基于OMAP3530的船用導航雷達終端軟件開發(fā)設(shè)計

唐維智，鄭 浩，李志剛

（中國電子科技集團公司第二十八研究所，江蘇 南京 210007）

OMAP3530是TI公司提出的基于ARM和DSP的雙核應(yīng)用處理器[1]，在單個芯片上集成了ARM Cortex-A8內(nèi)核、TMS320C64X+DSP內(nèi)核、圖像引擎、視頻加速器以及豐富的多媒體外設(shè)。用ARM作為應(yīng)用處理器進行多樣化的應(yīng)用開發(fā)，實現(xiàn)用戶界面接口，能夠保證實時性和編碼效率，降低開發(fā)成本；利用DSP進行算法加速，既能夠保持算法的靈活性，又能提供強大的處理能力。

船用導航雷達作為重要的無線電輔助導航設(shè)備，在船舶近海定位、引導船舶進出港口、惡劣天氣航行及避碰導航等領(lǐng)域發(fā)揮重大作用。國內(nèi)導航雷達顯控終端大多采用基于PC的PCI雷達圖像卡或基于X86的計算機模塊。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的飛速發(fā)展，越來越多的嵌入式處理器被應(yīng)用于雷達設(shè)備中。本文介紹的導航雷達終端以O(shè)MAP3530嵌入式處理器為硬件平臺，采用了Codec Engine框架下的軟件設(shè)計方案。該終端具有體積小、實時性高、穩(wěn)定性好、成本低、功耗小的優(yōu)點。

1 軟件架構(gòu)設(shè)計

如圖1所示，根據(jù)處理器的工作分配，終端從縱向劃分為ARM子系統(tǒng)與DSP子系統(tǒng)。ARM子系統(tǒng)采用Linux操作系統(tǒng)，DSP子系統(tǒng)采用DSP/BIOS操作系統(tǒng)。ARM核是精簡指令集處理器，運算能力相對較弱，主要負責終端整體控制功能。而DSP核是超長指令集的處理器，適合處理大批量的數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理工作。

1.1 軟件框架

如圖1所示，終端軟件分為顯控處理軟件、錄取跟蹤軟件、GPMC總線驅(qū)動程序、Codec Engine。其中，顯控處理軟件在ARM核[2]上運行，它基于QT界面框架[3]，使用自定義繪圖和QT控件提供可視化的導航界面，負責終端整體控制功能；錄取跟蹤軟件在DSP核上運行，負責處理運算需求高的各種濾波、關(guān)聯(lián)算法，使導航雷達同時對多批目標進行實時錄取、ARPA跟蹤[4]，并自動計算出目標的動態(tài)信息，以發(fā)揮避碰導航的作用；GPMC總線驅(qū)動程序為FPGA與OMAP提供通信通道；FrameBuf顯示驅(qū)動為QT與OMAP顯示模塊提供圖形數(shù)據(jù)寫入通道；Codec Engine為顯控處理軟件（ARM側(cè)）與錄取跟蹤軟件（DSP側(cè)）提供交互通道。

1.2 各軟件間數(shù)據(jù)通信流

如圖1所示，各軟件間數(shù)據(jù)通信流包括雷達控制信息、雷達狀態(tài)信息、波門信息、航跡信息、界面圖形信息。顯控處理軟件通過GPMC總線驅(qū)動經(jīng)FPGA讀取雷達狀態(tài)信息，寫入雷達操控信息；同時讀取波門和扇區(qū)信息，通過Codec Engine送至錄取跟蹤軟件。錄取跟蹤軟件通過Codec Engine將航跡信息送至顯控處理軟件。顯控處理軟件通過FrameBuf顯示驅(qū)動將界面繪圖送入OMAP顯示緩沖。

圖1 軟件架構(gòu)框圖和數(shù)據(jù)通信流

2 在Codec Engine框架下的軟件開發(fā)

