嵌入式操作系統在高速實(shí)時(shí)信號處理系統中的應用

　　現今的信號處理設備越來(lái)越復雜，不僅要求高速的處理能力，而且要求功能多樣化，僅僅追求速度已經(jīng)不能滿(mǎn)足需求。尤其在復雜多變的環(huán)境中，要求信號處理機能夠完成多種處理功能，并能方便靈活地切換工作模式。因此有必要發(fā)展一種可重構和可擴展的通用信號處理系統，能將信號處理機多功能化、模塊化、標準化和通用化。將嵌入式操作系統與高速實(shí)時(shí)信號處理機結合，可以很好地實(shí)現這些要求。在雷達火控系統中，信號處理不僅需要很高的處理速度，而且要滿(mǎn)足控制顯示多方面的需求，如果沒(méi)有操作系統，實(shí)現起來(lái)不僅復雜而且不便于系統的模塊化和標準化。因此，采用實(shí)時(shí)操作系統VxWorks實(shí)現雷達系統的控制和顯示功能。VxWorks是一種類(lèi)UNIX的高性能嵌入式實(shí)時(shí)操作系統，其中斷響應速度是微秒級的。它是專(zhuān)門(mén)為實(shí)時(shí)嵌入式系統開(kāi)發(fā)的操作系統，提供了高效的實(shí)時(shí)任務(wù)調度、中斷管理、實(shí)時(shí)系統資源及實(shí)時(shí)任務(wù)通信。VxWorks可以為各種CPU硬件平臺提供統一的接口和一致的運行特征，這便于以后的系統移植和升級?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，VxWorks廣泛應用于航空、航天、醫療、通信、雷達和聲納等領(lǐng)域。

　　1 系統硬件設計與實(shí)現

　　本系統硬件基于6U的VME總線(xiàn)設計，由多個(gè)子模塊組成，包括A/D采樣板、信號處理板、定時(shí)接口板、嵌入式計算機VG4。

　　A/D采樣板作為前端采集雷達的回波信號。它采用AD10242，采樣率為32MHz，包含2個(gè)A/D變換器，可以對兩路模擬信號作模數變換，輸出2個(gè)12位的數據。由于采樣的數據率遠低于DSP的處理能力，所以通過(guò)大容量的FIFO對A/D采樣的數據緩存，再以DMA的方式發(fā)送給DSP處理。為了滿(mǎn)足要求，信號處理系統以流水的方式處理數據。通過(guò)鏈路口和總線(xiàn)使多片DSP進(jìn)行數據傳輸，最后，由VG4顯示目標檢測結果。

　　VG4是SBS公司的一款專(zhuān)門(mén)針對工業(yè)控制設計的嵌入式計算機。VG4的處理器采用Motorola PowerPC 755，主頻400MHz，擁有64MB SDRAM，16MB Flash用來(lái)固化操作系統和應用程序，而且提供了豐富的接口。VxWorks操作系統及其應用程序在VG4上運行。由于目標機VG4的資源有限，程序的開(kāi)發(fā)由主機的交叉開(kāi)發(fā)平臺Tornado完成，通過(guò)串口和以太網(wǎng)下載目標代碼并調試。程序開(kāi)發(fā)完成后可以固化在目標機VG4的Flash上，這樣系統每次啟動(dòng)就從Flash加載程序。操作系統應用程序的開(kāi)發(fā)主要采用C語(yǔ)言。系統的數據流如圖1所示。

　　1.1 定時(shí)接口板的設計

　　定時(shí)接口板對于整個(gè)系統實(shí)時(shí)穩定的工作起了關(guān)鍵作用。它產(chǎn)生的定時(shí)脈沖信號控制著(zhù)發(fā)射接收機、A/D采樣板、信號處理板和VG4。

　　定時(shí)接口板通過(guò)VME總線(xiàn)與VG4進(jìn)行數據傳輸。VME總線(xiàn)是一種高性能的背板總線(xiàn)，由于采用高電流總線(xiàn)信號、嚴密的邏輯仲裁，所以具有極強的總線(xiàn)驅動(dòng)能力及較長(cháng)的信號線(xiàn)傳輸路徑，可支持21個(gè)VME板卡的直接相連，信號可靠性非常高。VME總線(xiàn)由于其信號的高穩定性、并行性和高可靠性，被廣泛應用于多DSP系統中。

　　接口板上的FPGA實(shí)現VME橋接功能，使雙口RAM連到VME總線(xiàn)和TS101的總線(xiàn)上，以進(jìn)行數據傳輸。通過(guò)軟件操作VG4控制定時(shí)接口板啟動(dòng)波駐起始脈沖串T0，在每個(gè)波駐起始脈沖產(chǎn)生的同時(shí)產(chǎn)生定時(shí)中斷脈沖，作為每幀定時(shí)信號組的時(shí)間基準。中斷信號通過(guò)VME總線(xiàn)中斷VG4，并作為其中斷請求信號。VG4響應定時(shí)中斷脈沖，向定時(shí)接口板傳送控制參數。定時(shí)接口板據此參數控制信處、AD、收發(fā)設備，并接收信處回傳的檢測結果，傳給VG4進(jìn)行處理和顯示。數據是由外部中斷驅動(dòng)的，所以能滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求。定時(shí)接口板結構如圖2所示。

　　1.2 信號處理板的設計

　　雷達信號處理的實(shí)時(shí)性和連續性要求處理系統應具有較高的數據處理能力。本系統設計時(shí)采用多片DSP構成并行處理系統，以提高系統的數據處理能力。信號處理系統核心單元是美國Analog Devices Inc公司生產(chǎn)的ADSP-TS101，其峰值運算能力可達18億次/秒。它采用了改進(jìn)的靜態(tài)超標量流水結構，可以構成各種不同的并行多處理器系統，較好地滿(mǎn)足了雷達信號處理的要求。

　　為了保證系統的數據吞吐能力，采用數據入口與出口分開(kāi)的方法，系統中各DSP分別接收處理位于不同時(shí)間段的雷達回波信號。為了使各DSP協(xié)調工作，DSP間的通信必不可少。本系統采用共享總線(xiàn)的分布式結構，使得各DSP之間的通信有多種途徑。為了信號處理板的通用性和靈活性，設計由四片DSP組成的共享總線(xiàn)結構子板，各DSP間用鏈路口點(diǎn)對點(diǎn)環(huán)形相連，將各信號線(xiàn)通過(guò)PMC插槽引出，與母板通信。信號處理板結構如圖3所示。