基于USB的雷達目標(biāo)檢測及數(shù)據(jù)采集設(shè)計研究

摘    要：本文介紹了一種通過USB接口與主機實現(xiàn)通訊的雷達目標(biāo)檢測與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和工作原理，闡述了檢測與采集的關(guān)鍵技術(shù)，重點說明了使用AN2131QC芯片的USB設(shè)備的開發(fā)流程。
關(guān)鍵詞：USB接口；目標(biāo)檢測；數(shù)據(jù)采集

引言
在雷達數(shù)據(jù)信息的現(xiàn)場處理中，往往要求能迅速、可靠地完成設(shè)備之間的連接。而對于傳統(tǒng)的插口，即使是PNP的，也必須打開機箱進行采集卡、檢測卡的安裝，同時要進行驅(qū)動程序的裝載。此外，外設(shè)的安裝還受到I/O口數(shù)量的限制。本文針對這種情況設(shè)計了基于USB接口的雷達目標(biāo)檢測及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，闡明了其基本工作原理。同時，對USB協(xié)議的實現(xiàn)以及USB設(shè)備的開發(fā)過程進行了較為詳細的闡述。

工作原理
基于USB接口的雷達目標(biāo)檢測及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括：目標(biāo)檢測模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和USB接口模塊。其中，目標(biāo)檢測模塊由8位A/D轉(zhuǎn)換芯片、雙端口RAM、TMS320C31處理器以及FPGA構(gòu)成，而TMS320C31的存儲空間又包括雙端口RAM、FLASH、SRAM、FIFO、以及在FPGA內(nèi)構(gòu)造的FIFO。數(shù)據(jù)采集模塊由12位A/D轉(zhuǎn)換芯片、FPGA、及兩路乒乓存儲器組成。USB模塊由AN2131QC、CPLD、輔助差分輸入電路、8位FIFO組成。目標(biāo)檢測模塊與數(shù)據(jù)采集模塊通過FPGA聯(lián)接，與USB接口模塊之間通過FIFO聯(lián)接。系統(tǒng)基本工作原理如圖1所示。
一路信號首先通過8位A/D轉(zhuǎn)換芯片，進入雙端口RAM進行數(shù)據(jù)緩存。A/D轉(zhuǎn)換頻率由TMS320C31的時鐘輸出通過FPGA組合確定，而采樣信號將在雷達有效作用距離內(nèi)對回波信號進行采集，目的是檢測目標(biāo)是否存在，以及確定目標(biāo)的個數(shù)。TMS320C31對雙端口RAM的數(shù)據(jù)進行讀取和檢測分析后，得到目標(biāo)的方位和距離信息，并同時提供給FIFO和數(shù)據(jù)采集模塊中FPGA內(nèi)的FIFO，以便分別進行主機顯示和形成采集波門。數(shù)據(jù)采集模塊在該采集波門下對目標(biāo)回波進行鎖定精密采集，采集后的數(shù)據(jù)進入“乒乓內(nèi)存”(其特點是等待時間少，傳輸速度快)。USB接口模塊把主機命令提供給TMS320C31，以及將乒乓內(nèi)存中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C中，前者使用中斷傳輸方式，后者使用同步傳輸方式。

