基于PCI總線(xiàn)的雷達視頻采集方案

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

　　在傳統的雷達顯示終端中所涉及到的視頻信號是模擬的,隨著(zhù)計算機技術(shù)和IC技術(shù)的不斷發(fā)展,使這種模擬信號的數字化成為可能,使得雷達視頻的存儲和遠距離傳輸成為可能,并在實(shí)際中得到越來(lái)越多的應用。在基于這種技術(shù)背景下開(kāi)展了相應的研究。
1 視頻采集方案可行性分析
　　方案的設計主要考慮雷達視頻帶寬,即距離分辨率。在采集卡部分影響帶寬的數據瓶頸在于三方面:AD采樣量化、FIFO讀寫(xiě)速度和PCI的DMA速度。硬件方案中采用TLC5540,最高采樣率可以達到40MHz,采樣深度為8bits;FIFO采用IDT72V36100,最高讀寫(xiě)速度可以達到133MHz;計算機PCI總線(xiàn)的數據帶寬可達到532Mbps,在實(shí)際中,由于受硬件環(huán)境,如主機板和CPU的影響,采用133Mbps的PCI卡。在PC機部分數據瓶頸主要在于磁盤(pán)數據訪(fǎng)問(wèn)速度,普通磁盤(pán)的數據訪(fǎng)問(wèn)速度為40Mbps。若數字化雷達視頻帶寬達到30Mbps、量化深度為8bits,則數據采樣率為30MHz,距離分辨率為300,000,000/2/30,000,000=5m,這樣的分辨率能夠滿(mǎn)足一般的導航和警戒雷達。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(mǎn)足視頻的帶寬要求。
2系統實(shí)現的關(guān)鍵點(diǎn)
2．1方案中的雷達視頻數據流程和結構
　　對于30MHz帶寬的數字化雷達視頻信號要求實(shí)時(shí)傳輸,合理地安排數據的流程非常重要。其流程如圖1所示。

 
圖1 數字化視頻信號的流程

　　由底層到應用程序,雷達數據主要經(jīng)過(guò)三個(gè)數據傳輸過(guò)程。(1)由數據采集卡至設備驅動(dòng),在數據采集卡中采用了雙FIFO技術(shù),通過(guò)DMA單個(gè)FIFO一次傳輸一幀雷達數據,即一個(gè)主脈沖正程的雷達回波信號。這里雙FIFO的作用在于信號的實(shí)時(shí)傳送,采集卡對FIFO1寫(xiě)入時(shí),驅動(dòng)程序通過(guò)DMA將FIFO2的數據傳入BLK2中,此為數據通道CH2,CH1為FIFO1與BLK2之間的通道。在系統中,CH1和CH2分時(shí)復用一個(gè)DMA通道。(2)驅動(dòng)程序和顯示應用模塊的數據交互,采用了乒乓存儲區的技術(shù),如圖1所示。當DMA占用BLK1時(shí),顯示應用程序將BLK2中的雷達視頻數據讀入,進(jìn)行數據合并、抗異步干擾處理,并實(shí)時(shí)顯示。(3)驅動(dòng)模塊與數據存儲模塊的數據交互,這個(gè)交互過(guò)程和上面相似,不過(guò),對于BLK1、BLK2的訪(fǎng)問(wèn)都要和顯示應用程序分時(shí)進(jìn)行。
　　在時(shí)序上,各個(gè)數據通道的詳細分時(shí)關(guān)系如圖2所示。

 
圖2 數字化雷達視頻信號在存儲器中的時(shí)序

　　如圖2所示,在第N+1個(gè)主脈沖回波內,數據采集卡將AD變換之后實(shí)時(shí)數字雷達信號寫(xiě)入FIFO2中(數據排隊),通過(guò)DMA將FIFO2的數據傳入BLK1(CH1),同時(shí)將BLK2的數據傳入顯示應用模塊(CH4)和數據存儲模塊(CH6)。
　　由于在CH1～CH6中傳送的數字化雷達視頻數據都有特定的時(shí)序,且都是實(shí)時(shí)數據,故通道中的數據幀格式相對簡(jiǎn)單,幀頭沒(méi)有同步頭和差錯控制。幀格式如圖3所示。

 
圖3 數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)預留出高3位,用以傳輸方位碼的特征信息,如正北信號、扇區信號和圖元信號,這些信號在硬件(數據采集卡)中容易實(shí)現,能節省軟件的處理時(shí)間。在目前的系統中,這些特征信息還用不到,在具體到雷達數據的分析時(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 數據采集卡的實(shí)現
　　雷達數據采集卡在本系統中起到基石的作用,它將由雷達接收機送下來(lái)的模擬視頻信號采樣量化,經(jīng)過(guò)量程歸并后,相對于主脈沖對齊,然后加入幀頭信息,通過(guò)DMA傳輸給驅動(dòng)程序。數據采集卡的功能結構如圖4所示。

 
圖4 數據采集卡結構圖

　　數據采集卡共有七個(gè)主要模塊:PCI總線(xiàn)控制模塊采用通用芯片PCI9080橋接本地總線(xiàn)和PCI總線(xiàn);本地總線(xiàn)控制模塊CM負責卡內控制信號和狀態(tài)信號的交互;SYN為外部方位碼和主脈沖的同步模塊,它根據主脈沖產(chǎn)生AD的采樣時(shí)鐘和量程歸并時(shí)鐘;AD采用TLC5540對雷達視頻信號進(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)的方位碼和視頻數據打包成幀,并排隊送入FIFO;FIFO模塊將幀結構的雷達數據通過(guò)DMA傳給驅動(dòng)程序。在硬件的實(shí)現上采用了可編程器件CPLD。
2．3用CPLD實(shí)現雙FIFO控制
　　采集卡中數字化雷達視頻信號在推入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。其內部的控制邏輯如圖5所示。

 
圖5 數據打包成幀的邏輯結構

　　圖3中,數據幀的幀頭包含方位信息和數據量以及量程信息,這一部分的處理在圖5的head模塊中實(shí)現;視頻量化深度為8位,并行推入FIFO為16位,這就需要將數據移位合并,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;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)機實(shí)現。狀態(tài)機的轉移圖如圖6所示。

 
圖6 數據幀的時(shí)序狀態(tài)控制

　　狀態(tài)機的時(shí)鐘為數據推入時(shí)鐘d_merge_clk,狀態(tài)轉移通過(guò)主脈沖mainpulse_syn和幀數據時(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)入新的一幀數據,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)機的邏輯仿真如圖7所示。
　　對于雙FIFO的乒乓操作,也是通過(guò)一個(gè)狀態(tài)機實(shí)現的。狀態(tài)機轉移圖如圖8所示。
　　狀態(tài)機的時(shí)鐘為d_merge_clk,通過(guò)主脈沖mainpulse_syn控制狀態(tài)轉移,對FIFO1和FIFO2進(jìn)行輪詢(xún)操作。狀態(tài)機的邏輯仿真如圖9所示。

圖7 數據幀的時(shí)序狀態(tài)機的邏輯仿真

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

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