基于SOPC的雷達采集和圖像顯示系統

　　1前言

　　雷達數據采集及圖像顯示是雷達的一個(gè)基本應用，普遍應用于軍事、氣象預測、環(huán)境監測、船舶導航等領(lǐng)域。雷達數據具有實(shí)時(shí)性、高速性的特點(diǎn)。一般說(shuō)來(lái)，對雷達信號采樣的時(shí)鐘頻率在100MHz以上，雷達數據采集和處理單元的數據吞吐量要求在Gbits/s以上。因此，要實(shí)現一個(gè)雷達數據采集和圖像顯示系統，對處理器的處理速度要求很高。傳統的雷達數據采集和圖像顯示系統采用的是微處理器+FPGA(或DSP)方案，利用微處理器實(shí)現操作系統、雷達GUI和顯示器控制，利用FPGA(或DSP)實(shí)現高速雷達數據采集和處理，這種方案的缺點(diǎn)是要想實(shí)現雷達圖像在800*600以上分辨率的大屏幕顯示比較困難，要么有較高的處理器速度，要么有獨立顯卡的支持，這樣增加了系統復雜度和成本。

　　SOPC 是一種特殊的片上系統，建立在可編程邏輯技術(shù)的基礎上，盡可能將一個(gè)大而完整的電子系統實(shí)現在一塊FPGA硅片上，具有硬件可裁剪、可擴充、可升級，軟件在系統可編程的特點(diǎn)，使得設計的系統在規模、功能、體積、性能、上市周期、開(kāi)發(fā)成本等方面有著(zhù)了很大的優(yōu)勢?；赟OPC技術(shù)的軟核處理器主頻雖然不是很高，目前Xilinx公司的microblaze處理器最高主頻為210MHz、240DMIPS的運算能力，Altera公司的NIOS II處理器最高主頻為340MHz、290DMIPS的運算能力，但是由于其極強的靈活性，可以通過(guò)軟硬件協(xié)同設計，在處理器速度不高的情況下，解決需要高速度處理器才能完成的問(wèn)題。

　　本文基于SOPC技術(shù)，提出一種在主頻較低的軟核處理器上實(shí)現雷達數據采集和圖像大屏幕顯示的方法。

　　2總體方案設計

　　本設計采用microblaze軟核處理器作為開(kāi)發(fā)平臺，SOPC系統框圖如圖1所示。

　　本設計通過(guò)以下辦法，解決在主頻較低的SOPC軟核處理器上實(shí)現雷達數據采集、處理和大屏幕圖像顯示的問(wèn)題。

　　首先，使用FPGA硬件邏輯設計實(shí)現雷達數據采集、處理和顯示控制器。雷達數據采集、處理模塊負責對雷達上單元、ADC芯片的控制和對雷達數據的處理。顯示控制器模塊完成顯存數據的管理和顯示器的驅動(dòng)。

　　其次，使用DMA傳輸。DMA負責將雷達數據采集、處理后數據通過(guò)DMA通道送到內存中。

　　最后，根據SOPC硬件可配置、可裁剪的特性，將雷達數據采集和處理模塊、顯示控制模塊和DMA模塊作為microblaze處理器的設備掛載到外設局部總線(xiàn)上[4]。

　　由于雷達數采集、處理模塊和顯示控制模塊的內部邏輯都由FPGA硬件邏輯完成，微處理器不需直接對雷達上單元、ADC進(jìn)行控制，不需進(jìn)行復雜的雷達數據處理，不用對顯存數據進(jìn)行管理，不用控制產(chǎn)生高速的信號驅動(dòng)顯示器，從而大大減輕了處理器的負擔，加上DMA傳輸的使用，處理器只需要處理DMA傳輸的請求和傳輸完成中斷，從而使處理器從繁重的數據傳輸中解脫了出來(lái)。通過(guò)以上辦法，處理器的負擔已經(jīng)變得很輕，使得較低的處理器速度即可處理系統的任務(wù)。而且顯示控制由FPGA硬件實(shí)現還有個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，使得顯示器分辨率的大小對處理器的負擔影響很小，從而在處理器較低的情況下，同樣可以支持大屏幕的圖像顯示。