雙核系統(tǒng)雖然擁有強大的處理能力，但由于ARM和DSP分別對應(yīng)不同的指令集和編譯器，要使雙核系統(tǒng)配合工作，分擔不同的任務(wù)，雙核之間的協(xié)調(diào)通信是一個關(guān)鍵的因素。TI的數(shù)字視頻軟件開發(fā)包（DVSDK）提供了Codec Engine來實現(xiàn)ARM與 DSP的協(xié)同工作[5]。Codec Engine引入了遠程過程調(diào)用（RPC）的概念[6]，它是指在另外一個處理器上遠程執(zhí)行的一個命令或者過程。在該終端中，錄取跟蹤軟件為Server端，顯控處理軟件為Client端，Client端應(yīng)用程序調(diào)用Codec Engine向Server端發(fā)送一個命令，Server端執(zhí)行命令并通過相應(yīng)的通信方式將結(jié)果返回給客戶端，進而實現(xiàn)雙核的無縫連接與協(xié)調(diào)工作。

在使用Codec Engine時，一般會做以下操作：搭建開發(fā)環(huán)境、創(chuàng)立算法(Codec)、服務(wù)的集成(Server)以及Engine的集成和應(yīng)用(App)。

2.1 軟件開發(fā)環(huán)境搭建

要構(gòu)建定制的Codec Engine配置，需要在TI公司提供的數(shù)字視頻開發(fā)套件DVSDK中修改相關(guān)軟件包的環(huán)境變量，搭建軟件開發(fā)環(huán)境。該套件中集成了多種軟件模塊，其核心是Codec Engine。要根據(jù)實際安裝情況分別修改以下文件的環(huán)境變量。

（1）在 DSPLINK軟件包中的 Rules.mk、c64xxp_5.xx_linux.mk、omap3530_2.6.mk文件中分別修改內(nèi)核源碼路徑、ARM編譯器路徑、XDC工具路徑、DSP系統(tǒng)路徑等，完成后編譯生成dsplinkk.ko(ARM與DSP連接模塊)。；

（2）在CMEM軟件包中的Rules.make文件中分別修改內(nèi)核源碼路徑、ARM編譯器路徑，完成后編譯生成cmemk.ko（內(nèi)存管理模塊）。

（3）在電源管理軟件包中的 Makefile文件中修改內(nèi)核源碼路徑、ARM編譯器路徑、DSPLINK安裝路徑，完成后編譯生成lpm_omap3530.ko（電源管理模塊）。

2.2 算法的創(chuàng)立

按照xDAIS-DM標準，目標跟蹤算法模塊需要提供標準中所定義的一些接口的實現(xiàn)函數(shù)，并且需要對算法模塊中用到的一些結(jié)構(gòu)作出定義。擴展xDM規(guī)范中已有的標準接口是產(chǎn)生自定義算法模塊的一種最常見的方式。本文的目標跟蹤算法模塊利用VISA中的SCALE接口進行xDM標準算法庫的開發(fā)。圖2是SCALE接口中各個package的關(guān)系。

圖2 SCALE接口中各個package的關(guān)系

codecs：在該文件夾下定義相關(guān)算法的.c和.h文件。為了使編譯器能識別自定義的.c文件，需要修改package.bld配置文件，將自定義的.c文件名添加到SRCS數(shù)組中，這個SRCS數(shù)組中包括了package中的所有.c文件。最后修改相應(yīng)的服務(wù)配置文件生成算法并將其打包，經(jīng)編譯生成 scale_ti.a64P的lib庫文件，這就是所需要的codec。

extensions：包括 GPP端的 stub庫和 DSP端的skeleton庫（通過.c和.h文件配置 stub和 skeleton函數(shù)表），經(jīng)編譯生成scale.a64P的lib庫文件。

2.3 服務(wù)的集成

servers：算法服務(wù)集成。修改配置文件，分配內(nèi)存生成一個DSP端的可執(zhí)行程序all.x64P文件，這就是所需要的DSP Server算法服務(wù)器，可被應(yīng)用程序直接調(diào)用。

（1）修改all.tcf文件。對 128 MB的外部 RAM空間即DDR存儲區(qū)進行分配，這塊空間是ARM和DSP可以共享的，ARM 通過 MMU（Memory Management Unit）看到的是內(nèi)存的虛擬地址，但DSP直接使用物理地址。內(nèi)存分配具體如表1所示。

