基于FPGA和ARM9的低空預(yù)警雷達信號處理點跡通信系統(tǒng)設(shè)計

李俊

摘要：設(shè)計了一種使用FPGA和ARM計算機配合的嵌入式雷達信號處理點跡系統(tǒng)。詳細說明了系統(tǒng)軟硬件結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)軟件設(shè)計。實踐證明該系統(tǒng)能很好地完成雷達控制、點跡處理、通信等功能。

關(guān)鍵詞：FPGA；ARM、QT、點跡處理、通信

中圖分類號：TP311 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）07-0040-03

Abstract： This paper presents an embedded platform based on FPGA and ARM used inthe radar signal processing plot communication. The system structures are described， and the design of the system software is introduced. The practices prove the system work well in radar control、plot processing and communication.

Key words： FPGA； ARM； QT； plot processing； communication

雷達的基本組成由天饋線、發(fā)射、接收、信號處理、波控、終端等分系統(tǒng)構(gòu)成。信號處理處于前端和后端連接的核心子系統(tǒng)在整個雷達系統(tǒng)具有非常重要的作用。主要完成目標(biāo)的檢測功能，包括：發(fā)射波束控制、脈沖壓縮、MTD/MTI濾波、恒虛警處理、雜波圖、滑窗檢測、點跡處理等。

隨著現(xiàn)代雷達數(shù)字處理能力的大幅提升，雷達信號處理需要處理的輸出量日益提高，且大量數(shù)據(jù)對信息的傳輸實時性也有很高的要求。除此之外信號處理還要連接控制其他分系統(tǒng)包括時序、控制信號等等?，F(xiàn)代雷達信號處理一般采取高速并行處理的FPGA、DSP系統(tǒng)和實時性很高的嵌入式計算機組成。低空預(yù)警雷達是針對國內(nèi)民防領(lǐng)域和國際市場的需求，研制的一種戰(zhàn)場偵察雷達。該雷達主要對半徑100公里以內(nèi)的低空直升機和慢速飛行器進行監(jiān)視、定位，并提供目標(biāo)的距離、方位和高度信息。針對系統(tǒng)規(guī)模較小、成本較低特點，低空預(yù)警雷達的信號處理設(shè)計了一種FPGA+ARM9架構(gòu)處理平臺。在正常工作模式下，雷達前端傳送的和差波束數(shù)據(jù)通過線纜進入FPGA，在FPGA內(nèi)完成脈沖壓縮、FIR濾波、雜波圖、恒虛警、滑窗檢測，并將檢測結(jié)果送入DSP，將得到的點跡數(shù)據(jù)送給ARM。ARM系統(tǒng)運行嵌入式Linux系統(tǒng)，完成串口連接外部設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)接收波控和終端系統(tǒng)命令，驅(qū)動FPGA實現(xiàn)對雷達系統(tǒng)的控制，并完成相應(yīng)數(shù)據(jù)的通信傳輸。

1系統(tǒng)硬件平臺介紹

1.1整體架構(gòu)設(shè)計

對于低空預(yù)警雷達，信號處理需要處理一定量的信號和數(shù)據(jù)。基于對系統(tǒng)成本，成熟度，開發(fā)周期，及信號處理系統(tǒng)的需求考慮，信號處理分系統(tǒng)在可滿足處理能力的情況下，通過采用模塊化高可靠性插件，高速DSP處理芯片，超大規(guī)?？删幊踢壿嫻碳?，高性能ARM嵌入式計算機等技術(shù)，可使系統(tǒng)設(shè)備量大大降低，并有效的提高了系統(tǒng)可靠性，降低了失效率，減少了維修時間。系統(tǒng)設(shè)計為由一塊信號處理板完成信號處理的全部功能，信號處理板的硬件架構(gòu)如圖1所示。

