基于DSP與FPGA的船用雷達信息采集卡的設計*

吳斌，楊神化，楊娜，鄭敏杰

（集美大學航海學院，福建廈門361000）

基于DSP與FPGA的船用雷達信息采集卡的設計*

吳斌，楊神化，楊娜，鄭敏杰

（集美大學航海學院，福建廈門361000）

采用DSP與FPGA相結(jié)合的方案，設計了一款雷達回波信號采集卡。此設備主要用于小型VTS系統(tǒng)、中小型船舶以及航海操縱模擬器中。DSP與FPGA相結(jié)合構成快速傳輸通道，為雷達回波采集處理提供有力保障?，F(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）靈活性強，內(nèi)部邏輯功能可以根據(jù)需要在系統(tǒng)中配置，其作為DSP的輔助芯片為AD提供時鐘，協(xié)同AD完成模擬信號的采集與傳輸，同時完成外部接口的邏輯轉(zhuǎn)換，充分發(fā)揮它的靈活性優(yōu)點。主控芯片DSP主要用于信息處理和整個硬件模塊的控制。

FPGA；DSP；雷達回波；采集系統(tǒng)

0 引言

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是一種應用非常廣泛的模擬量測量系統(tǒng)，其基本任務是將模擬信號經(jīng)采樣量化編碼后送入計算機或相應的信號處理系統(tǒng)中，然后根據(jù)不同的需要進行相應的計算處理。隨著科技的發(fā)展，其應用領域涵蓋雷達、電力、空間遙測、汽車制造、軍事等行業(yè)。雷達性能的日益強大離不開數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展，特別是數(shù)據(jù)處理芯片和AD采樣頻率的快速發(fā)展。現(xiàn)在雷達探測距離涵蓋愈來愈廣泛，探測精度越來越高，使得航海安全更具保障。

近年來，隨著加工工藝的突破，處理器的運算速度大幅提高，同時芯片功能更加強大。模擬信號采樣芯片AD的采樣頻率已達到10 GHz。采樣頻率和數(shù)據(jù)處理芯片運算速度的提高推動著數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展。因此，專用的數(shù)據(jù)采集卡日漸成熟，并大量涌現(xiàn)。雷達回波信息數(shù)據(jù)采集可以運用專用的高速數(shù)據(jù)采集卡來采集，實現(xiàn)雷達回波信息的高速實時采集[1]。解放初期我國雷達研制技術相對比較薄落，航海上雷達的研制幾乎是空白，國內(nèi)的航海雷達幾乎是靠國外進口[1]。隨著這幾年的發(fā)展，尤其改革開放以后，我國經(jīng)濟騰飛，在科技領域與國際先進水平的差距有了明顯的改觀。我國海岸線綿長，隨著漁業(yè)的發(fā)展壯大，船用雷達市場需求打開，雷達專用的數(shù)據(jù)采集卡的普及應用將是未來的發(fā)展趨勢。借此本論文提出一種雷達回波信息采集卡的技術方案。

1 硬件架構

1.1 硬件架構

航海雷達由天線、收發(fā)機、雷達信號采集單元和顯示器四部分組成，如圖1所示。本文主要設計雷達信號采集單元，由天線和收發(fā)機產(chǎn)生的雷達信號包括視頻信號、觸發(fā)信號、方位信號和船首信號，它們不能直接被采集卡采集。為此，以上信號需要預處理之后才能被采集。信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路后接入采集卡進行采集處理。采集卡主要芯片采用DSP和FPGA芯片，并使用PCI接口的方式與PC機主板集成，以達到雷達圖像實時精確地顯示采集到的信息。

圖1 硬件架構圖

1.2 雷達視頻信號分析

本文以智森雷達RS1712作為實驗雷達，視頻信號幅度為-3.3~0 V，帶寬20 MHz。信號參數(shù)不能直接接入AD采集，需要信號轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換接口電路如圖2所示。航海雷達回波信息稱之為視頻信號，是由天線將接收到的高頻信號經(jīng)變頻、檢波后包絡完成的信號。雷達視頻信號屬于一維信號，回波強弱代表有無目標障礙物。雷達回波的采集是實現(xiàn)雷達功能的重中之重，也是雷達系統(tǒng)信息處理最前端的工作部分。

