图像声纳数据采集存储系统设计

摘 要

　　图像声纳在海洋资源开发和水下探测领域起着不可替代的作用，近年来，随着技术的发展和硬件能力的调高，图像声纳的成像分辨率有了大幅提升，数据吞吐量也愈发增加。数据采集存储系统是图像声纳的重要组成部分，论文以图像声纳的研发为背景，设计并实现了图像声纳数据采集存储系统。

　　本文在给定的技术指标下，设计并实现了数据采集存储系统的硬件电路和软件系统，系统采用 FPGA 作为控制芯片，固态存储芯片 NAND Flash 作为存储介质，由 A/D采样芯片进行模拟信号的模数转换，I2C 通信总线和 LVDS 总线分别完成系统与数字信号板的通信和数据传输，并通过调用 FPGA 片内 RAM 进行兵乓操作来完成数据缓冲。

　　论文提出并实现了一种适用于该数据采集存储系统的 NAND Flash 坏块管理方法，并引入了异地更新、磨损均衡、掉电保护、ECC 校验等功能，提高了数据存储的效率和可靠性。

　　论文给出了数据采集存储系统的测试结果，并进行了分析，根据测试结果，该数据采集存储系统满足了预期设计要求。最后，论文对设计进行了总结，并提出了进一步改进方案。

　　关键词：图像声纳；数据采集存储；FPGA；NAND Flash；坏块管理

ABSTRACT

　　Imaging Sonar is playing an irreplaceable role in the field of marine resource exploitation and underwater detection, with the development of technology and hardware ability recently, the resolution of imaging sonar is greatly improved, the data throughput is also improved. The data acquisition and storage system is a very imortant part of imaging sonar, the paper design and implement the data acquisition and storage system in the background of imaging sonar research and development.

　　The paper design and implement the hardware circuit and the software system of the data acquisition and storage system based on the given technical parameters, the system adopt FPGA as the processor and NAND Flash as the storage medium, the A/D chip convert the analog signal to digital signal, the I2C-Bus and the LVDS is used to transmit command and data between the data acquistion board and the digital signal processing board, the system invoked internal RAM of FPGA to build ping pong buffer. The paper propose and implement a bad block management which is applied to the data acquisition and storage system, the system also uses wear-leveling, garbage collection, Error Correcting Code, power-fail protection to improve the efficiency and reliability of the data storage.

　　The test results are presented and analysed in the paper, according to the test, the data acquisition and storage system meet the expected system requirements. At the last part, the paper summarizes the whole system characteristic and propose improvement program.

　　Key words: imaging sonar; data acquisition and storage; FPGA; NAND Flash; bad block management

　　地球四分之三的面积被海洋覆盖，海洋蕴含着极其丰富的矿产、能源以及生物资源，预计在未来的 20 年内，全球 50%以上的油气产量和储量都将来自海洋。海洋是 21 世纪人类的新生存空间，是新一轮产业革命的战略重点，世界各国都在积极发展海洋高科技，随着电子技术，特别是微电子技术的发展和应用，水下探测技术的发展更为迅速，声纳改变了原来的面貌，进入了一个新的阶段[1]。

　　由于声波是唯一能在海水当中远距离传播的信号，所以利用声波进行水下探测的声纳技术在海洋开发领域中有着不可替代的作用。声成像技术是声纳技术的一个重要的研究方向，图像声纳一般使用主动方式工作，通过对接收到的声回波信号进行信号处理，得到图像形式的探测结果，传统的光学成像在海水中的成像范围非常有限，声成像技术克服了复杂的水文环境，能够对十几米到几百米的水下区域进行成像，但是图像声纳的成像质量要低于光学摄像，提高声成像质量需要提高图像声纳的分辨率，这对系统的采集存储、数据传输、信号处理能力都提出了更高的要求[2]。

　　数据采集存储系统是图像声纳的关键设备之一，由于图像声纳的数据吞吐量非常大，系统要在极短的时间内采集和存储大量的数据，所以数据采集存储系统需要具有很高的数据读写速率和数据准确性。图像声纳对数据采集存储系统的要求有如下几点：一、高速，提高图像声纳精度需要更高的采样频率，存储器的读写速度必须满足采样数据的传输速度；二、大容量，图像声纳的多通道、高速率的采样特性会产生海量的数据流；三、可靠性，采样和存储的数据必须有很高的准确性；四、稳定性，由于海洋环境的复杂性，采集存储系统必须具有抗震能力并能在苛刻环境下工作。

