基于FPGA的機(jī)載合成孔徑雷達(dá)數(shù)字信號(hào)處理機(jī)接口板卡的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：介紹基于ＦＰＧＡ芯片實(shí)現(xiàn)的機(jī)載合成孔徑雷達(dá)數(shù)字信號(hào)處理機(jī)接口板卡。該接口板卡負(fù)責(zé)將輸入數(shù)據(jù)緩存和信息格式轉(zhuǎn)換，然后打包成處理機(jī)需要的數(shù)據(jù)幀發(fā)送到信號(hào)處理機(jī)，并具有ＰＣＩ接口功能和在線自檢測(cè)功能。著重介紹了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和軟件實(shí)現(xiàn)功能，給出了選用的主要芯片的型號(hào)。該接口板已應(yīng)用于某合成孔徑雷達(dá)數(shù)字信號(hào)處理機(jī)中，整機(jī)使用證明該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)中要求的功能。 關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)接口 LINK口 現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 PCI接口 機(jī)載合成孔徑雷達(dá)（Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ Ａｐｅｒｔｕｒｅ Ｒａｄａｒ，簡(jiǎn)稱ＳＡＲ）是以“合成孔徑”原理和脈沖壓縮技術(shù)為理論基礎(chǔ)，以高速數(shù)字處理和精確運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償為前提條件的高分辨率成像雷達(dá)。對(duì)于機(jī)載合成孔徑雷達(dá)成像處理來(lái)講，僅有目標(biāo)的原始回波數(shù)據(jù)是不夠的，還必須獲得雷達(dá)和載機(jī)的參數(shù)。另外，為了滿足信號(hào)處理機(jī)實(shí)時(shí)處理的要求，要求輸入到處理機(jī)的各種數(shù)據(jù)符合處理機(jī)成像處理的數(shù)據(jù)格式。這樣，處理機(jī)在獲得數(shù)據(jù)幀后就可以直接進(jìn)行成像處理而不必再有格式轉(zhuǎn)換的開銷。但是 目標(biāo)的原始回波數(shù)據(jù)與雷達(dá)和 載機(jī)的參數(shù)數(shù)據(jù)來(lái)自兩個(gè)不同的設(shè)備它們的數(shù)據(jù)格式和時(shí)序都是由各自的設(shè)備確定的，因此信號(hào)處理機(jī)便面臨著與外圍設(shè)備接口的問題。 １ 系統(tǒng)功能 在本機(jī)載合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)中，進(jìn)出接口板卡的數(shù)據(jù)流包括數(shù)據(jù)采集設(shè)備輸入的原始回波數(shù)據(jù)、監(jiān)控設(shè)備輸入的雷達(dá)和載機(jī)的參數(shù)數(shù)據(jù)以及輸出到處理機(jī)的成像處理數(shù)據(jù)。它們有如下特點(diǎn)：①輸入數(shù)據(jù)流的速度和時(shí)序不匹配。數(shù)據(jù)采集設(shè)備和監(jiān)控設(shè)備是兩個(gè)異步的系統(tǒng)，它們都有自己的定時(shí)控制電路，以自己的速度傳輸數(shù)據(jù)。②輸入輸出數(shù)據(jù)流的信息格式不匹配。數(shù)據(jù)采集設(shè)備輸入的原始回波數(shù)據(jù)和監(jiān)控設(shè)備輸入的雷達(dá)和載機(jī)的參數(shù)數(shù)據(jù)采用ＦＰＤＰ協(xié)議傳輸，接口板卡輸出到處理機(jī)的數(shù)據(jù)采用Ｌｉｎｋ口傳輸協(xié)議進(jìn)行傳輸。 