基于ZYNQ ARM+FPGA的声呐数据采集系统设计
目前对声呐数据采集系统的研制，一般选择微
处理器或微控制器、现场可编程门阵列 (field
programmable gate array, FPGA) 或者是数字信号处
理器 (digital signal processor, DSP) 等芯片作为主控
芯片。王敏等[8]采用 DSP 运行 Vxworks 操作系统
实现传输控制协议/互联网协议 (transmission control
protocol/internet protocol, TCP/IP) 网络协议栈，可
以实时将声呐系统采集的数据以及计算结果回传到
计算机。张严品[9]基于 OMAP-L138 芯片设计的水
声信号采集与处理平台，实现了对水声信号的连续
采集、处理、存储和传输等功能，通过轻量级网络
协议栈 (light weight IP, LwIP) 实现安全数字卡中存
储水声数据的上传功能。荣致远[10]结合 FPGA 的
高 速 并 行 处 理 能 力 以 及 高 级 精 简 指 令 集 机器
(advanced RISC machine, ARM) 处理器灵活的进程
控制能力，设计了一种基于 FPGA+ARM 的声呐数
据采集传输系统，满足采集系统高精度和实时性的
要求。荆博原等[11]采用 Artix-7 系列 FPGA 芯片控
制数据的采集与存储来完成多通道数据采集，通过
通用串行总线 2.0 接口将矢量水听器数据传输至上
位机。史鹏腾[12]使用以太网知识产权核实现用户数
据包协议来进行多通道声呐采集数据的高速传输，
并在应用层制定了与上位机交互及丢包处理的通信
协议，克服了用户数据包协议这类不可靠的、面向
无连接的协议带来的数据错误和缺失等问题。
在上述文献中，对声呐数据采集系统的设计主
要集中于使用 DSP 或 FPGA 等单一架构芯片，无
法兼顾利用微处理器以及 DSP 等串行处理器可方
便实现网络协议栈等复杂控制逻辑，以及 FPGA
具有的强大并行处理的优势。但使用 DSP+FPGA
架构也存在一系列问题[13-14]：首先是布线工作相对
比较复杂，需要完成更多的硬件设计工作。其次，
集成度较低，占用面积较大，成本较高。在能耗和
散热方面，这种方案在计算密集任务下会产生较高
的能耗，需要更好的散热以及供电解决方案。目
前，声呐数据采集系统的设计中鲜见水密条件下的
在线程序更新功能，以及使用 TCP 传输协议进行
数据传输时对数据封帧的考虑。
针对 UUV 前置主动声呐小型化、高集成、低
功耗设计，以及水下封闭空间工作条件下程序更新
的需求，本文选择 Xilinx 推出的 Zynq7020 芯片构
建主动声呐数据采集平台。该芯片采用先进的双核
异构架构[15-17]，将可编程逻辑单元 (programmable
logic, PL) 和处理系统单元 (processing system, PS)
集成到一个芯片内，兼顾了 FPGA 的并行计算优
势以及处理器系统软件开发的灵活性，克服了传统
双芯片架构中片间互联通信带宽和处理速度瓶颈限
制，集成度高，功耗低。在 PL 端完成数据采集控制
与数字下变频等信号预处理任务，以满足系统实时
性要求。配合开发的上位机软件，在 PS 端的 ARM
处理器上运行 LwIP 网络协议栈实时处理 TCP 数
据流，从而可以充分发挥 Zynq7020 异构架构优
势。对于采集数据传输方案的选择，考虑实时传输
速度、带宽与可靠性要求，本文设计的系统采用以
太网实现主动声呐与上位机软件的数据交互，同时
为保证数据传输的可靠性，本系统采用 TCP/IP 协
议作为数据传输协议，并结合自定义的应用层帧协
议，通过以太网建立下位机与上位机的连接[18]。对
于数据存储介质的选择，系统选用了容量大、读写
速度快的嵌入式多媒体卡 (embeded multimedia card,
eMMC)[19-20]芯片，确保数据记录的完整性和可靠
性。对于 FPGA 程序更新方式的选择，系统使用
TCP 以太网实现程序的在线更新，并开发对应的
上位机软件，可以在保证 UUV 水密结构完整的同
时避免复杂的接线操作，方便可控地实现系统
FPGA 程序的更新。
1 系统硬件设计
本文系统主要由位于电脑 (PC) 端的上位机软
件以及位于 UUV 内部 (湿端) 的主动声呐发射、接
收电路组成，系统的总体结构如图 1 所示。
4 测试结果与分析
4.1 数据采集部分功能验证
为测试系统数据采集部分功能是否符合预期设
计，选取其中一个采集通道，使用信号发生器产生
一个连续正弦波信号，直接输入到数据采集模块
的 ADC 输入端。输入信号的频率为 13.2 kHz，幅
度为 1 V。上位机数据采集控制参数配置界面如
图 12 所示，设定采集信号长度为 3 s，数字下变频
的中心频率为 12 kHz，点击开始采集按钮，则采
集参数通过以太网下发到下位机，同时通知下位机
数据采集模块开始采集数据。待数据采集完毕后，
点击数据落盘按钮即可通知下位机将采集数据上传
至上位机并保存为.txt 文件。
5 结 论
本文基于 Zynq7020 异构平台设计了一种稳
定、可靠的数据采集存储系统，结合 FPGA 的并
行计算优势以及处理器系统软件开发的灵活性，
在 Zynq7020 PS 端 运 行 LwIP 网 络 协 议 栈 实 现
TCP 协议，通过以太网实现主动声呐与上位机的
数据交互。同时使用自定义的应用层帧格式，在充
分发挥 TCP 协议高可靠性优势的同时避免了数据
包粘连问题，将主动声呐系统数据的实时采集、存
储与回传，以及程序的在线更新功能融合为一体，
具有可扩展性强，灵活性好，集成度高等优点。设
计的在线程序更新功能在避免对 UUV 水密结构破
坏的同时，其更新速度比 JTAG 接口更新方式具有
明显优势，大大提高了实验测试效率。
经过试验证明，本文设计的系统可长时间稳定
运行，采集存储的数据真实可用，贴近实际需求，
为项目后期的理论算法验证、方案改进以及设备调
试等工作提供了有效的数据支持。