基于FPGA的水声信号采样存储系统设计

摘要：为了提高水声传感器网络通信系统试验和算法研究的效率，水声传感器网络节点需要具有水声通信的原始波形数据的记录功能。本文设计了一种水声信号采样存储系统，实现了数据变速率AD采集、数据环形存储、数据连续读取、数据飞读等功能。该系统具有结构清晰，集成度高，工作可靠等优点，可以有效提高水声传感器网络试验的效率。

1 引言

近几十年来，随着世界各国对海洋开发和利用步伐的加快，对海洋信息进行连续实时监 测的意义越来越重要。水声无线传感器网络(Underwater AcouSTic sensor network,简称 UW-ASN)是海洋环境立体监测系统中的研究热点，它由大量具有计算和通信能力的传感器 节点组成，各节点被分布在指定的海域，执行连续的协同监测任务。鉴于水声信道的带宽有 限、海洋噪声复杂、具有多途效应和多普勒效应[1]，这些特殊性给UW-ASN 中的水声通信、 协议设计等方面带来了很大的挑战，增加了传感器网络设计的复杂性。

为了充分了解水声通信过程中的数据变化，方便对于信道特性分析以及通信方式的选 择，以及大量传感器网络节点之间通信数据的存储，传感器节点必须具备数据采集功能。传 统的水声数据采集存储系统主要由数据采集板卡组成，能够满足数据采集功能，缺点是体积 大，便携性差，难以作为传感器节点的组成部分应用于实际设计中。

本文针对这一问题，提出了基于SOPC(System ON Programmable Chip)的设计方案[2]，利 用其配置灵活、扩展性强、接口丰富等优点，以Altera 公司的Cyclone II 系列FPGA 为基 础，设计传感器节点数据采集存储系统，降低了设计的风险，完善了传感器节点功能要求。

2 采样存储系统概述

本设计系统的结构如图1 所示，在整个传感器节点的系统当中，将AD 芯片输出的12 位数据，通过设计SDRAM 控制IP 核，实现数据变速率AD 采集、数据环形存储、数据环 形读取、以及数据飞读（实时数据读取）等功能。同时，对于NiosII CPU 设计串口（UART） 协议，以便前置机与传感器节点通信，实现不同命令操作功能，方便对水声试验过程中波形 数据的变化进行仿真处理，以满足试验要求。

本设计采用 MICRO 公司的MT48LC32M8A2 型号容量为32Mbyte 的SDRAM，芯片地 址线为25 位，每个地址存储16 位数据。根据水声通信试验要求，声波频率为40KHz，每 个正弦波采样16 个点，则采样时钟要求至少640KHz，本系统设计采样时钟最大40MHz。 同时，环形存储深度最大为32Mbyte，每次采样存储数据占2byte，则至少可以采样25 秒正 弦波数据。环形存储区域大小，以及采样时钟都可以进行参数化配置，能够满足试验要求。 系统整体分为硬件逻辑设计，与软件程序设计两部分。