考慮到進(jìn)出接口板卡數(shù)據(jù)流的特點(diǎn)和雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)接口板卡的控制要求，接口板卡要具有如下功能： （１）設(shè)置數(shù)據(jù)的緩沖、存儲(chǔ)邏輯，以適應(yīng)不同設(shè)備之間的速度差異和時(shí)序差異； （２）進(jìn)行信息格式轉(zhuǎn)換，將目標(biāo)的原始回波數(shù)據(jù)與雷達(dá)和載機(jī)的參數(shù)數(shù)據(jù)打包，插入相應(yīng)的幀信息形成處理機(jī)要求的數(shù)據(jù)幀，并控制數(shù)據(jù)流的走向； （３）實(shí)現(xiàn)ＰＣＩ接口，能夠產(chǎn)生ＰＣＩ中斷； （４）具有在線自檢測(cè)功能。 ２ 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，增加系統(tǒng)的靈活性，采用ＦＰＧＡ芯片實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)要求的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、打包、分發(fā)和邏輯控制功能。數(shù)據(jù)緩存采用硬件ＦＩＦＯ和軟件雙口ＲＡＭ。ＰＣＩ接口采用專用接口芯片實(shí)現(xiàn)。硬件ＦＩＦＯ和軟件雙口ＲＡＭ的寫時(shí)鐘分別由各自的ＦＰＤＰ接口提供，其它時(shí)鐘由接口板上的晶振提供。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖１所示。 ２．１ 輸入數(shù)據(jù)流的緩存方案 為了適應(yīng)處理機(jī)與數(shù)據(jù)采集設(shè)備和監(jiān)控設(shè)備之間的速度差異，解決速度不匹配問題，需要將輸入的數(shù)據(jù)先進(jìn)行緩存。數(shù)據(jù)采集設(shè)備送入的原始回波數(shù)據(jù)每幀的數(shù)據(jù)量比較大，接口板卡上設(shè)計(jì)了硬件ＦＩＦＯ作為原始回波數(shù)據(jù)的緩存器，ＦＩＦＯ的讀寫使能由ＦＰＧＡ編程控制，寫時(shí)鐘由ＦＰＤＰ接口提供，讀時(shí)鐘由接口板卡上的晶振提供。數(shù)據(jù)采集設(shè)備和監(jiān)控設(shè)備是兩個(gè)異步的系統(tǒng)，雷達(dá)參數(shù)數(shù)據(jù)流和原始回波數(shù)據(jù)流之間沒有同步關(guān)系，一幀雷達(dá)參數(shù)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)幾幀原始回波數(shù)據(jù)，因此設(shè)計(jì)中用雙口ＲＡＭ作為雷達(dá)參數(shù)數(shù)據(jù)的緩存器。另外，每幀雷達(dá)參數(shù)的數(shù)據(jù)量比較小，本設(shè)計(jì)在ＦＰＧＡ內(nèi)利用參數(shù)化的模塊庫(kù)（Ｌｉｂｒａｒｙ ｏｆ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｉｚｅｄ Ｍｏｄｕｌｅｓ，簡(jiǎn)稱ＬＰＭ）中的ｌｐｍ＿ｒａｍ＿ｄｐ編程實(shí)現(xiàn)雙口ＲＡＭ，簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)。 ２．２ ＰＣＩ接口設(shè)計(jì) 實(shí)現(xiàn)ＰＣＩ接口的方案一般有兩種：采用可編程邏輯器件和采用專用總線接口器件。采用可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)ＰＣＩ接口的最大好處是比較靈活，缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)難度較高，開發(fā)周期較長(zhǎng)。