設(shè)計與實現(xiàn)
目標(biāo)檢測(結(jié)合USB接口寫)
目標(biāo)檢測模塊原理圖如圖2所示。FPGA+RAM的非相干積累能夠提高雷達系統(tǒng)檢測的性能，其實現(xiàn)原理圖如圖3所示。
采樣率相關(guān)的目標(biāo)檢測算法的基本思想是設(shè)置兩個門限。第一個門限用來在較高虛警、高檢測概率的前提下檢測信號的有無；第二個門限根據(jù)雷達分辨率與采樣率的相對關(guān)系，降低虛警率并判斷實際目標(biāo)是否存在。其實質(zhì)是利用雷達目標(biāo)視頻回波與噪聲視頻輸出在幅度和連續(xù)寬度分布上所呈現(xiàn)的差異，采用基于數(shù)據(jù)信息的距離段聯(lián)合檢測方法來抑制噪聲，確定目標(biāo)的存在。利用FPGA+RAM實現(xiàn)的恒虛警門限檢測原理圖參考圖4所示。
在進行完檢測后，還要進行目標(biāo)的點跡凝聚和目標(biāo)的跟蹤。所謂的點跡凝聚就是在方位上確定目標(biāo)所在中心方位值的大小，其基本思想是：由于利用門限檢測，在相鄰多幀的相應(yīng)位置都將檢測出目標(biāo)。但是，不能簡單地將每幀中超過門限值的每一點都當(dāng)作單個目標(biāo)來處理，而只能作為目標(biāo)的某個散射點。根據(jù)距離分辨率和相鄰幀目標(biāo)位置的相關(guān)性，應(yīng)當(dāng)把處于一定空間范圍內(nèi)地點作為同一個目標(biāo)點來處理。當(dāng)有目標(biāo)出現(xiàn)時，在當(dāng)前幀中檢測。先將目標(biāo)位置記錄下來，然后進行下一幀的檢測。將記錄下的目標(biāo)數(shù)據(jù)與下一幀檢測目標(biāo)數(shù)據(jù)進行比較，若有相關(guān)(也就是在一定范圍內(nèi))，則說明下一幀檢測到的目標(biāo)即為上一幀檢測到的目標(biāo)。若無相關(guān)，則表示該目標(biāo)消失，這時可以確定目標(biāo)所在的中心位置。把在下一幀中檢測到所有的目標(biāo)與以前保存的檢測到的所有目標(biāo)進行比較，若有相關(guān)，則仍然保持以前的相關(guān)目標(biāo)位置數(shù)據(jù)。若無相關(guān)，則表示一個新的目標(biāo)出現(xiàn)，記錄下該目標(biāo)的位置所在，將保留的數(shù)據(jù)再與下一幀的檢測數(shù)據(jù)進行比較。跟蹤是指雷達系統(tǒng)能連續(xù)不斷地測量目標(biāo)的某些特定的參數(shù)值，要對多個目標(biāo)進行跟蹤。首先，要完成對目標(biāo)回波信號的檢測、目標(biāo)空間位置參數(shù)的估計和預(yù)處理，即進行點跡錄取。然后，對由信號處理得到的測量值，進行航跡起始、相關(guān)互聯(lián)、航跡預(yù)測、濾波及航跡消亡。此外，在跟蹤過程中，還需要識別要跟蹤的目標(biāo)個數(shù)，以及目標(biāo)的動態(tài)特性。本系統(tǒng)采用的是在目標(biāo)運動的連續(xù)性原理下的多目標(biāo)跟蹤算法，該算法允許跟蹤過程中目標(biāo)丟失，它可以在目標(biāo)再次出現(xiàn)時重新對其進行跟蹤。算法的基本思路如下：目標(biāo)的運動軌跡是連續(xù)的，各階導(dǎo)數(shù)也是連續(xù)的，由采樣定理可知，只要雷達對目標(biāo)運動采樣的頻率足夠高，利用目標(biāo)位置結(jié)合目標(biāo)的運動參數(shù)特征和目標(biāo)軌跡，就能外推、擬合出目標(biāo)的運動軌跡，實現(xiàn)雷達多目標(biāo)的邊掃描、邊跟蹤。
主機通過USB口給檢測模塊中的DSP發(fā)送工作命令，而DSP發(fā)檢測結(jié)果發(fā)給主機。這部分?jǐn)?shù)據(jù)量少，但是要求準(zhǔn)確。USB的中斷傳輸方式雖準(zhǔn)確，但是不能進行大量數(shù)據(jù)的實時傳輸。因此本設(shè)計采用中斷傳輸方式對這部分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸。
