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基于潜标DAQ系统的关键技术研究

张智磊  
【摘要】:为了维护我国海洋主权,国家一直致力于发展海洋环境观测技术,而远海、深海的这类海洋环境的观测手段仍在起步阶段。潜标,是一种能够适应远海和深海等恶劣海洋环境的重要观测设备。随着现代化潜标系统的不断发展,新型潜标停泊深度要求达到2km,运行时间3年以上,其数据存储容量需求已经超过480GB/年,潜标数据转存速率以及回收速率分别要求不低于300Mbps和1440Mbps,在如此高性能的前提下还提出了 1.8W的低功耗指标,同时在深海、远海这样恶劣的条件下还要求各级数据通信链路误码率好于10-10。潜标系统面临大容量、低功耗、高速数据传输、低误码率等各式挑战。本文主要提出了潜标系统的五种关键技术:无损数据压缩技术,既提高了近100%的数据存储容量和数据传输速率,也综合降低了近50%的系统功耗;SD卡双重模式的驱动和控制技术,其中,低速SPI模式有效地降低了潜标长期运行期间的系统功耗,高速UHS-Ⅰ模式大幅提高数据转存时的传输速率;SSD存储和控制技术,可对大容量的SSD进行控制,同时理论高达6Gbps的数据传输速率以应对高速需求的回收能力;双千兆网络传输技术,可通过光纤扩展至2km进行远距离的数据传输工作,其理论数据传输速率可达2Gbps;数据重传技术,应用于各级板间通信,使得在恶劣的板间通信环境下依然能保持不超过10-11的误码率,提高了系统的可靠性。本文对研制的潜标DAQ系统原型板和关键技术进行了测试。测试结果显示,潜标系统平均运行功耗约1.11W,可支持容量64GB的SD卡和1TB的大容量SSD的读写控制,SD卡转存速度约376Mbps,SSD读取速度可达3362Mbps,同时双千兆网络综合数据传输速率不低于1700Mbps,而实验室测试环境下误码率不超过4.0×10-12,千岛湖测试环境下误码率不超过1.03×10-12。测试结果表明潜标系统的研制及其关键技术的设计,解决了新型潜标系统的面临的困难,达成了各项功能和性能指标要求,同时得到了用户单位中船重工715所的认可。本文主要创新点如下:(1)完成自主知识产权的潜标DAQ系统设计和研制,这是国内目前为止首次实现了低功耗、大容量数据缓存和存储、高速数据回收类型的潜标DAQ系统,填补了国内在该领域的空白。(2)在潜标DAQ系统中同时集成了 400Mbps高速数据传输速度的SD卡控制技术、6Gbps高速数据传输速度的SSD控制技术、双千兆网络通信、实时无损数据压缩技术、数据重传技术这五项关键技术。这是国内目前为止应用在同类型潜标上的性能最好的DAQ系统。(3)基于FPGA的实时无损数据压缩技术的硬件实现,降低了潜标DAQ系统50%的运行功耗,同时还提高了 100%的数据传输速率,有效地解决了潜标系统低功耗设计和高速数据传输之间的矛盾。


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