　　我国有着绵长的海岸线和辽阔的海域，在这些蓝色领土中蕴含着丰富的矿产、能源以及生物资源，具有巨大的开发潜力。海洋也同时给国家安全带来了不稳定因素，我国与周边多个国家都存在着海洋领土争端，为了维护国家领土主权，需要充分了解我国领海的海底地貌特征和水文环境。因此，国家对声纳技术有着迫切的需求，图像声纳技术的进一步研究和发展非常必要。

　　目前世界各国都对图像声纳的研究给予了高度重视，图像声纳技术有了很大的发展，目前使用较为普遍且技术成熟的图像声纳主要分为扇扫声纳和侧扫声纳两种：侧扫声纳的换能器一般安装在船体或拖曳体的两侧，可用于海洋资源开发、海底目标测绘、海洋探测等；扇扫声纳，也称为前视声纳，研究开展较晚，但发展很快，一般安装在舰船前方，目前已广泛应用于水下定位、探雷、规避障碍物等水下作业中。扇扫声纳可分为三种：1、单波束机械扫描声纳；2、多波束预成电子扫描声纳；3、三维图像声纳[3]。

　　单波束机械扫描声纳结构简单、成本较低，但成像速率慢，不适合用于探测运动物体。多波束预成电子扫描声纳有较高的成像速度，主要代表是美国的 SeaBat 系列声纳。三维图像声纳能获得三维空间的目标信息，技术难度较大，目前仅有少数国家开展了三维图像声纳的研究。

　　国内的水下成像技术研究开展较晚，目前有哈尔滨工程大学、中科院声学所等多家单位进行了相关声成像技术的研究，并取得了一定的成果。哈尔滨工程大学水声学院研发的某型数字图像声纳工作频率为 300kHz，阵元间距 10mm，共有 81 个数据通道，数据宽度为 12bit，最高数据传输率达到 400Mbps[4]。

　　Hydroquip 公司研发的 SeaKing Dual Frequency Sonar 是一种机械扫描图像声纳，具有 325kHz 和 675kHz 两个工作频率，当选用 325kHz 工作频率时，为一部探测声纳，探测距离 300 米。当选用 675kHz 工作频率时，为一部图像声纳，成像距离 150 米，具有较高的成像精度，波束宽度为 2°，最小扫描步长 0.45°。

　　20 世纪 80 年代，人们通过将隧穿擦除技术和热载流子编程结合在一起实现一个单管 EPROM，这种技术被称为 Flash 存储器[7]。该技术结合了 EEPROM 的擦除能力和UVPROM 的编程能力，“Flash”一词是指这种器件可以在一次擦除中擦除全片（或者擦除一个大块或一个扇区）。Flash 存储器的 EPROM 单元的制造工艺与 EPROM 单元相同，这使得 Flash 存储器的成本可以与 DRAM 竞争。Flash 存储器是一种非挥发性存储器件，这种器件特点是断电后存储信息不会丢失，与传统非挥发性存储器相比，Flash 存储器有着明显的优势，具有成本低、密度大、可擦除和重复编程等特点。Flash 存储器可广泛应用于各个领域，包括移动电话、PC 外设、安防、医疗、军事、数码产品等。

　　经过二十多年的发展，Flash 存储器已经成为大容量、高速、高性价比的存储器。一般来说，Flash 存储技术可分为 NOR、DINOR、NAND、AND 几种，其中主流是 NOR和 NAND 两种。基于 NOR 的 Flash 存储器，应用目标是程序/数据存储，由 AMD 和 Intel的 PC BIOS 市场所主导。对于大容量 Flash 存储器应用，如存储卡和固态磁盘驱动器，基于 NAND 的 Flash 存储器是理想的选择。

　　NOR Flash 由 Intel 公司于 1988 年研发，是最早的 Flash 存储器件，由传统的 EPROM发展而来。NOR 型闪存具有独立的地址和数据总线，可快速的随机读取，系统可直接读取 Flash 内存储的代码执行，不需要将代码读入 RAM 中。NOR 型闪存具有一个并行的内部结构，读操作可对存储阵列的任一个字单元进行快速的随机读取，但擦除操作只能对块或者整片 Flash 进行，不支持单字节擦除。NOR 型闪存由于其内部结构的特性，存储密度较低，单芯片容量很难提高，且擦除和编程需要花费较长的时间，不适用于大容量的数据和文件存储，主要用于程序代码的高速访问和内部执行，可用于替代内存设备。