圖2 視頻信號轉(zhuǎn)換接口電路

雷達視頻信號不同于傳統(tǒng)意義上的視頻信號，它是利用微波成像原理形成的，回波信號的強弱程度決定了圖像上相對應處灰度值的大小[2]。不同障礙物其材質(zhì)、形狀和大小的不同導致反射電磁波的能力不同，雷達根據(jù)障礙物反射電磁波的強弱來呈現(xiàn)出目標。雷達視頻信號是通過掃描線刷新來局部變化的圖像。整個雷達圖像是以灰度值的大小和強弱來顯示海面上目標物的大小和有無?；叶戎翟礁叩狞c，采集的視頻信號越強。由于視頻信號夾雜大量的雜波，在采集完成后需要以適當?shù)拈T限值來限制雜波的影響。雷達天線每旋轉(zhuǎn)一圈形成一幅雷達圖像，圖像以極坐標形式顯示。

1.3 雷達脈沖信號分析

（1）觸發(fā)信號：觸發(fā)信號是整個雷達信號中的重要信號之一，是雷達的總指揮，它控制發(fā)射機、接收機、顯示器同步工作。觸發(fā)信號與接收機收到的雷達視頻回波同步，由此確定一次回波的起點和顯示器上掃描線對應的時間。本文實驗雷達觸發(fā)信號幅度約為6 V、脈沖寬度約為33.2 ms，信號參數(shù)不能直接接入采集卡，需要進行信號轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換電路如圖3。

圖3 觸發(fā)信號轉(zhuǎn)換接口電路

（2）船首信號：天線在旋轉(zhuǎn)過程中，當轉(zhuǎn)到正北或者船舶航行方向時雷達產(chǎn)生的信號。由此，該信號可以作為天線旋轉(zhuǎn)一周的標志信號，同時可以作為視頻信號處理中分隔兩幅相鄰圖像的標志。本實驗雷達的幅度為+12.5 V。轉(zhuǎn)換電路如圖4。

圖4 船首信號轉(zhuǎn)換接口電路

（3）方位信號：方位信號是由天線產(chǎn)生，與天線旋轉(zhuǎn)同步的信號。為了電路簡單雷達在天線底部安裝碼盤，天線每旋轉(zhuǎn)一圈通過碼盤可以產(chǎn)生幾百個增量脈沖，但在顯示器顯示前，利用鎖相倍頻電路將每周的脈沖調(diào)整到4 096或者更高[3]。本實驗雷達天線旋轉(zhuǎn)一周輸出360個方位脈沖，幅度約為+12 V。轉(zhuǎn)換接口電路如圖5。

圖5 方位信號轉(zhuǎn)換接口電路

2 數(shù)據(jù)傳輸

2.1 AD的選擇

本文實驗雷達脈沖重復頻率為f=1 500 Hz，脈寬τ= 0.32μs，則雷達的發(fā)射波形伸展在S=Cτ≈100 m（C為光速）的空間距離上。對于同一方位向上的兩個等同目標，當間隔距離S′=S/2=50 m時，它們在距離上可以被區(qū)分出來，即雷達的距離分辨率為50 m[4]。

在采樣中如何考慮采樣速率和采樣數(shù)據(jù)精度是一個重要的問題。當采樣頻率為f時，可根據(jù)公式△=C/2f（C為光速）得采樣點的距離分辨率，所以為了使采樣結(jié)果能夠無失真地還原出雷達回波，需保證△大于或者等于S，即必須保證采樣速率f＞=1/τ。根據(jù)RS1712雷達的性能指標參數(shù)，雷達視頻信號的帶寬為20 MHz，因此數(shù)據(jù)采樣帶寬要求大于20 MHz，并且數(shù)字化的采樣數(shù)據(jù)精度要求不低于10位。一般要求采樣頻率20 MHz以上，數(shù)據(jù)量大要求傳輸速度與處理速度要相匹配。本文選用AD9225芯片，采集速度25 MS/s，數(shù)據(jù)精度達到12位。圖6為AD部分原理圖。

