0 引言
隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,，在軍事、航空航天和測(cè)試及測(cè)量等領(lǐng)域,，人們對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣精度,、采樣率和存儲(chǔ)量等指標(biāo)提出了更高的要求。傳統(tǒng)的采集器件使用起來很不方便,，其局限性非常明顯,，顯然已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展的需要,。目前,，隨著集成電路技術(shù)的進(jìn)步，大規(guī)模和超大規(guī)模的可編程邏輯器件在實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)中得到廣泛的應(yīng)用,。由于其集成度高,、功耗低、設(shè)計(jì)靈活,、效率高等優(yōu)勢(shì),，同時(shí)器件具有用戶可編程特性，可大大縮短系統(tǒng)設(shè)計(jì)周期,，減少設(shè)計(jì)費(fèi)用,，降低風(fēng)險(xiǎn)投入，而且部分器件還具有在線可編程的能力,。
在此介紹一種雷達(dá)中／視頻數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng),，它的核心技術(shù)是利用高速可編程邏輯門陣列FPGA對(duì)雷達(dá)目標(biāo)回波進(jìn)行高速實(shí)時(shí)采集，并將持續(xù)采集來的信號(hào)數(shù)據(jù)記錄在計(jì)算機(jī)硬盤上，以供后續(xù)數(shù)據(jù)處理需要,。本系統(tǒng)的特點(diǎn)是：小型化,，便于攜帶，連接方便,，操作簡(jiǎn)單,，記錄時(shí)間長(zhǎng)，采樣率高,，數(shù)據(jù)傳輸率高,，動(dòng)態(tài)范圍大(12位A／D分辨率)，并采用正交雙通道采集方式,，完全符合高速大容量雷達(dá)信號(hào)采集記錄的需要,。
1 系統(tǒng)組成與工作原理
系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)和系統(tǒng)采集硬件組成，系統(tǒng)采集硬件由一塊帶有雙路高速A／D和USB接口電路的底板和一塊帶有FPGA的核心板組成,。雷達(dá)數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)的工作流程如圖1所示,。
系統(tǒng)以臺(tái)式PC作為采集主控設(shè)備，雷達(dá)中／視頻回波信號(hào)經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,，再由FPGA控制的核心采集模塊來完成數(shù)據(jù)的采集量化,，采集模塊可以根據(jù)來自雷達(dá)系統(tǒng)的時(shí)鐘、同步觸發(fā)信號(hào)來控制對(duì)雷達(dá)回波信號(hào)的采集,，然后將采集到的數(shù)據(jù)通過緩沖模塊送給USB,，USB接口將數(shù)據(jù)打包傳送到臺(tái)式電腦的硬盤上以供顯示和處理使用。
FPGA與上位機(jī)間的數(shù)據(jù)交換是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的重要一環(huán),。一方面,，F(xiàn)PGA在完成對(duì)采集數(shù)據(jù)的抽取和緩沖后，采用高速的USB 2．0傳輸方式將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地傳輸給上位機(jī),，使數(shù)據(jù)處理能夠順序進(jìn)行,；另一方面，數(shù)據(jù)采集模塊的某些參數(shù)由上位機(jī)控制面板設(shè)置后經(jīng)總線傳送給FP-GA,。
2 硬件電路板設(shè)計(jì)
在本系統(tǒng)中,，F(xiàn)PGA核心板擔(dān)負(fù)著數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)傳輸控制的任務(wù),，是本系統(tǒng)最為關(guān)鍵的部分,，綜合考慮系統(tǒng)資源和FPGA價(jià)格，選擇Xi-linx公司的Spartan-Ⅱ系列XC2S200芯片較為適宜,，由電源轉(zhuǎn)換芯片LT1764為FPGA提供穩(wěn)定的電源電壓,。其最小系統(tǒng)框圖如圖2所示。