　　NAND Flash 由东芝公司于 1989 年研发，主要应用于大容量高速数据存储领域，可用于生产各种存储器件如 Secure Digital(SD 卡) 、Compact Flash(CF 卡)、固态硬盘等。NAND Flash 有一个非常密集的存储阵列，I/O 端口采用复用的数据和地址线，和 NORFlash 相比，NAND Flash 的写入和擦除速度快很多，存储密度和容量也远大于 NORFlash，NAND Flash 单块的最大可擦写次数为一百万次，NOR Flash 可擦写次数为十万次[8]。但由于 NAND Flash 的工艺特性，NAND Flash 在出厂时有一定量随机分布的固有坏块，当块擦除次数达到一定量时也会产生坏块，坏块不允许进行写入和擦除操作，且块与块间擦除次数不均衡会直接影响 NAND Flash 的使用寿命。NAND Flash 的另一个缺点是先擦后写，在数据更新时，必须将数据擦除后写入，而擦除速度远远大于 NANDFlash 的写入速度。由于以上特性，NAND Flash 在使用中必须使用控制器屏蔽和管理坏块，并实现异地更新、均衡损耗和错误检验等机制。

　　图像声纳数据采集存储系统测试：

5kHz 正弦信号采样结果

375kHz 正弦信号采样结果

A/D 采集单元控制信号测试图

初始坏块检测测试图

显控软件数据回放

ECC 码比较图

测试数据调试波形结果

毛刺波形放大

1kHz 正弦波数据回放

放大后的正弦波波形

目 录

　　第 1 章 绪论1
　　　　1.1 论文的背景和意义
　　　　1.2 图像声纳技术发展现状
　　　　1.3 Flash 存储技术发展现状
　　　　1.4 论文内容安排
　　第 2 章 数据采集存储系统硬件设计
　　　　2.1 概述
　　　　　　2.1.1 系统结构组成
　　　　　　2.1.2 系统需求分析
　　　　2.2 NAND Flash 存储器
　　　　　　2.2.1 NAND Flash 存储结构和 I/O 接口
　　　　　　2.2.2 NAND Flash 的基本操作
　　　　2.3 A/D 模数转换器
　　　　　　　　2.3.1 A/D 芯片的选取
　　　　　　2.3.2 MAX1320 引脚功能
　　　　　　2.3.3 MAX1320 的数据读取操作
　　　　2.4 FPGA 可编程逻辑器件
　　　　　　2.4.1 FPGA 介绍
　　　　　　2.4.2 EP2C8Q208 芯片特点及电路设计
　　　　2.5 电源电路设计
　　　　2.6 本章小结
　　第 3 章 数据采集存储系统逻辑设计
　　　　3. 1 概述
　　　　　　3.1.1 Verilog HDL 语言介绍
　　　　　　3.1.2 系统功能模块划分和工作过程
　　　　3.2 A/D 模数转换模块
　　　　3.3 乒乓缓冲模块
　　　　3.4 NAND Flash 存储单元控制模块
　　　　　　3.4.1 NAND Flash 坏块管理
　　　　　　3.4.2 磨损均衡和垃圾回收
　　　　　　3.4.3 掉电保护和格式化
　　　　　　3.4.4 数据存储和读取工作流程
　　　　　　3.4.5 ECC 校验
　　　　3.5 LVDS 数据传输
　　　　3.6 C 总线通信设计
　　　　　　3.6.1C 总线通信工作流程
　　　　　　3.6.2 C 总线控制命令和 Nios II 程序命令
　　　　3.7 本章小结
　　第 4 章 数据采集存储系统测试
　　　　4.1 测试环境介绍
　　　　4.2 A/D 模数转换单元的测试
　　　　4.3 NAND Flash 存储单元的测试
　　　　　　4.3.1 初始坏块检测的测试
　　　　　　4.3.2 地址映射测试
　　　　　　4.3.3 坏块替换测试
　　　　　　4.3.4 掉电保护测试
　　　　　　4.3.5 ECC 校验测试
　　　　　　4.3.6 数据准确性测试
　　　　4.4 数据上传测试
　　　　4.5 本章小结
　　结 论
　　参考文献
　　致 谢
　　附 录

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