基于PCI總線的雷達(dá)視頻采集方案

清華大學(xué)電子工程系(100084) 李 清 王德生
 
　　摘　要：分析了雷達(dá)視頻采集的必要性和意義,介紹了通過(guò)PCI實(shí)現(xiàn)高速雷達(dá)視頻信號(hào)的采集實(shí)現(xiàn)方案,并分析了方案中的各個(gè)模塊的功能。
　　關(guān)鍵詞：雷達(dá)視頻 數(shù)據(jù)采集 PCI PC機(jī)

　　在傳統(tǒng)的雷達(dá)顯示終端中所涉及到的視頻信號(hào)是模擬的,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和IC技術(shù)的不斷發(fā)展,使這種模擬信號(hào)的數(shù)字化成為可能,使得雷達(dá)視頻的存儲(chǔ)和遠(yuǎn)距離傳輸成為可能,并在實(shí)際中得到越來(lái)越多的應(yīng)用。在基于這種技術(shù)背景下開展了相應(yīng)的研究。
1 視頻采集方案可行性分析
　　方案的設(shè)計(jì)主要考慮雷達(dá)視頻帶寬,即距離分辨率。在采集卡部分影響帶寬的數(shù)據(jù)瓶頸在于三方面:AD采樣量化、FIFO讀寫速度和PCI的DMA速度。硬件方案中采用TLC5540,最高采樣率可以達(dá)到40MHz,采樣深度為8bits;FIFO采用IDT72V36100,最高讀寫速度可以達(dá)到133MHz;計(jì)算機(jī)PCI總線的數(shù)據(jù)帶寬可達(dá)到532Mbps,在實(shí)際中,由于受硬件環(huán)境,如主機(jī)板和CPU的影響,采用133Mbps的PCI卡。在PC機(jī)部分?jǐn)?shù)據(jù)瓶頸主要在于磁盤數(shù)據(jù)訪問(wèn)速度,普通磁盤的數(shù)據(jù)訪問(wèn)速度為40Mbps。若數(shù)字化雷達(dá)視頻帶寬達(dá)到30Mbps、量化深度為8bits,則數(shù)據(jù)采樣率為30MHz,距離分辨率為300,000,000/2/30,000,000=5m,這樣的分辨率能夠滿足一般的導(dǎo)航和警戒雷達(dá)。若量化深度降低,則距離分辨率將進(jìn)一步提高。由以上分析可見(jiàn)所采用方案能夠滿足視頻的帶寬要求。
2系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵點(diǎn)
2．1方案中的雷達(dá)視頻數(shù)據(jù)流程和結(jié)構(gòu)
　　對(duì)于30MHz帶寬的數(shù)字化雷達(dá)視頻信號(hào)要求實(shí)時(shí)傳輸,合理地安排數(shù)據(jù)的流程非常重要。其流程如圖1所示。

 
圖1 數(shù)字化視頻信號(hào)的流程

　　由底層到應(yīng)用程序,雷達(dá)數(shù)據(jù)主要經(jīng)過(guò)三個(gè)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程。(1)由數(shù)據(jù)采集卡至設(shè)備驅(qū)動(dòng),在數(shù)據(jù)采集卡中采用了雙FIFO技術(shù),通過(guò)DMA單個(gè)FIFO一次傳輸一幀雷達(dá)數(shù)據(jù),即一個(gè)主脈沖正程的雷達(dá)回波信號(hào)。這里雙FIFO的作用在于信號(hào)的實(shí)時(shí)傳送,采集卡對(duì)FIFO1寫入時(shí),驅(qū)動(dòng)程序通過(guò)DMA將FIFO2的數(shù)據(jù)傳入BLK2中,此為數(shù)據(jù)通道CH2,CH1為FIFO1與BLK2之間的通道。在系統(tǒng)中,CH1和CH2分時(shí)復(fù)用一個(gè)DMA通道。(2)驅(qū)動(dòng)程序和顯示應(yīng)用模塊的數(shù)據(jù)交互,采用了乒乓存儲(chǔ)區(qū)的技術(shù),如圖1所示。當(dāng)DMA占用BLK1時(shí),顯示應(yīng)用程序?qū)LK2中的雷達(dá)視頻數(shù)據(jù)讀入,進(jìn)行數(shù)據(jù)合并、抗異步干擾處理,并實(shí)時(shí)顯示。(3)驅(qū)動(dòng)模塊與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊的數(shù)據(jù)交互,這個(gè)交互過(guò)程和上面相似,不過(guò),對(duì)于BLK1、BLK2的訪問(wèn)都要和顯示應(yīng)用程序分時(shí)進(jìn)行。
　　在時(shí)序上,各個(gè)數(shù)據(jù)通道的詳細(xì)分時(shí)關(guān)系如圖2所示。

 
圖2 數(shù)字化雷達(dá)視頻信號(hào)在存儲(chǔ)器中的時(shí)序

　　如圖2所示,在第N+1個(gè)主脈沖回波內(nèi),數(shù)據(jù)采集卡將AD變換之后實(shí)時(shí)數(shù)字雷達(dá)信號(hào)寫入FIFO2中(數(shù)據(jù)排隊(duì)),通過(guò)DMA將FIFO2的數(shù)據(jù)傳入BLK1(CH1),同時(shí)將BLK2的數(shù)據(jù)傳入顯示應(yīng)用模塊(CH4)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊(CH6)。
　　由于在CH1～CH6中傳送的數(shù)字化雷達(dá)視頻數(shù)據(jù)都有特定的時(shí)序,且都是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),故通道中的數(shù)據(jù)幀格式相對(duì)簡(jiǎn)單,幀頭沒(méi)有同步頭和差錯(cuò)控制。幀格式如圖3所示。