XC2S200是推出的性價(jià)比更好的Spartan-Ⅱ系列FPGA產(chǎn)品中的一款,，有著成熟的Virtex-E架構(gòu),，內(nèi)核電壓采用1．8 V,，系統(tǒng)性能可達(dá)到200 MHz,系統(tǒng)門數(shù)為200 000系統(tǒng)門，內(nèi)部包括適量的分塊RAM(Block-RAM),。該芯片支持豐富的接口標(biāo)準(zhǔn),。本系統(tǒng)采用ADI公司的AD9224為A／D轉(zhuǎn)換芯片，完成雙路A／D采樣功能,。其采樣頻率為40 MHz,，采用位數(shù)達(dá)12位，片內(nèi)集成高性能的采樣保持放大器和參考電壓源,，具有糾正錯(cuò)誤輸出的邏輯功能,，精確提供了在40 MSPS采樣率下12位的輸出數(shù)據(jù)，保證在完全可以運(yùn)作的溫度范圍內(nèi)無漏碼,。
高速的數(shù)據(jù)采集速度是保證數(shù)據(jù)采集精度的標(biāo)準(zhǔn),，但往往在數(shù)據(jù)處理時(shí)并不需要以同樣的速度來進(jìn)行，否則對(duì)硬件的需求太高,，成本也較高,。這里采用同步FIFO、SRAM,、異步FIFO相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)采集數(shù)據(jù)的緩沖處理,。同時(shí)，由于數(shù)據(jù)的傳輸速度大于AD的采樣速度,，保證了采集的數(shù)據(jù)在傳輸時(shí)無遺漏,。
3 軟件設(shè)計(jì)
3．1 FPGA程序設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)采用了同步FIFO A、異步FIFO B和緩沖SRAM相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法,，共同構(gòu)成本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)緩沖模塊,。整個(gè)系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)流程如圖3所示。
3．1．1 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)
雷達(dá)信號(hào)采集技術(shù)中,，采集時(shí)序控制與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸是關(guān)鍵也是技術(shù)的難點(diǎn)所在,。為保證采集的連續(xù)性，設(shè)計(jì)中采用了FPGA內(nèi)部雙FIFO的緩沖技術(shù),、外置專用緩沖芯片技術(shù)與計(jì)算機(jī)公用緩沖區(qū)環(huán)行存儲(chǔ)技術(shù),。該模塊的詳細(xì)軟件設(shè)計(jì)流程如圖4所示,。
3．1．2 數(shù)據(jù)緩沖模塊設(shè)計(jì)
數(shù)據(jù)緩沖模塊設(shè)計(jì)了同步FIFO A和異步FIFO B,。其中FIFO A的一端接收A／D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，另一端將數(shù)據(jù)傳輸給外部SRAM,；FIFO B的一端接收SRAM的數(shù)據(jù),，另一端將數(shù)據(jù)傳輸給USB單片機(jī)的FIFO。
3．1．3 測(cè)頻模塊設(shè)計(jì)
基于傳統(tǒng)測(cè)頻原理的頻率計(jì)的測(cè)量精度將隨被測(cè)信號(hào)頻率的下降而降低,，在實(shí)用中有較大的局限性,，而等精度頻率計(jì)不但具有較高的測(cè)量精度，而且在整個(gè)頻率區(qū)域能保持恒定的測(cè)量精度。綜合考慮,，本系統(tǒng)采用等精度頻率計(jì)的測(cè)量方法,。其基本流程圖如圖5所示。
3．1．4 測(cè)電壓模塊設(shè)計(jì)
采集信號(hào)經(jīng)A／D變換器量化編碼以后,，可以根據(jù)量化得到的結(jié)果進(jìn)行信號(hào)幅度值的計(jì)算,。同時(shí)考慮到采集到的信號(hào)尤其是正弦波、三角波等信號(hào)在測(cè)量時(shí)會(huì)發(fā)生抖動(dòng),，所以在進(jìn)行電壓測(cè)量時(shí),，采用了取平均值和對(duì)信號(hào)進(jìn)行平滑處理相結(jié)合的方法提高測(cè)電壓的精度，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)峰峰值,、平均值的測(cè)量,。
3．2 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)