采用專用接口器件實(shí)現(xiàn)雖然沒有采用可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)那么靈活，但能夠有效地降低接口設(shè)計(jì)的難度，縮短開發(fā)時(shí)間。本系統(tǒng)采用專用接口器件ＰＣＩ９０５２實(shí)現(xiàn)接口板卡的ＰＣＩ接口。 接口板卡的硬件資源為映射到ＦＰＧＡ內(nèi)部寄存器的Ｉ／Ｏ映射空間和一個(gè)中斷源。ＰＣＩ９０５２提供５個(gè)局部地址空間，選用Ｓｐａｃｅ０作為接口板的地址空間，分配１６個(gè)８位地址。同時(shí)設(shè)置相應(yīng)的初始化，ＰＣＩ配置寄存器中的ＰＣＩＢＡＲ２設(shè)置為０ＸＦＦＦＦＦＦＦ０，向系統(tǒng)請(qǐng)求分配內(nèi)存的數(shù)量為１６。設(shè)置局部地址空間的范圍為０Ｘ０１００００００～０Ｘ０１００００１０。ＰＣＩ９０５２提供兩個(gè)局部中斷源，選用ＬＩＮＴｉ１。ＦＰＧＡ提供電平觸發(fā)中斷信號(hào)，因此ＰＣＩ９０５２的中斷觸發(fā)模式設(shè)置為電平觸發(fā)。利用ＰＣＩ９０５２的局部設(shè)備片選信號(hào)ＣＳ０＃作為ＦＰＧＡ的片選信號(hào)。ＣＳ０＃片選信號(hào)的起始地址和地址范圍由ＣＳ０ Ｂａｓｅ Ａｄｄｒｅｓｓ寄存器的設(shè)置值０ｘ０１００００１１決定，即起始地址為１００００００ｈ，地址范圍為２０ｈ。ＰＣＩ９０５２寄存器的初始值由串行ＥＥＰＲＯＭ提供，在ＰＣＩ９０５２加電后讀取。ＥＥＰＲＯＭ必須采用支持連讀功能的芯片，本設(shè)計(jì)中采用ＦａｉｒＣｈｉｌｄ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ公司的９３ＣＳ４６Ｎ。 ２．３ ＦＰＧＡ的配置設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)為ＦＰＧＡ提供了兩種配置方式：主動(dòng)串行配置和被動(dòng)串行配置。 主動(dòng)串行配置由ＥＰＣ２向ＦＰＧＡ器件輸入串行位流的配置數(shù)據(jù)。在該配置方式下，一直由ＦＰＧＡ控制著配置過程。在加電過程中，ＦＰＧＡ檢測(cè)到ｎＣＯＮＦＩＧ由低到高的跳變時(shí)，就開始準(zhǔn)備配置。ＦＰＧＡ將ＣＯＮＦ＿ＤＯＮＥ拉低，驅(qū)動(dòng)ＥＰＣ２的ｎＣＳ為低，而ｎＳＴＡＴＵＳ引腳釋放并由上拉電阻拉至高電平使能ＥＰＣ２。此后，ＥＰＣ２就用其內(nèi)部振蕩器的時(shí)鐘將數(shù)據(jù)串行地從ＥＰＣ２ＤＡＴＡ輸送到ＦＰＧＡＤＡＴＡ０。當(dāng)配置完成后，ＦＰＧＡ釋放ＣＯＮＦ＿ＤＯＮＥ，將ＥＰＣ２與系統(tǒng)隔離。 被動(dòng)串行配置由編程硬件通過ＢｙｔｅＢｌａｓｔｅｒ配置。ＢｙｔｅＢｌａｓｔｅｒ產(chǎn)生一個(gè)由低到高的跳變送到ｎＣＯＮＦＩＧ引腳，然后由編程硬件將配置數(shù)據(jù)送到ＤＡＴＡ０引腳，該數(shù)據(jù)鎖存至ＣＯＮＦ＿ＤＯＮＥ變?yōu)楦唠娖綖橹埂．?dāng)ＣＯＮＦ＿ＤＯＮＥ變成高電平時(shí)，用ＤＣＬＫ的１０個(gè)周期初始化ＦＰＧＡ，器件的初始化由下載電纜自動(dòng)執(zhí)行。 為了兩種配置方式共存，設(shè)計(jì)中用撥碼開關(guān)將ＥＰＣ２與ＦＰＧＡ和ＢｙｔｅＢｌａｓｔｅｒ的下載電纜插座隔離。當(dāng)用被動(dòng)串行方式配置時(shí)，撥碼開關(guān)斷開，由上位機(jī)通過ＢｙｔｅＢｌａｓｔｅｒ下載電纜加載ＦＰＧＡ。當(dāng)用主動(dòng)串行方式配置時(shí)，撥碼開關(guān)接通，由ＥＰＣ２加載ＦＰＧＡ。電路圖如圖２所示。 ２．４ 在線自檢測(cè)功能 板卡設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)考慮便于日常調(diào)試維護(hù)及故障檢測(cè)定位。板卡在硬件上針對(duì)各電源信號(hào)和關(guān)鍵的狀態(tài)信號(hào)設(shè)計(jì)了信號(hào)燈，一旦發(fā)現(xiàn)有誤，便可給出信號(hào)觸發(fā)該電路板上的信號(hào)燈告警，定位系統(tǒng)故障。