 
圖3 數(shù)字化視頻信息的幀格式

　　在幀頭高字位給出13位方位碼,同時(shí)預(yù)留出高3位,用以傳輸方位碼的特征信息,如正北信號(hào)、扇區(qū)信號(hào)和圖元信號(hào),這些信號(hào)在硬件(數(shù)據(jù)采集卡)中容易實(shí)現(xiàn),能節(jié)省軟件的處理時(shí)間。在目前的系統(tǒng)中,這些特征信息還用不到,在具體到雷達(dá)數(shù)據(jù)的分析時(shí),這些信息能起到很重要的作用。幀頭的低字位給出距離信息,包括低4位的量程信息和高12位的距離采樣深度。
2．2 數(shù)據(jù)采集卡的實(shí)現(xiàn)
　　雷達(dá)數(shù)據(jù)采集卡在本系統(tǒng)中起到基石的作用,它將由雷達(dá)接收機(jī)送下來(lái)的模擬視頻信號(hào)采樣量化,經(jīng)過(guò)量程歸并后,相對(duì)于主脈沖對(duì)齊,然后加入幀頭信息,通過(guò)DMA傳輸給驅(qū)動(dòng)程序。數(shù)據(jù)采集卡的功能結(jié)構(gòu)如圖4所示。

 
圖4 數(shù)據(jù)采集卡結(jié)構(gòu)圖

　　數(shù)據(jù)采集卡共有七個(gè)主要模塊:PCI總線控制模塊采用通用芯片PCI9080橋接本地總線和PCI總線;本地總線控制模塊CM負(fù)責(zé)卡內(nèi)控制信號(hào)和狀態(tài)信號(hào)的交互;SYN為外部方位碼和主脈沖的同步模塊,它根據(jù)主脈沖產(chǎn)生AD的采樣時(shí)鐘和量程歸并時(shí)鐘;AD采用TLC5540對(duì)雷達(dá)視頻信號(hào)進(jìn)行采樣量化;MERGE模塊為量程歸并模塊;PACK模塊將由SYN和MERGE模塊送來(lái)的方位碼和視頻數(shù)據(jù)打包成幀,并排隊(duì)送入FIFO;FIFO模塊將幀結(jié)構(gòu)的雷達(dá)數(shù)據(jù)通過(guò)DMA傳給驅(qū)動(dòng)程序。在硬件的實(shí)現(xiàn)上采用了可編程器件CPLD。
2．3用CPLD實(shí)現(xiàn)雙FIFO控制
　　采集卡中數(shù)字化雷達(dá)視頻信號(hào)在推入FIFO之前要經(jīng)過(guò)打包成幀的處理,這個(gè)處理過(guò)程通過(guò)一片EPM7128SLC84-10實(shí)現(xiàn)。其內(nèi)部的控制邏輯如圖5所示。

 
圖5 數(shù)據(jù)打包成幀的邏輯結(jié)構(gòu)

　　圖3中,數(shù)據(jù)幀的幀頭包含方位信息和數(shù)據(jù)量以及量程信息,這一部分的處理在圖5的head模塊中實(shí)現(xiàn);視頻量化深度為8位,并行推入FIFO為16位,這就需要將數(shù)據(jù)移位合并,這個(gè)過(guò)程在body模塊中通過(guò)兩個(gè)8位D觸發(fā)器陣列實(shí)現(xiàn);在主脈沖前沿需要將幀頭信息插入,這個(gè)邏輯控制通過(guò)clk模塊中的一個(gè)狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)。狀態(tài)機(jī)的轉(zhuǎn)移圖如圖6所示。

 
圖6 數(shù)據(jù)幀的時(shí)序狀態(tài)控制

　　狀態(tài)機(jī)的時(shí)鐘為數(shù)據(jù)推入時(shí)鐘d_merge_clk,狀態(tài)轉(zhuǎn)移通過(guò)主脈沖mainpulse_syn和幀數(shù)據(jù)時(shí)鐘d_pack_clk控制,其中d_pack_clk通過(guò)d_merge_clk二分頻得到。通過(guò)mainpulse的上升沿判斷進(jìn)入新的一幀數(shù)據(jù),通過(guò)d_pack_clk的前兩個(gè)時(shí)鐘周期(head_sel=1,2)插入幀頭。狀態(tài)機(jī)的邏輯仿真如圖7所示。
　　對(duì)于雙FIFO的乒乓操作,也是通過(guò)一個(gè)狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)的。狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)移圖如圖8所示。
　　狀態(tài)機(jī)的時(shí)鐘為d_merge_clk,通過(guò)主脈沖mainpulse_syn控制狀態(tài)轉(zhuǎn)移,對(duì)FIFO1和FIFO2進(jìn)行輪詢操作。狀態(tài)機(jī)的邏輯仿真如圖9所示。

圖7 數(shù)據(jù)幀的時(shí)序狀態(tài)機(jī)的邏輯仿真

圖8 雙FIFO的兵乓操作狀態(tài)控制

圖9 雙FIFO的乒乓操作狀態(tài)控制仿真

　　本文論證了雷達(dá)視頻實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集的實(shí)用性和可行性,并提出了一套切實(shí)可行的方案,對(duì)方案中的關(guān)鍵點(diǎn)作了必要的闡述。此項(xiàng)技術(shù)的推廣,無(wú)疑將提高雷達(dá)視頻終端的兼容性、可移植性和通用性。
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