1 0，这样做的好处是可以提高设计的可靠性，缩短开发周期。N a n 0 2 4 1 0 内置
44、3 2 M 的D D RS D R A M 和6 4 M 的F L A S H，用于数据缓存和程序的存储，如图2 3 所示。，一一L 蚤O 翼L 0 0 曩lL O D R，L O O R 4L D O R 5L D D R：l：I：6：91 0 l：j l；l。再二：i tL O Q R；L O O R I IL D D R$L D D R I L A O O R l L O D R 2 O O R ，6I：L n W I l i E OI t 蛸垤E fL m C；K L 8 L K 口j。档二：l 妇曼纂哗A：A|A 4A A 蓐A 鹂舯 l 锫A 1 1A l：蝴H A lL r 增M
45、P l U Ms j 婚灌瓤1 K；，渤Y 错l啪：l 黧口V K S Q l博翰0：Y S S Q i叼l OD O I I移O l：D O l lp Q l lt Q I，融K 嗨酶K A 尊醛r，、S_ 铸譬刃霸一、I 蛙n、-D 呈：、1)f O 静、静f 地l、1 m O：、姗JL O T L D T 2L p T A 辛Sl OI lI j4：L O T L O T 尊L 口 T A L 口 T 7L O T t O f 孽，l 4 9j 廿j IlL 口 T A 毒L 口 T 1L D 睡T 2L O A T A I IL D A T 4Y lL D A T 1 9l 鬟I L
46、柏C L n S R L n S C A 掌L 懈，7，。：I 嚣，N l#!O c l 阳l l j 孙璩)嚏，V图2 3N a n 0 2 4 1 0 存储系统原理图N a I l 0 2 4 1 0 有1 个1 2 S 串口，用于与F P G A，接收处理结果。j N a n 0 2 4 1 0 的数据总线与F P G A 相连，用于数据交换。本论文中还用到了N a n 0 2 4 1 0 的三个U A R T 接E lU S B 接口，将在后面详述。2 3 可编程逻辑器件(F P G A)F P G A 是现场可编程门阵列英文F i e l dP r o g r a m m a b l
47、 eG a t eA r r a y 的缩写，是在G A L(G e n e r a lA r r a yL o g i c)、P L A(P r o g r a m m a b l eL o g i cA r r a y)、E P L D 等可编程逻辑器件基础上进一步发展的产物。它是作为A S I C 领域中的一种半定制电路而出现的，它的出现既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路的缺点1 0 1。F P G A 是通信板的数据中心部分，它负责以下工作：1 与信号处理板的D S P 接口，传输原始数据和信号处理结果。2 与A R M 接口，传输命令和数据。1 2蝌刚雠她鲫州晰蚶辩
48、瞅錾垒垄；!；垒奎茎至圭茎篁兰圣本论文选用的F P G A 芯片是A l t e r a 公司F L E X I O K E 系列器件中的E P F l 0 K 3 0 E 芯片。其结构框图如图2 4 所示”。图2 4 F P G A 的基本结构由图可见，F L E X l 0 K 器件主要包括嵌入式阵列(E m b e d d e d A r r a y B l o c k)、逻辑阵列(L o g i cA r r a y)、快速通道互连(F a s tT r a c kI n t e r c o n n e c t i o n)和I O单元(I 0 E l e m e n t)四部分。下面
49、分别介绍一下这四个部分。1 嵌入式阵列嵌八式阵列由一系列嵌入式阵列块E A B 构成，当用它来实现有关存储功能时，每个E A B 提供4 0 9 6 位用来构造R A M、R O M、F I F O 或双口R A M 等功能。当用来实现乘法器、微处理器、状态机以及数字信号处理等复杂逻辑时，每个E A B 可以贡献1 0 0 6 0 0 个门。E A B 可以单独使用，也可以组合起来使用。2 逻辑阵列逻辑阵列由一系列逻辑阵列块L A B(L o g i cA r r a yB l o c k l 构成。每个L A B包含8 个逻辑单元L E(L o g i cE l e m e n t)和局部互
50、连，每个逻辑单元含有一个四哈尔滨-1：程大学硕七学位论文输入查找表L U T(L o o k U pT a b l e)、一个可编程触发器、进位链和级联链。逻辑阵列块为F P G A 提供了“粗颗粒 结构，逻辑单元为F P G A 提供了“细颗粒 结构，因此容易实现高效布线。同时逻辑阵列块之间还可以灵活地互连，因此F P G A 可以高效地实现复杂的逻辑功能。3 快速通道互连快速通道互连为器件内部信号的互连和器件引脚之间信号的互连提供连线。这种快速通道互连是一系列贯通器件长、宽的快速连续通道，它使得布线结构减少了逻辑资源间的延时，提高了器件的整体性能。4 I O 单元(I OE l e m e