圖6 AD原理圖

2.2 快速數(shù)據(jù)流的傳輸

此方案利用FPGA來控制AD的工作。為了提高效率，采用乒乓緩存原理。乒乓緩存結(jié)構是在FPGA內(nèi)部開辟出兩個數(shù)據(jù)緩存區(qū)域，將數(shù)據(jù)等時地輸入進去，區(qū)域的選擇由選擇標志位決定。在第一個周期內(nèi)，將輸入的數(shù)據(jù)緩存到數(shù)據(jù)緩存模塊1中[5]；在第二個周期內(nèi)，將輸入的數(shù)據(jù)緩存到數(shù)據(jù)緩存模塊2中。以此類推，隨著時間推移，緩存模塊由輸入選擇標志位來控制。兩個數(shù)據(jù)緩存區(qū)域緩解DSP處理數(shù)據(jù)的壓力，同時避免數(shù)據(jù)處理錯位。兩個數(shù)據(jù)緩存區(qū)域循環(huán)往復依次切換數(shù)據(jù)輸入輸出，可以更加有效的進行數(shù)據(jù)采集傳送。以下為FPGA中部分程序。

3 技術方案

數(shù)據(jù)采集是雷達信號數(shù)字處理必不可少的前提，特別對雷達微弱信號的檢測，良好且不失真的數(shù)據(jù)采集是處理的關鍵[6]。雷達視頻信號數(shù)據(jù)量極大，實時性要求高，為此需要專門的信息采集處理板卡。DSP與FPGA結(jié)合構成采集板卡主控芯片。DSP可勝任數(shù)據(jù)處理功能，F(xiàn)PGA能夠提供AD采集接口和數(shù)據(jù)傳輸通道。此外，利用高性能DSP芯片和PCI接口芯片，可有效提高雷達信號采集卡的通用性和擴展能力。采集卡使用德州儀器6000系列6713，這是一款浮點型芯片，運算速度可達1 350 MIPS，搭配一款賽靈思公司的FPGA型號XC2S200。

該板卡采用了一款高速12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD9225，轉(zhuǎn)換頻率達到25 MHz，可以滿足雷達視頻采集的要求。數(shù)字信號處理模塊以DSP作為核心處理器。DSP外接PROM和SRAM，其中，EEPROM存放程序代碼用于DSP的boot loader，SRAM作為數(shù)據(jù)空間的擴展用于存儲多次回波數(shù)據(jù)。首先，雷達上單元發(fā)出的視頻信號經(jīng)過高速AD采樣后由FPGA控制寫入乒乓RAN中，DSP收到相應中斷信號時，讀取數(shù)據(jù)進行處理，處理完成的信號寫入PROM和SRAN等待上位機的讀取。方位信號、船首信號和觸發(fā)信號經(jīng)過預處理接入FPGA中。方位信號經(jīng)過FPGA電平邏輯轉(zhuǎn)換，由倍頻電路倍頻至4 096 Hz，作為雷達信號的方位基準傳輸給顯示模塊。觸發(fā)信號作為控制信號接入DSP中斷，由DSP中斷觸發(fā)對視頻信號的采集處理，以達到與上單元同步，同時區(qū)分每條掃描線的視頻信號。船首信號經(jīng)FPGA接入DSP中斷，來觸發(fā)對方位信號和觸發(fā)信號計數(shù)清零處理，同時區(qū)分一幅完整的雷達圖像。FPGA作為DSP的輔助器，協(xié)助DSP控制其外設器件。另外，為了便于調(diào)試，在板卡中增添串口模塊、JTAG模塊和USB模塊。

3.1 FPGA的功能實現(xiàn)

FPGA負責控制AD采樣、讀取采樣數(shù)據(jù)和與DSP通信的任務，以及對脈沖信號進行預處理[7]。FPGA將對AD的配置參數(shù)寫入其相應的寄存器中。將輸入時鐘分頻，產(chǎn)生采樣時鐘提供給AD。同時，F(xiàn)PGA直接對AD下達啟動采樣開始。FPGA監(jiān)測AD的采樣完成信號，若采樣完成則通過AD并行數(shù)據(jù)接口接收一個采樣數(shù)據(jù)，送入FPGA內(nèi)部的開辟的乒乓RAN中，同時等待下一個采樣數(shù)據(jù)的到來。當FPGA內(nèi)部乒乓RAN存儲滿后溢出標志位觸發(fā)DSP中斷，DSP開始從數(shù)據(jù)總線中讀取數(shù)據(jù)處理。