另外在電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)留出測(cè)試孔，以增加電路的可測(cè)性。 ３ 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)上電后， ＰＣＩ上電復(fù)位，ＦＩＦＯ清零。上位機(jī)向相應(yīng)寄存器寫入初始值，完成寄存器設(shè)置。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)信號(hào)有效時(shí)，接口板開始接收數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)打包和分發(fā)，直到上位機(jī)向接口板卡寫停止命令為止。圖３給出了系統(tǒng)工作流程圖。 ３．１ 數(shù)據(jù)的打包和流向控制 雷達(dá)參數(shù)數(shù)據(jù)和原始回波數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)源是異步的，不能保證兩者確切的對(duì)應(yīng)關(guān)系，接口板卡利用對(duì)緩存原始回波數(shù)據(jù)ＦＩＦＯ和緩存雷達(dá)參數(shù)數(shù)據(jù)雙口ＲＡＭ的讀寫控制，調(diào)整雷達(dá)參數(shù)數(shù)據(jù)和原始回波數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系，將兩種數(shù)據(jù)源按處理機(jī)要求的輸入數(shù)據(jù)格式組成正確的數(shù)據(jù)幀。雷達(dá)參數(shù)數(shù)據(jù)和原始回波數(shù)據(jù)打包后的數(shù)據(jù)幀格式如下： 在程序中，設(shè)計(jì)了雷達(dá)參數(shù)發(fā)送控制計(jì)數(shù)器Ｐａｒａ＿ｃｏｕｎｔｅｒ和回波數(shù)據(jù)發(fā)送控制計(jì)數(shù)器Ｄａｔａ＿ｃｏｕｎｔｅｒ。系統(tǒng)工作后，每次檢測(cè)到原始回波數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)有效信號(hào)ｄａｔａ＿ｖａｌｉｄ的上升沿（標(biāo)記收到完整的一幀回波數(shù)據(jù)）時(shí)，啟動(dòng)雷達(dá)參數(shù)發(fā)送控制計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)到設(shè)定的值（本設(shè)計(jì)中為２５）時(shí)停止計(jì)數(shù)并啟動(dòng)回波數(shù)據(jù)發(fā)送控制計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)到設(shè)定的值（本設(shè)計(jì)中為５０００）時(shí)停止計(jì)數(shù)。當(dāng)檢測(cè)到原始回波數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)有效信號(hào)ｄａｔａ＿ｖａｌｉｄ的下降沿（標(biāo)記開始接收新的一幀回波數(shù)據(jù)）時(shí)，兩個(gè)計(jì)數(shù)器都清零。根據(jù)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值產(chǎn)生Ｌｉｎｋ口選擇信號(hào)確定數(shù)據(jù)的流向。圖４給出了數(shù)據(jù)流向的示意圖。圖５給出了基于ＭＡＸＰＬＵＳⅡ１０．０的仿真結(jié)果，仿真顯示正確地實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)打包和流向控制。 圖3 系統(tǒng)工作流程圖 ３．