　　3系統硬件設計

　　SOPC系統的硬件設計包含兩層含義，一個(gè)是SOPC所依賴(lài)的硬件平臺，另一個(gè)是在FPGA內部搭建的SOPC軟件所依賴(lài)的硬件環(huán)境。

　　本設計中，SOPC所依賴(lài)的硬件平臺如圖2所示：

　　FPGA內部搭建的SOPC硬件平臺如圖3所示：

　　其中，雷達數據采集和處理、顯示控制器、DMA模塊是為實(shí)現本設計而特別定制的模塊。下面著(zhù)重介紹以上3個(gè)模塊。

　　3.1 雷達數據采集及處理模塊設計

　　雷達數據采集及處理模塊主要由總線(xiàn)接口控制、控制臺、雷達上單元控制、ADC控制、雷達數據處理5部分組成，其內部框圖如圖4中虛線(xiàn)部分所示：

　　總線(xiàn)接口控制模塊負責與處理器總線(xiàn)進(jìn)行交互，它必須遵循處理器總線(xiàn)通信協(xié)議，包括傳輸請求、應答、數據傳輸、中斷請求。這部分協(xié)議由平臺產(chǎn)生，用戶(hù)只需進(jìn)行相關(guān)的配置。

　　控制臺負責ADC控制模塊、雷達上單元控制模塊、雷達數據處理模塊的控制。具體包括：將相關(guān)用戶(hù)控制信息交給ADC控制模塊，對ADC的工作狀態(tài)進(jìn)行控制;讀取雷達上單元控制模塊的信息，將它交給總線(xiàn)控制接口模塊，并從總線(xiàn)接口控制模塊獲得雷達上單元相關(guān)的控制信息，送到雷達上單元控制模塊;將雷達數據處理相關(guān)的信息交給雷達數據處理模塊，作為雷達數據處理的參數。

　　雷達上單元控制模塊負責對雷達上單元的控制，包括雷達上單元的初始化、自檢，設置雷達脈沖頻率、脈沖寬度、轉速等，并實(shí)時(shí)地向控制臺提供雷達上單元的工作狀態(tài)信息。

　　雷達數據處理模塊的內部處理流程如圖5所示。雷達數據處理模塊從控制臺獲取數據處理的相關(guān)參數，對雷達上單元的數據進(jìn)行以下處理：對雷達的方位角脈沖信號進(jìn)行提取，計算出雷達當前的方位角;對采樣后的雷達回波信號進(jìn)行內插/抽取、濾波、增益控制、極坐標到直角坐標變換處理。

　　3.2 顯示控制器設計

　　顯示控制器相當于一塊獨立顯卡，其內部如圖6中所示，主要由5個(gè)模塊組成，分別為處理器總線(xiàn)接口控制模塊、指令譯碼模塊、顯示接口控制模塊、數據緩存模塊和顯存控制模塊。

　　指令譯碼模塊主要負責：從總線(xiàn)接口控制模塊獲得處理器指令和數據，并對指令進(jìn)行譯碼，將譯碼結果和數據送給顯示接口控制模塊和顯存控制模塊;將顯示接口控制模塊和顯存控制模塊的工作狀態(tài)信息送給總線(xiàn)接口控制模塊。

　　顯示接口控制模塊受指令譯碼及控制模塊控制，與顯存控制模塊進(jìn)行協(xié)調，從數據緩存區獲取數據，控制產(chǎn)生顯示器接口時(shí)序，驅動(dòng)顯示器描繪圖像。

　　數據緩存模塊實(shí)現對顯存數據的預取。在每個(gè)行同步時(shí)隙，顯示接口控制模塊向顯存控制模塊發(fā)出預取顯存數據的請求，顯存控制模塊將相應地址上的顯存數據讀出，放到數據緩存區。由于顯示接口控制的時(shí)鐘和顯存控制的時(shí)鐘通常不一樣，設置這個(gè)數據緩存區，保證顯示接口控制模塊能夠及時(shí)獲得顯存的數據。

　　顯存控制模塊負責顯存數據的管理，根據指令譯碼結果，對顯存中的數據進(jìn)行清除、讀寫(xiě)、更新等操作，并配合接口控制模塊，將顯存數據讀出，寫(xiě)入顯存數據緩存區。

