基于Linux平臺的天氣雷達高速數據采集系統設計

Linux是開(kāi)放源代碼、網(wǎng)絡(luò )化的操作系統，具有穩定、高效、內核可自由配置等特點(diǎn)。采用Linux 操作系統作為開(kāi)發(fā)平臺與采用VxWorks 和Windows 作為開(kāi)發(fā)平臺相比不僅有免費的優(yōu)勢，而且對于發(fā)展核心技術(shù)，提高信息安全有著(zhù)極其重要的意義，是自主研發(fā)的一個(gè)方向。隨著(zhù)我國天氣雷達的快速發(fā)展，天氣雷達在民用和軍事領(lǐng)域的應用越來(lái)越廣泛。目前，天氣雷達高速數據采集、傳輸等功能大都基于Windows平臺進(jìn)行開(kāi)發(fā)實(shí)現，實(shí)現由Windows平臺向Linux平臺的轉換，對于發(fā)展中國自主知識產(chǎn)權氣象軟件核心技術(shù), 提高信息安全有著(zhù)極其重要的意義。本文基于Linux 操作系統(2.6.23內核)，實(shí)現了天氣雷達高速數據采集及處理，對天氣雷達系統由Windows平臺向Linux平臺移植具有參考價(jià)值。

1 數據采集系統分析

1.1 工作原理

天氣雷達高速數據采集系統由I/Q數據采集、FIFO緩沖、FPGA控制模塊及PCI總線(xiàn)芯片PLX9054組成，系統結構框圖如圖1所示。

其核心部分為FPGA控制模塊，主要實(shí)現4個(gè)功能:(1)根據雷達量程和距離分辨率調整AD采樣時(shí)鐘的頻率；(2)控制AD兩路采樣數據寫(xiě)入FIFO 緩沖以及DMA 傳輸時(shí)從FIFO中連續讀出數據； (3)與PCI總線(xiàn)控制芯片PLX9054 進(jìn)行控制交互, 實(shí)現局部總線(xiàn)的讀寫(xiě)控制、地址譯碼和中斷觸發(fā)；(4)與PLX9054 進(jìn)行數據交互，使用FPGA內部RAM保存控制天氣雷達發(fā)射機和接收機工作的命令及數據，完成對雷達工作的控制。

I/Q數據采集輸出數據速度為2.4 Mb/s(I、Q數據各為24 bit)，通過(guò)FPGA控制，合并寫(xiě)入到FIFO緩沖。FIFO緩沖為32 bit、深度為16 KB的數據緩存，有效位為24 bit；與計算機總線(xiàn)的接口采用32 bit的PCI總線(xiàn)接口芯片PLX9054，PC機通過(guò)它完成與數據采集系統的數據交互。

1.2 PC機與采集系統數據訪(fǎng)問(wèn)

1.2.1 局部地址分配

PC機與天氣雷達高速數據采集系統的數據訪(fǎng)問(wèn)通過(guò)PCI總線(xiàn)芯片PLX9054實(shí)現，訪(fǎng)問(wèn)目標為FIFO緩沖和FPGA片內RAM。對FIFO緩沖和FPGA片內RAM分配不同局部地址，通過(guò)對局部地址總線(xiàn)進(jìn)行譯碼確定需要訪(fǎng)問(wèn)的目標。FIFO 數據采用DMA傳輸方式連續讀出, 每次傳輸長(cháng)度最大為8 KB,因此,設置FIFO空間32 bit局部地址范圍為0x20000000～0x2000FFFF，映射空間為PCI 地址空間bar2。

FPGA片內RAM位寬為32 bit, 采用局部地址范圍為0x40000000～0x400FFFFF。映射空間為PCI地址空間bar3。