基于ARM和FPGA的声纳波形产生系统设

一般地，DDS输出信号频率为一个参考时钟周期内的相位增量，由此可得：

由图2可知，相当与rad,相位累加器溢出一次所历经的采样脉冲（参考时钟）个数与DDS输出一个周期的信号所包含的采样脉冲个数是相等的，即：

将(1)式代入(2)，可得：

由(3)可知，在参考时钟一定的情况下，频率控制字 决定了DDS输出频率。 实际上改变的是信号的相位增长速率， 越大，相位累加的曲线越陡峭，溢出一次所需的时间越短，对应输出信号的周期也越小，输出信号的频率就越大；与此相反， 越小，相位累加的曲线越平坦，溢出一次所需的时间越长，对应输出信号的周期也越大，输出信号的频率就越小；当 按线性变化时，输出信号即为线性调频信号，改变 的变化规律，就可实现不同规律的调频，如双曲、指数、对数调频等。当 ＝1时，DDS输出最小频率：

(4)式也是所谓的频率分辨率。

3、系统硬件实现

　　系统硬件设计采用模块化结构，由通讯模块、控制模块、波形产生模块和电源模块四部分构成，如图3所示。

3.1 控制模块及通讯模块

　　ARM作为控制模块的核心，选用Philips公司的ARM7TDMI系列微处理器LPC2292。控制模块和通讯模块实现了本系统与外部主控设备（一般为PC机）的通信，通过RS232串口，并口EPP或USB通讯接口，接收主控设备发出的声纳波形信号的幅度、频率、相位、带宽等参数控制字，用以控制波形产生模块产生相应的声纳波形。

3.2 波形产生模块

　　DDS技术的实现依赖于高速、高性能的数字器件，一般有两种方案，一种是使用DDS专用芯片，另一种用可编程逻辑器件FPGA自行设计。DDS专用芯片控制方式固定，价格较高，而FPGA以其速度高、规模大、可编程，以及有强大EDA软件支持等特性，十分适合实现DDS技术。本系统用FPGA实现DDS技术。FPGA选用Altera公司的Cyclone II系列的EP2C20F484C8N。

4、系统软件开发

　　本系统的软件主要分为主控设备应用程序设计，FPGA波形设计部分和ARM控制部分。
　　
　　主控设备应用程序是在X86平台上，VC环境下开发的。主要功能是通过RS232串口，并口EPP或USB任何一种通讯接口，实现主控设备与ARM通信。ARM控制部分的程序实现对通讯接口的访问，并实现对FPGA的控制。

　　FGPA波形设计过程采用自顶向下模块化的结构，主要包括时钟模块、寄存器读写及控制模块、DDS模块，如图4所示。

相位累加器是决定DDS性能的一个关键部分，相位累加器设计的好坏将直接影响到整个系统的性能，因此要从FPGA内部结构出发，设计出既节约系统资源，又能大幅度提高系统速度和性能的累加器结构[3]。在设计相位累加器的加法器模块时不用库中提供的lmp_add_sub模块，而是采用流水线技术，使用Verilog HDL编程实现。流水线示意图见图5。

　　相幅转换采用ROM查找表法实现。主要考虑的问题是FPGA内部存储器容量的大小，而EP2C20内部有大量的ROM资源可利用，因此可直接调用lpm_rom模块来实现。