基于PCI總線的雷達視頻采集方案

清華大學電子工程系(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PCI實現(xiàn)高速雷達視頻信號的采集實現(xiàn)方案,并分析了方案中的各個模塊的功能。
　　關鍵詞：雷達視頻 數(shù)據(jù)采集 PCI PC機

　　在傳統(tǒng)的雷達顯示終端中所涉及到的視頻信號是模擬的,隨著計算機技術和IC技術的不斷發(fā)展,使這種模擬信號的數(shù)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,并在實際中得到越來越多的應用。在基于這種技術背景下開展了相應的研究。
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(shù)據(jù)瓶頸在于三方面:AD采樣量化、FIFO讀寫速度和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,最高讀寫速度可以達到133MHz;計算機PCI總線的數(shù)據(jù)帶寬可達到532Mbps,在實際中,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(shù)據(jù)瓶頸主要在于磁盤數(shù)據(jù)訪問速度,普通磁盤的數(shù)據(jù)訪問速度為40Mbps。若數(shù)字化雷達視頻帶寬達到30Mbps、量化深度為8bits,則數(shù)據(jù)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,則距離分辨率將進一步提高。由以上分析可見所采用方案能夠滿足視頻的帶寬要求。
2系統(tǒng)實現(xiàn)的關鍵點
2．1方案中的雷達視頻數(shù)據(jù)流程和結構
　　對于30MHz帶寬的數(shù)字化雷達視頻信號要求實時傳輸,合理地安排數(shù)據(jù)的流程非常重要。其流程如圖1所示。

 
圖1 數(shù)字化視頻信號的流程

　　由底層到應用程序,雷達數(shù)據(jù)主要經過三個數(shù)據(jù)傳輸過程。(1)由數(shù)據(jù)采集卡至設備驅動,在數(shù)據(jù)采集卡中采用了雙FIFO技術,通過DMA單個FIFO一次傳輸一幀雷達數(shù)據(jù),即一個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時傳送,采集卡對FIFO1寫入時,驅動程序通過DMA將FIFO2的數(shù)據(jù)傳入BLK2中,此為數(shù)據(jù)通道CH2,CH1為FIFO1與BLK2之間的通道。在系統(tǒng)中,CH1和CH2分時復用一個DMA通道。(2)驅動程序和顯示應用模塊的數(shù)據(jù)交互,采用了乒乓存儲區(qū)的技術,如圖1所示。當DMA占用BLK1時,顯示應用程序將BLK2中的雷達視頻數(shù)據(jù)讀入,進行數(shù)據(jù)合并、抗異步干擾處理,并實時顯示。(3)驅動模塊與數(shù)據(jù)存儲模塊的數(shù)據(jù)交互,這個交互過程和上面相似,不過,對于BLK1、BLK2的訪問都要和顯示應用程序分時進行。
　　在時序上,各個數(shù)據(jù)通道的詳細分時關系如圖2所示。

 
圖2 數(shù)字化雷達視頻信號在存儲器中的時序

　　如圖2所示,在第N+1個主脈沖回波內,數(shù)據(jù)采集卡將AD變換之后實時數(shù)字雷達信號寫入FIFO2中(數(shù)據(jù)排隊),通過DMA將FIFO2的數(shù)據(jù)傳入BLK1(CH1),同時將BLK2的數(shù)據(jù)傳入顯示應用模塊(CH4)和數(shù)據(jù)存儲模塊(CH6)。
　　由于在CH1～CH6中傳送的數(shù)字化雷達視頻數(shù)據(jù)都有特定的時序,且都是實時數(shù)據(jù),故通道中的數(shù)據(jù)幀格式相對簡單,幀頭沒有同步頭和差錯控制。幀格式如圖3所示。

 
圖3 數(shù)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(qū)信號和圖元信號,這些信號在硬件(數(shù)據(jù)采集卡)中容易實現(xiàn),能節(jié)省軟件的處理時間。在目前的系統(tǒng)中,這些特征信息還用不到,在具體到雷達數(shù)據(jù)的分析時,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(shù)據(jù)采集卡的實現(xiàn)
　　雷達數(shù)據(jù)采集卡在本系統(tǒng)中起到基石的作用,它將由雷達接收機送下來的模擬視頻信號采樣量化,經過量程歸并后,相對于主脈沖對齊,然后加入幀頭信息,通過DMA傳輸給驅動程序。數(shù)據(jù)采集卡的功能結構如圖4所示。

 
圖4 數(shù)據(jù)采集卡結構圖

　　數(shù)據(jù)采集卡共有七個主要模塊:PCI總線控制模塊采用通用芯片PCI9080橋接本地總線和PCI總線;本地總線控制模塊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(jù)主脈沖產生AD的采樣時鐘和量程歸并時鐘;AD采用TLC5540對雷達視頻信號進行采樣量化;MERGE模塊為量程歸并模塊;PACK模塊將由SYN和MERGE模塊送來的方位碼和視頻數(shù)據(jù)打包成幀,并排隊送入FIFO;FIFO模塊將幀結構的雷達數(shù)據(jù)通過DMA傳給驅動程序。在硬件的實現(xiàn)上采用了可編程器件CPLD。
2．3用CPLD實現(xiàn)雙FIFO控制
　　采集卡中數(shù)字化雷達視頻信號在推入FIFO之前要經過打包成幀的處理,這個處理過程通過一片EPM7128SLC84-10實現(xiàn)。其內部的控制邏輯如圖5所示。

 
圖5 數(shù)據(jù)打包成幀的邏輯結構

　　圖3中,數(shù)據(jù)幀的幀頭包含方位信息和數(shù)據(jù)量以及量程信息,這一部分的處理在圖5的head模塊中實現(xiàn);視頻量化深度為8位,并行推入FIFO為16位,這就需要將數(shù)據(jù)移位合并,這個過程在body模塊中通過兩個8位D觸發(fā)器陣列實現(xiàn);在主脈沖前沿需要將幀頭信息插入,這個邏輯控制通過clk模塊中的一個狀態(tài)機實現(xiàn)。狀態(tài)機的轉移圖如圖6所示。

 
圖6 數(shù)據(jù)幀的時序狀態(tài)控制

　　狀態(tài)機的時鐘為數(shù)據(jù)推入時鐘d_merge_clk,狀態(tài)轉移通過主脈沖mainpulse_syn和幀數(shù)據(jù)時鐘d_pack_clk控制,其中d_pack_clk通過d_merge_clk二分頻得到。通過mainpulse的上升沿判斷進入新的一幀數(shù)據(jù),通過d_pack_clk的前兩個時鐘周期(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,也是通過一個狀態(tài)機實現(xiàn)的。狀態(tài)機轉移圖如圖8所示。
　　狀態(tài)機的時鐘為d_merge_clk,通過主脈沖mainpulse_syn控制狀態(tài)轉移,對FIFO1和FIFO2進行輪詢操作。狀態(tài)機的邏輯仿真如圖9所示。

圖7 數(shù)據(jù)幀的時序狀態(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時數(shù)據(jù)采集的實用性和可行性,并提出了一套切實可行的方案,對方案中的關鍵點作了必要的闡述。此項技術的推廣,無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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