在設(shè)計(jì)上，當(dāng)USB驅(qū)動(dòng)程序安裝好以后,，應(yīng)用程序調(diào)用線程獲取該設(shè)備的有效句柄,，進(jìn)而就可以與WDM進(jìn)行通信。接口數(shù)據(jù)格式的定義我們采用結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)包的形式,，首先設(shè)計(jì)一個(gè)C語(yǔ)言的結(jié)構(gòu),，把要進(jìn)行通信的參數(shù)按照與VHDL語(yǔ)言相同的順序排列，然后在USB通信協(xié)議上,，對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)包格式的設(shè)定,。設(shè)計(jì)采集數(shù)據(jù)的存放問題時(shí)，我們調(diào)用線程把傳送來的數(shù)據(jù)數(shù)組按照“*．dat”的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行存儲(chǔ),，在回放顯示時(shí),，把數(shù)據(jù)從“*．dat”中讀到預(yù)定義的數(shù)組中進(jìn)行調(diào)用，整個(gè)應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)流程如圖6所示,。
設(shè)計(jì)虛擬儀器的主要工作就是編寫應(yīng)用軟件,，在此采用Visual C++進(jìn)行了控制面板的設(shè)計(jì)?？紤]到信號(hào)參數(shù)的設(shè)置把面板分為2大部分：采集參數(shù)設(shè)定部分和顯示控制部分,，其中，前者的主要功能是把參數(shù)傳到硬件核心處理部分,。而后者的主要功能是負(fù)責(zé)面板上NTGraph控件顯示參數(shù)的設(shè)置,，應(yīng)用程序控制及顯示面板如圖7所示。
4 系統(tǒng)調(diào)試和測(cè)試
在完成了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)以后,，需要進(jìn)行綜合調(diào)試和測(cè)試,。通過調(diào)試，不斷優(yōu)化程序代碼,，對(duì)程序中的問題及時(shí)更正修改,，使系統(tǒng)的性能得以提高,，工作狀態(tài)更加穩(wěn)定。測(cè)試的過程中可以修正電路中元器件的參數(shù)等,，以免理論分析與實(shí)際狀態(tài)的差距引起系統(tǒng)的參數(shù)不符合要求,。目前，本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多種型號(hào)的雷達(dá)進(jìn)行實(shí)際外場(chǎng)數(shù)據(jù)采集,。圖8,，圖9分別為本系統(tǒng)采集到的某部岸基對(duì)海警戒雷達(dá)(全相參脈沖壓縮體制)的單路中頻(未經(jīng)脈沖壓縮處理)和雙路正交視頻(經(jīng)過脈沖壓縮處理)回波信號(hào)。
實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)完全滿足所提出的指標(biāo)要求,，能夠做到大容量高速連續(xù)采集,，而且穩(wěn)定可靠，采集所得到的數(shù)據(jù)可以滿足信號(hào)處理和目標(biāo)識(shí)別的要求,。
5 結(jié)語(yǔ)
研究了雷達(dá)中／視頻數(shù)據(jù)采集與回放系統(tǒng)的總體方案,，即由信號(hào)調(diào)理模塊、核心采集模塊,、緩沖模塊,、傳輸模塊和應(yīng)用程序顯示模塊組成。FPGA與上位機(jī)間的數(shù)據(jù)交換通過USB 2．0接口實(shí)現(xiàn),，并運(yùn)用虛擬技術(shù),，采用了Visual C++語(yǔ)言設(shè)計(jì)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)顯示界面。設(shè)計(jì)中運(yùn)用硬件描述語(yǔ)言對(duì)FPGA進(jìn)行編程,，在完成了對(duì)輸入信號(hào)的采集和記錄的同時(shí),，實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸入信號(hào)的防抖動(dòng)、過零檢測(cè),、等精度測(cè)頻及電壓最值,、峰峰值和平均值的測(cè)量，使得該系統(tǒng)能對(duì)信號(hào)參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量,。該系統(tǒng)被封裝于一個(gè)小型的屏蔽盒內(nèi),，非常便于攜帶，可方便應(yīng)用于外場(chǎng)雷達(dá)的數(shù)據(jù)采集,。