PCI总线控制雷达视频采集的设计方案

随着计算机技术和IC技术的不断发展,使得数字化雷达视频的存储和远距离传输在实际中得到越来越多的应用。

    　　1 视频采集方案可行性分析

　　考虑：方案的设计主要考虑雷达视频带宽,即距离分辨率。在采集卡部分影响带宽的数据瓶颈在于三方面:AD采样量化、FIFO读写速度和PCI的DMA速度。

　　方案：硬件方案中采用TLC5540,最高采样率可以达到40MHz,采样深度为8bits;FIFO采用IDT72V36100,最高读写速度可以达到 133MHz;计算机PCI总线的数据带宽可达到532Mbps,

　　实现：在实际中,由于受硬件环境,如主机板和CPU的影响,采用133Mbps的PCI卡。在 PC机部分数据瓶颈主要在于磁盘数据访问速度,普通磁盘的数据访问速度为40Mbps。若数字化雷达视频带宽达到30Mbps、量化深度为8bits,则 数据采样率为30MHz,距离分辨率为300,000,000/2/30,000,000=5m,这样的分辨率能够满足一般的导航和警戒雷达。若量化深度 降低,则距离分辨率将进一步提高。由以上分析可见所采用方案能够满足视频的带宽要求。

　　2系统实现的关键点

　　

 

　　图1 数字化视频信号的流程

　　由底层到应用程序,雷达数据主要经过三个数据传输过程。(1)由数据采集卡至设备驱动,在数据采集卡中采用了双FIFO技术,通过DMA单个 FIFO一次传输一帧雷达数据,即一个主脉冲正程的雷达回波信号。这里双FIFO的作用在于信号的实时传送,采集卡对FIFO1写入时,驱动程序通过 DMA将FIFO2的数据传入BLK2中,此为数据通道CH2,CH1为FIFO1与BLK2之间的通道。在系统中,CH1和CH2分时复用一个DMA通 道。(2)驱动程序和显示应用模块的数据交互,采用了乒乓存储区的技术,如图1所示。当DMA占用BLK1时,显示应用程序将BLK2中的雷达视频数据读 入,进行数据合并、抗异步干扰处理,并实时显示。(3)驱动模块与数据存储模块的数据交互,这个交互过程和上面相似,不过,对于BLK1、BLK2的访问 都要和显示应用程序分时进行。

　　在时序上,各个数据通道的详细分时关系如图2所示。

　　

 

　　图2 数字化雷达视频信号在存储器中的时序

　　如图2所示,在第N+1个主脉冲回波内,数据采集卡将AD变换之后实时数字雷达信号写入FIFO2中(数据排队),通过DMA将FIFO2的数据传入BLK1(CH1),同时将BLK2的数据传入显示应用模块(CH4)和数据存储模块(CH6)。

　　由于在CH1～CH6中传送的数字化雷达视频数据都有特定的时序,且都是实时数据,故通道中的数据帧格式相对简单,帧头没有同步头和差错控制。帧格式如图3所示。

　　

 

　　图3 数字化视频信息的帧格式

　　在帧头高字位给出13位方位码,同时预留出高3位,用以传输方位码的特征信息,如正北信号、扇区信号和图元信号,这些信号在硬件(数据采集卡) 中容易实现,能节省软件的处理时间。在目前的系统中,这些特征信息还用不到,在具体到雷达数据的分析时,这些信息能起到很重要的作用。帧头的低字位给出距 离信息,包括低4位的量程信息和高12位的距离采样深度。

　　2.2 数据采集卡的实现

　　雷达数据采集卡在本系统中起到基石的作用,它将由雷达接收机送下来的模拟视频信号采样量化,经过量程归并后,相对于主脉冲对齐,然后加入帧头信息,通过DMA传输给驱动程序。数据采集卡的功能结构如图4所示。

　　

 

　　图4 数据采集卡结构图

　　数据采集卡共有七个主要模块:PCI总线控制模块采用通用芯片PCI9080桥接本地总线和PCI总线;本地总线控制模块CM负责卡内控制信号 和状态信号的交互;SYN为外部方位码和主脉冲的同步模块,它根据主脉冲产生AD的采样时钟和量程归并时钟;AD采用TLC5540对雷达视频信号进行采 样量化;MERGE模块为量程归并模块;PACK模块将由SYN和MERGE模块送来的方位码和视频数据打包成帧,并排队送入FIFO;FIFO模块将帧 结构的雷达数据通过DMA传给驱动程序。在硬件的实现上采用了可编程器件CPLD。

　　2.3用CPLD实现双FIFO控制

　　采集卡中数字化雷达视频信号在推入FIFO之前要经过打包成帧的处理,这个处理过程通过一片EPM7128SLC84-10实现。其内部的控制逻辑如图5所示。

　　

 

　　图5 数据打包成帧的逻辑结构

　　图3中,数据帧的帧头包含方位信息和数据量以及量程信息,这一部分的处理在图5的head模块中实现;视频量化深度为8位,并行推入FIFO为 16位,这就需要将数据移位合并,这个过程在body模块中通过两个8位D触发器阵列实现;在主脉冲前沿需要将帧头信息插入,这个逻辑控制通过clk模块 中的一个状态机实现。状态机的转移图如图6所示。

　　

 

　　图6 数据帧的时序状态控制

　　状态机的时钟为数据推入时钟d_merge_clk,状态转移通过主脉冲mainpulse_syn和帧数据时钟d_pack_clk控制,其 中d_pack_clk通过d_merge_clk二分频得到。通过mainpulse的上升沿判断进入新的一帧数据,通过d_pack_clk的前两个 时钟周期(head_sel=1,2)插入帧头。状态机的逻辑仿真如图7所示。

　　对于双FIFO的乒乓操作,也是通过一个状态机实现的。状态机转移图如图8所示。

　　状态机的时钟为d_merge_clk,通过主脉冲mainpulse_syn控制状态转移,对FIFO1和FIFO2进行轮询操作。状态机的逻辑仿真如图9所示。

　　

 

　　图7 数据帧的时序状态机的逻辑仿真

　　

 

　　图8 双FIFO的兵乓操作状态控制

　　

 

　　图9 双FIFO的乒乓操作状态控制仿真

　　本文论证了雷达视频实时数据采集的实用性和可行性,并提出了一套切实可行的方案。此项技术的推广,无疑将提高雷达视频终端的兼容性、可移植性和通用性。