基于Linux平臺(tái)的天氣雷達(dá)高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

Linux是開放源代碼、網(wǎng)絡(luò)化的操作系統(tǒng)，具有穩(wěn)定、高效、內(nèi)核可自由配置等特點(diǎn)。采用Linux 操作系統(tǒng)作為開發(fā)平臺(tái)與采用VxWorks 和Windows 作為開發(fā)平臺(tái)相比不僅有免費(fèi)的優(yōu)勢(shì)，而且對(duì)于發(fā)展核心技術(shù)，提高信息安全有著極其重要的意義，是自主研發(fā)的一個(gè)方向。隨著我國天氣雷達(dá)的快速發(fā)展，天氣雷達(dá)在民用和軍事領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。目前，天氣雷達(dá)高速數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)裙δ艽蠖蓟赪indows平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)由Windows平臺(tái)向Linux平臺(tái)的轉(zhuǎn)換，對(duì)于發(fā)展中國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)氣象軟件核心技術(shù), 提高信息安全有著極其重要的意義。本文基于Linux 操作系統(tǒng)(2.6.23內(nèi)核)，實(shí)現(xiàn)了天氣雷達(dá)高速數(shù)據(jù)采集及處理，對(duì)天氣雷達(dá)系統(tǒng)由Windows平臺(tái)向Linux平臺(tái)移植具有參考價(jià)值。

1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分析

1.1 工作原理

天氣雷達(dá)高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由I/Q數(shù)據(jù)采集、FIFO緩沖、FPGA控制模塊及PCI總線芯片PLX9054組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

其核心部分為FPGA控制模塊，主要實(shí)現(xiàn)4個(gè)功能:(1)根據(jù)雷達(dá)量程和距離分辨率調(diào)整AD采樣時(shí)鐘的頻率；(2)控制AD兩路采樣數(shù)據(jù)寫入FIFO 緩沖以及DMA 傳輸時(shí)從FIFO中連續(xù)讀出數(shù)據(jù)； (3)與PCI總線控制芯片PLX9054 進(jìn)行控制交互, 實(shí)現(xiàn)局部總線的讀寫控制、地址譯碼和中斷觸發(fā)；(4)與PLX9054 進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，使用FPGA內(nèi)部RAM保存控制天氣雷達(dá)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)工作的命令及數(shù)據(jù)，完成對(duì)雷達(dá)工作的控制。

I/Q數(shù)據(jù)采集輸出數(shù)據(jù)速度為2.4 Mb/s(I、Q數(shù)據(jù)各為24 bit)，通過FPGA控制，合并寫入到FIFO緩沖。FIFO緩沖為32 bit、深度為16 KB的數(shù)據(jù)緩存，有效位為24 bit；與計(jì)算機(jī)總線的接口采用32 bit的PCI總線接口芯片PLX9054，PC機(jī)通過它完成與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互。

1.2 PC機(jī)與采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)訪問

1.2.1 局部地址分配

PC機(jī)與天氣雷達(dá)高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)訪問通過PCI總線芯片PLX9054實(shí)現(xiàn)，訪問目標(biāo)為FIFO緩沖和FPGA片內(nèi)RAM。對(duì)FIFO緩沖和FPGA片內(nèi)RAM分配不同局部地址，通過對(duì)局部地址總線進(jìn)行譯碼確定需要訪問的目標(biāo)。FIFO 數(shù)據(jù)采用DMA傳輸方式連續(xù)讀出, 每次傳輸長度最大為8 KB,因此,設(shè)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(nèi)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。