FPGA模塊采用ALTERA公司的Stratix IV 型FP4SE360模塊，其處理能力等價邏輯單元353600LE，嵌入式存儲器達到18Mbit，含1040個18X18乘法器，是具有大量處理能力的較高端FPGA器件，外部存儲器采用了4片221x36bits SSRAM 可以滿足系統(tǒng)存儲使用。DSP使用ADI公司的TS201，主頻達500Mhz。ARM采用的是盛博科技的SAM-3471計算機。整個信號處理的系統(tǒng)流程圖如圖2。

1 .2 ARM系統(tǒng)介紹

上圖所示是SAM-3471計算機模塊，它采用的是ARM9CPU運行頻率208/416Mhz。配有4片 32MB SDRAM內(nèi)存。具有3個UARTs口、2路232串口、1路100M網(wǎng)口等外部通訊接口。板上預(yù)留了音頻、LCD、觸摸屏等接口可供調(diào)試使用。ARM板以總線形式連接FPGA，通過驅(qū)動與FPGA通信。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

ARM計算機上運行的是嵌入式Linux實時操作系統(tǒng)軟件。ARM軟件完成的功能是系統(tǒng)上電后，Linux系統(tǒng)啟動后完成驅(qū)動FPGA，對FPGA寄存器數(shù)據(jù)進行初始化。通過網(wǎng)絡(luò)與終端分系統(tǒng)、波控分系統(tǒng)通信。接收各種操作命令控制FPGA完成功能的實現(xiàn)。同時將點跡、方位、系統(tǒng)狀態(tài)信息發(fā)給終端系統(tǒng)顯示。采集波束校正數(shù)據(jù)平發(fā)送給波控與終端顯示。通過串口接收GPS授時和定北數(shù)據(jù)，獲得基準(zhǔn)時間后為整個系統(tǒng)對時等。軟件的流程圖如圖3。

系統(tǒng)軟件采用虛擬機VMware下虛擬Ubuntu10.10操作系統(tǒng)，在QtCreator下開發(fā)和編譯程序。將編譯好的程序通過FTP方式拷入ARM嵌入式系統(tǒng)中，通過啟動腳本調(diào)用的方式調(diào)試開發(fā)和運行。

2.1嵌入式linux和開發(fā)工具QT

ARM操作系統(tǒng)采用的是基于2.6內(nèi)核的嵌入式Linux操作系統(tǒng)，程序采用QT/Embedded開發(fā)。QT是Trontech公司開發(fā)的一個多平臺的C++圖形用戶界面應(yīng)用程序框架。它具有以下特點：

支持多種操作系統(tǒng)，程序可在不同系統(tǒng)下開發(fā)，并進行方便的移植。

QT使用了面向?qū)ο蠹夹g(shù)組件設(shè)計。模塊化的程度非常高，可重用性較好。

QT提供了豐富的API函數(shù)和大量的技術(shù)文檔方便用戶開發(fā)自己的應(yīng)用程序。

QT/Embedded以原始Qt為基礎(chǔ)，并做了許多出色的調(diào)整以適用于嵌入式環(huán)境。

2.3 主任務(wù)和數(shù)據(jù)處理的實現(xiàn)

主任務(wù)和數(shù)據(jù)處理主要完成雷達方位的獲取，雷達點跡的獲取，并將獲的相應(yīng)數(shù)據(jù)傳送到雷達終端中。數(shù)據(jù)處理主要是包括系統(tǒng)工作方式、雷達頻點、轉(zhuǎn)速、雷達工作狀態(tài)等各種雷達監(jiān)視和控制功能的實現(xiàn)。程序中創(chuàng)建主任務(wù)類CMainProcess，初始化時 調(diào)用語句QCoreApplication a（argc， argv）啟用QT中信號/槽的機制。在主處理類的構(gòu)造函數(shù)中創(chuàng)建QTimer定時器對象PlotTimer，并設(shè)置槽函數(shù)PlotTimeoutSlot連接（connect）到此對象上，語句PlotTimer->start啟用定時器。槽函數(shù)主要完成對FPGA的讀寫，獲得方位、點跡數(shù)據(jù)，解析處理后發(fā)送出去。在設(shè)置好的時間周期內(nèi)系統(tǒng)會自動調(diào)用此槽函數(shù)。實現(xiàn)點跡、方位的不停讀取和處理。