數(shù)據(jù)采集
檢測模塊中，數(shù)據(jù)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，經(jīng)鎖存進入雙端口RAM；數(shù)據(jù)采集模塊中，數(shù)據(jù)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，經(jīng)鎖存進入SRAM。這些數(shù)據(jù)在保存之前需加數(shù)據(jù)頭，數(shù)據(jù)頭可保證DSP和主機正確讀取一幀數(shù)據(jù)。具體實現(xiàn)的電路原理圖如圖5所示。
保存精確采集數(shù)據(jù)的存儲器采用了兩路乒乓存儲技術(shù)。這樣使得采集數(shù)據(jù)與傳輸數(shù)據(jù)得以同時進行使系統(tǒng)能不間斷地采集數(shù)據(jù)，從而滿足長時測距的要求。其硬件實現(xiàn)的框圖如圖6所示。
USB接口部分使用的芯片是AN2131QC。該芯片內(nèi)部包括兩大部分。一部分是一個在USB1.1協(xié)議基礎(chǔ)上對信號進行編碼譯碼的EZUSB內(nèi)核，稱為SIE；另外一部分是一個增強的8051單片機，內(nèi)含8K大小的RAM。設(shè)計的思路是利用該芯片的自裝載特性，把8051程序從PC機下載到8051內(nèi)的RAM中，然后8051運行該程序，設(shè)備實現(xiàn)再次枚舉，以后就由EZUSB內(nèi)核自動進行數(shù)據(jù)的傳輸和發(fā)送。命令由主機應(yīng)用程序發(fā)出，通過驅(qū)動程序取得設(shè)備的句柄，從而實現(xiàn)對設(shè)備的讀寫控制。讀寫的傳輸方式用到同步傳輸和中斷傳輸。同步傳輸方式把存儲在乒乓存儲器中的精采數(shù)據(jù)傳往PC主機，為此在采集FPGA內(nèi)部形成與EZUSB芯片數(shù)據(jù)線連接的接口電路。EZUSB芯片的數(shù)據(jù)線為8位，存儲器數(shù)據(jù)線為24位，F(xiàn)PGA實現(xiàn)了24位到8位的轉(zhuǎn)變。USB芯片將讀出的數(shù)據(jù)自動放入SIE內(nèi)核的2K大小的FIFO緩存區(qū)內(nèi)，由SIE內(nèi)核自動與主機進行傳輸。中斷傳輸方式將主機的命令發(fā)給DSP以及將DSP保存在FIFO內(nèi)的檢測結(jié)果發(fā)送給主機。
驅(qū)動程序的編寫
在Windows內(nèi)執(zhí)行的USB設(shè)備驅(qū)動程序，必須符合Microsoft定義的Win32驅(qū)動程序模型(Win32 Driver Model，WDM)規(guī)格。CYPRESS公司提供了一個通用設(shè)備驅(qū)動程序(EZUSB.SYS)，對于使用AN2131Q的設(shè)備，可以利用該程序來實現(xiàn)應(yīng)用程序?qū)υO(shè)備的讀寫。應(yīng)用程序的編寫可以使用VB、Delphi等工具。應(yīng)用程序利用CREATFILE()取得訪問設(shè)備驅(qū)動程序的句柄，然后又使用DEVICEIO CONTROLL()提交I/O控制碼，并為CREATFILE函數(shù)返回的設(shè)備句柄設(shè)置I/O緩沖區(qū)。

結(jié)語
本系統(tǒng)速率能夠達到1MB/S，能較好地完成數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。但是，對于要求更高數(shù)據(jù)傳輸速率的設(shè)備而言，必須采用能實現(xiàn)USB2.0協(xié)議的芯片，下一步工作將進一步對USB2.0芯片的應(yīng)用以及驅(qū)動程序、固件對傳輸速率的影響進行研究?！?/P>

參考文獻
1 顏榮江. EZ-USB 2100系列單片機原理、編程及應(yīng)用. 北航出版社