　　3.3 DMA傳輸設計

　　一般說(shuō)來(lái)，DMA傳輸相關(guān)的寄存器包括傳輸的源地址、目的地址、工作模式、數據長(cháng)度、DMA中斷模式。本設計使用Xilinx的中央DMA控制器(XPS Central DMA Controller) [5]，它是一個(gè)單通道的支持外設到外設、外設到內存、內存到外設、內存到內存的DMA，其內部結構框圖如圖7所示。使用該DMA控制器，需要配置以下寄存器：

　　軟件復位寄存器(RST)：用于對DMA控制進(jìn)行軟件復位;

　　DMA控制寄存器(DMACR)：設置DMA的工作模式;

　　源地址(SA)：DMA傳輸的源地址;

　　目的地址(DA)：DMA傳輸的目的地址;

　　長(cháng)度(LENGTH)：DMA傳輸的數據長(cháng)度;

　　中斷使能寄存器(IER)：設置是否使能DMA傳輸錯誤或傳輸完成時(shí)產(chǎn)生中斷。

　　本設計中，將DMA的工作模式設定為數據源地址固定，目的地址遞增，源地址為雷達數據采集及處理模塊的數據發(fā)送寄存器的地址，目的地址設置為內存的地址，長(cháng)度設置為坐標變換后一條雷達掃描線(xiàn)上的點(diǎn)數1024Bytes，DMA傳輸完成中斷使能?！?/p>

　　4系統軟件設計

　　軟件設計主要分為三部分，linux內核的移植，模塊驅動(dòng)的開(kāi)發(fā)，雷達GUI軟件的開(kāi)發(fā)和移植。

　　將linux系統移植到自己定制的SOPC硬件平臺上包括以下幾個(gè)步驟[5][6]：

　　設計SOPC硬件平臺。使用XPS開(kāi)發(fā)環(huán)境，設計自己的SOPC系統硬件平臺，并導出軟件開(kāi)發(fā)依賴(lài)的硬件平臺信息文件;

　　生成設備樹(shù)內核編譯所需的設備樹(shù)信息文件(后綴名為.dts)。使用SDK開(kāi)發(fā)環(huán)境，結合Xilinx的設備樹(shù)(Device-tree)腳本和XPS生成的硬件平臺信息，生成板級支持包和設備樹(shù)信息文件;

　　編譯內核。將設備樹(shù)信息文件拷貝到linux內核源代碼/arch/microblaze/boot/dts目錄下，根據硬件平臺信息配置并編譯內核，生成內核鏡像文件;

　　運行內核。將內核鏡像文件下載到配置的硬件平臺上，實(shí)現linux系統的移植。

　　內核移植完成之后，進(jìn)行雷達數據采集和處理模塊、顯示控制器模塊驅動(dòng)的開(kāi)發(fā)。Linux下設備驅動(dòng)的開(kāi)發(fā)包括以下步驟：

　　(1)設備驅動(dòng)程序的注冊和注銷(xiāo);

　　(2)定義file--operations結構，設計所要實(shí)現的文件操作， 實(shí)現系統調用和驅動(dòng)程序的關(guān)聯(lián);

　　(3)實(shí)現所需的文件操作調用，如open，read，write等;

　　(4)如果使用中斷，使用request--irq向內核注冊;

　　(5)編譯該驅動(dòng)程序到內核中，或使用insmod命令加載模塊。

　　最后是進(jìn)行雷達GUI軟件的開(kāi)發(fā)和移植。利用QT開(kāi)發(fā)環(huán)境設計雷達用戶(hù)界面，并移植到SOPC系統中linux操作系統下。

　　5系統調試和測試

　　本設計中，利用FPGA硬件邏輯模擬產(chǎn)生雷達回波信號和方位角信號，ADC的采樣速率為100MHz，采樣位寬為8bits，microblaze軟核處理器主頻為100MHz。雷達數據采集及處理模塊對模擬的雷達信號進(jìn)行采集和相關(guān)處理后，由DMA通道存儲到內存當中，雷達GUI軟件實(shí)現雷達圖像的繪制。