數(shù)據(jù)處理是通過創(chuàng)建一個QObject的派生類CDataProcess及其成員函數(shù)實現(xiàn)的。在主函數(shù)初始化中定義CDataProcess類對象。該類的成員函數(shù)完成的功能有：調(diào)用FPGA完成雷達系統(tǒng)的的控制、完成終端命令數(shù)據(jù)的處理、GPS定位數(shù)據(jù)格式的解析處理和發(fā)送、雷達天線伺服的控制等等。程序其他的對象對數(shù)據(jù)的處理均是調(diào)用該類的函數(shù)實現(xiàn)的。

2.4 串口通訊的實現(xiàn)

系統(tǒng)使用了一個串口，用于接收GPS時間數(shù)據(jù)，給整個雷達對時。創(chuàng)建一個QThread的派生類QtSerialThread完成整個串口的操作。對于函數(shù)tcgetattr、tcsetattr完成串口設(shè)備的操作。程序初始化時通過串口設(shè)置參數(shù)、串口數(shù)據(jù)緩存操作、打開串口設(shè)備文件、配置串口的工作參數(shù)的方式初始化串口。編寫串口發(fā)送和接收函數(shù)。串口接收函數(shù)用于按照協(xié)議接收GPS數(shù)據(jù)。并將此接收的數(shù)據(jù)作為參數(shù)產(chǎn)生一個信號和數(shù)據(jù)處理的相應(yīng)處理槽函數(shù)connect連接起來。創(chuàng)建串口處理線程，使用QThread的start（）函數(shù)運行線程。在線程運行函數(shù)run（）中循環(huán)接收和處理串口數(shù)據(jù)。

2.5 網(wǎng)絡(luò)通訊的實現(xiàn)

系統(tǒng)使用UDP的方式進行網(wǎng)絡(luò)通信。網(wǎng)絡(luò)通信主要實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建，并與其他的分系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互。主要是通過創(chuàng)建一個UDP處理類UDPReciveUtil，創(chuàng)建一個類TsServerProcess和創(chuàng)建一個QThread的派生類ThreadOfTsData類和完成整個網(wǎng)絡(luò)功能的實現(xiàn)。程序啟動后產(chǎn)生類ThreadOfTsData的對象產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)線程。在線程初始化時使用類UDPReciveUtil產(chǎn)生UDP Socket并進行ip地址和端口號的綁定。線程運行時使用QT的QUdpSocket成員函數(shù)hasPendingDatagrams和readDatagram得到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。將數(shù)據(jù)通過類TsServerProcess進行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)協(xié)議的解析和相應(yīng)處理，發(fā)送等。

2.6 程序的編譯和加載

將產(chǎn)生的可執(zhí)行程序，用FTP方式拷到目標(biāo)機中，同時將QT庫文件libQtNetwork.so.4、libQtCore.so.4拷入。在profile文件里添加程序運行語句，使系統(tǒng)程序開機后自動運行。

3 總結(jié)

本文設(shè)計了一種通過FPGA和ARM系統(tǒng)實現(xiàn)雷達通信系統(tǒng)的方式，通過編程工具QT使通信系統(tǒng)具備網(wǎng)絡(luò)、串口等多線程處理方式。借助FPGA實現(xiàn)了雷達點跡、方位、系統(tǒng)監(jiān)控等多種功能。由于采用ARM平臺和Linux系統(tǒng)。雷達通信系統(tǒng)具有實時性高、開發(fā)便捷，處理功能強大的優(yōu)點。目前該系統(tǒng)已在低空警戒雷達信號處理實際使用，取得了較好的效果。

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