3.2 DSP功能

DSP負責數(shù)據(jù)處理和控制整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運作。觸發(fā)信號、方位信號、船首信號經(jīng)過FPGA時序處理接入DSP中斷，DSP通過對此信號的處理完成對雷達視頻信號的解析，例如控制上下位機協(xié)同工作、確定雷達的分辨率、分割天線掃描一周形成的一幀圖等。DSP有幾個重要的控制中斷：觸發(fā)信號中斷是AD采集開始及一條掃描線數(shù)據(jù)開始標志中斷；船首信號中斷是觸發(fā)脈沖和方位脈沖計數(shù)清零標志，同時也是一幅完整雷達圖像產(chǎn)生的標志，而且由此獲得船首位置；FPGA數(shù)據(jù)溢出標志位中斷通知DSP從數(shù)據(jù)總線中讀取采集的雷達數(shù)據(jù)。

3.3 PCI接口

PCI接口是應用最為普遍、較為成熟的接口總線。PC機主板中常見的接口總線都能夠方便地與PC連接，并且具有獨立于CPU的結(jié)構，兼容性好。同時，它具有傳輸速度快、存儲延誤性小、成本低、可編程等優(yōu)點。PCI接口有現(xiàn)成的模塊，故此不再贅述。

4 結(jié)束語

本文設計的雷達信號采集卡，結(jié)合目前較為先進的硬件芯片，整合各個芯片的優(yōu)點，實現(xiàn)對雷達的回波信號的高速采集。本設計中相關FPGA的程序用Xilinx ISE軟件編寫，DSP程序使用CCS軟件完成程序設計。采用FPGA能夠有效地控制AD的采集，同時，能夠?qū)崟r、高速地把數(shù)據(jù)傳輸出去，為雷達信號的實時采集處理、雷達圖像的實時顯示提供了保障。DSP是傳統(tǒng)的信號處理芯片，運算速度快，能夠在高速數(shù)據(jù)流中發(fā)揮它的優(yōu)勢。

[1]邱海琴.航海雷達回波數(shù)據(jù)采集與特性研究[D].廈門：集美大學，2011.

[2]白雅卿.船舶導航雷達視頻信號分析[D].大連：大連海事大學，2013.

[3]郭鵬.雷達信號數(shù)字化單元研究[D].大連：大連海事大學，2006.

[4]王立寧.導航雷達回波信號數(shù)據(jù)采集與壓縮技術研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2009.

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Design of marine radar echo acquisition card based on FPGA and DSP

Wu Bin，Yang Shenhua，Yang Na，Zheng Minjie
（Navigation College，Jimei University，Xiamen 361000，China）

This paper designed a model of radar echo signal acquisition card，by adopting the combination of DSP and FPGA. This equipment is mainly used for small VTS system，small and medium-sized ships and navigation control simulators.The combination of DSP and FPGA constitute rapid transport channels，providing powerful guarantee for radar echo acquisition processing. Field programmable gate array（FPGA）is flexibility.It′s strong internal logic functions can be according to the need in the system configuration，as an aid in the chip of DSP provides clocks for the ADC，cooperating with ADC complete analog signal acquisition and transmission，completing the external interface logic conversion at the same time，it give full play to its advantages of flexibility. Master control chip of DSP is mainly used in information processing，and control of the entire hardware modules.

FPGA；DSP；radar echo；acquisition system

TN957.5；TN41/495

A

1674-7720（2015）13-0031-04

2015-02-03）

吳斌（1988-），男，在讀碩士生，主要研究方向：交通信息工程及控制。

福建省高等學校新世紀優(yōu)秀人才支持計劃項目（JA12181）；國家自然科學基金資助項目（51109090）