（2）修改 all.cfg文件。 主要對線程屬性進行設(shè)置。線程屬性主要包括棧大小、內(nèi)存段的ID以及優(yōu)先級等。堆棧大小要大于所需要的容量，這樣比較安全。

表1 DDR內(nèi)存分配

2.4 Engine集成和應(yīng)用

apps：apps中定義了 Engine的配置，對于應(yīng)用程序是在本地(ARM)執(zhí)行還是在遠端(DSP)執(zhí)行，通過配置腳本文件 local.cfg和 remote.cfg即可實現(xiàn)，在腳本文件中指明Engine名稱和Server名稱。經(jīng)編譯生成app_remote.av5T可執(zhí)行程序。

App 通過調(diào)用各種 VISA(Video，Image，Speech，Audio)APIs實現(xiàn)具體算法實例[7-8]，VISA APIs通常分為四個部分：MOD_create（用于創(chuàng)建算法實例）、MOD_control（用于動態(tài)地修改算法實例的屬性）、MOD_process（用于對算法傳遞輸入數(shù)據(jù)流做處理并返回一個輸出數(shù)據(jù)流）、MOD_delete（用于刪除編碼器實例，釋放創(chuàng)建編碼器實例時占用的系統(tǒng)資源）。以應(yīng)用程序調(diào)用MOD_process為例，GPP端和DSP端的交互過程大致如圖3所示。

（1）應(yīng)用程序（GPP 端）調(diào)用 MOD_process()函數(shù)；

（2）Codec Engine將調(diào)用信息和調(diào)用所需參數(shù)傳遞給 GPP端的 stub；

（3）stub將參數(shù)打包封裝成消息，并且將GPP端的虛擬地址映射到DSP端的物理地址；（4）Codec Engine將消息傳遞到 DSP端的 skeleton；（5）skeleton將參數(shù)解析出來，并且調(diào)用xDAIS算法的process函數(shù)；

（6）skeleton再將參數(shù)打包返回，以消息隊列形式返回給應(yīng)用程序，然后stub再對參數(shù)進行解析。

最后將編譯生成的all.x64P算法服務(wù)器、app_remote.av5T可執(zhí)行程序、dsplinkk.ko、cmemk.ko、lpm_omap3530.ko驅(qū)動以及驅(qū)動加載/卸載配置腳本 loadmodules.sh、unloadmodules.sh一同拷入目標板的同一文件夾執(zhí)行，即可實現(xiàn)目標跟蹤。

現(xiàn)代雷達終端價格高、體積大、功耗大，本文基于OMAP3530實現(xiàn)的船用導航雷達終端的軟件設(shè)計，充分發(fā)揮了OMAP3530芯片的雙核特性，滿足高速處理和穩(wěn)定性的需求，使船載雷達終端的體積大大減小，成本大幅降低，為在中小船只上普及裝備導航雷達終端提供了一種新的解決方案，值得在現(xiàn)代船舶導航雷達中進一步研究推廣。

[1]Texas Instruments.OMAP35x applications processor Texas Instruments OMAPTMfamily of products technical reference manual[Z].2008.

[2]李忠民，楊剛，顧亦然，等.ARM嵌入式 VxWorks實踐教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006.

[3]袁鵬飛.24小時學通qt編程[M].北京：人民郵電出版社，2000.

[4]王德生，彭勇.ARPA系統(tǒng)與艦船導航雷達顯示[J].中國雷達，1998(02)：40-42.

[5]溫君安.基于Davinci處理器的語音算法設(shè)計和優(yōu)化實現(xiàn)[D].杭州：浙江大學，2007.

[6]劉永春.基于DSP和 ARM的車牌識別系統(tǒng)設(shè)計[J].微型機與應(yīng)用，2012，31(22)：80-82.

[7]林上升.基于OMAP3530硬件平臺的ARM和DSP協(xié)同開發(fā)方法[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2013，39(2)：6-8.

[8]孫連三.基于OMAP的手持設(shè)備嵌入式系統(tǒng)研究[J].計算機工程與設(shè)計，2008(9)：2242-2245.