２ Ｌｉｎｋ口傳輸協(xié)議的實(shí)現(xiàn) Ｌｉｎｋ口的數(shù)據(jù)傳輸是在同步時(shí)鐘線（ＬｘＣＬＫ）與應(yīng)答線（ＬｘＡＣＫ）相互握手的情況下同步傳輸?shù)?。一個(gè)傳輸字為３２ｂｉｔ，Ｌｉｎｋ口以４ｂｉｔ為單位進(jìn)行傳輸。在ＬｘＣＬＫ上升沿，發(fā)送端會(huì)發(fā)送一個(gè)新的４ｂｉｔ數(shù)據(jù)，在ＬｘＣＬＫ的下降沿，接收方鎖存數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)。８?jìng)€(gè)４ｂｉｔ數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，如果接收方準(zhǔn)備好接收下一個(gè)字，則將ＬｘＡＣＫ置１。發(fā)送方在每次發(fā)送新字的第一個(gè)４ｂｉｔ時(shí)對(duì)ＬｘＡＣＫ采樣，如果ＬｘＡＣＫ為０，表明接收方?jīng)]有準(zhǔn)備好，則發(fā)送方保持ＬｘＣＬＫ為高電平，且數(shù)據(jù)線上保持當(dāng)前的４ｂｉｔ數(shù)據(jù)，直到接收方將ＬｘＡＣＫ置１，發(fā)送方才將 ＬｘＣＬＫ下拉，并繼續(xù)發(fā)送新的數(shù)據(jù)。當(dāng)發(fā)送方緩存為空時(shí)，表明沒有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，則ＬｘＣＬＫ保持為低電平。接口板利用ＶＨＤＬ語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了Ｌｉｎｋ口傳輸協(xié)議。下面給出了關(guān)鍵的程序片斷： ＣｈａｎｇｅＳｔａｔｅＭｏｄｅｐｒｏｃｅｓｓＮｉｂｌｅＣｏｕｎｔｅｍｐｔｙＬｘＡＣＫＰｒｅｓｅｎｔＳｔａｔｅｅｍｐｔｙ ｂｅｇｉｎ ｃａｓｅ ＰｒｅｓｅｎｔＳｔａｔｅ ｉｓ ｗｈｅｎ ＳｅｎｄＡＣＫ ＝＞ ｉｆ ＬｘＡＣＫ＝＇１＇ ａｎｄ ｅｍｐｔｙ＝＇０＇ ｔｈｅｎ ＮｅｘｔＳｔａｔｅ＜＝Ｓｅｎｄ ｅｌｓｅ ＮｅｘｔＳｔａｔｅ＜＝ＳｅｎｄＡＣＫ ｅｎｄ ｉｆ ｗｈｅｎ Ｓｅｎｄ ＝＞ ｉｆ ＮｉｂｌｅＣｏｕｎｔ／＝ ３ ｏｒ ＮｉｂｌｅＣｏｕｎｔ＝３ ａｎｄ ｅｍｐｔｙ＝＇０＇ａｎｄ ＬｘＡｃｋ＝＇１＇ ｔｈｅｎ ＮｅｘｔＳｔａｔｅ＜＝Ｓｅｎｄ ｅｌｓｅ ＮｅｘｔＳｔａｔｅ＜＝ＳｅｎｄＡＣＫ ｅｎｄ ｉｆ ｅｎｄ ｃａｓｅ ｅｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓ ｃｈａｎｇｅｓｔａｔｅｍｏｄｅ 圖5 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)仿真時(shí)序較 ４ 應(yīng)用和結(jié)論 目前該接口板已經(jīng)完成了電路設(shè)計(jì)、軟件仿真和制板，并應(yīng)用到某機(jī)載合成孔徑雷達(dá)數(shù)字信號(hào)處理機(jī)中。接口板卡位于信號(hào)處理機(jī)的前端，通過ＣＰＣＩ機(jī)箱的前面板接口，采用一塊ＰＭＣ子板實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)采用了圖１所示的體系結(jié)構(gòu)，鎖存器選用ＴＩ公司的ＳＮ７４ＬＶＴ１６３７４，時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)芯片選用ＩＤＴ公司的ＩＤＴ４９ＦＣＴ３８０５ＡＰＹ，ＦＩＦＯ選用ＩＤＴ公司的ＩＤＴ７２Ｖ３６１１０，ＰＣＩ接口芯片選用ＰＬＸ９０５２，ＦＰＧＡ選用Ａｌｔｅｒａ公司的ＥＰ１Ｋ１００ＦＣ２５６－１。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室階段和外廠試驗(yàn)，接口板都工作正常，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。 合成孔徑雷達(dá)相關(guān)文章:合成孔徑雷達(dá)原理