基于雷達組網遠程監控系統設計與實現

摘 要：針對雷達組網系統對遠端雷達站監控的需要，提出了一種雷達遠程監控系統設計方法。采用高性能TMS320DM642處理器作為系統硬件平臺，應用其高速處理性能和片上集成外設端口功能，實現對雷達狀態視頻信號采集及數據壓縮處理，利用其IP端口完成遠程數據傳輸。該系統嵌入遠端雷達站，以視頻方式收集雷達工作狀態信息并上傳；雷達組網系統接收并顯示各雷達視頻信息，實現了遠程監控。



關鍵詞：雷達； TMS320DM642； 遠程監控； IP通信

中圖分類號：TN954+2-34

文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2012)01-0031-03

Design and realization of remote monitoring system based on radar networking



LI Hua-min， WANG Ying， SUN Jun-liang

(PLA Unit of 91550， Dalian 116023， China)



Abstract：

According to the requirement on remote radar station monitoring of radar networking system， a new design method for the radar remote monitoring system is proposed. The system hardware platform is based on high performance processor TMS320DM642， and uses the high-speed processing performance and video port function to acquire the radar state video signal and process the video data compression. Using the IP port， the data transmission is achieved for long-distance. As the system embedding every beyond radar， the radar work state information is transmitted by video collection. The radar networking system achieves remote monitoring by receiving and showing every radar video information.



Keywords： radar;TMS320DM642; remote monitoring; IP communication

收稿日期：2011-08-25

雷達組網是將不同頻段、不同體制、不同功能的多部雷達進行優化布站綜合使用，充分發揮各單站雷達功能，達到監測空間擴展和情報信息融合與共享等目的[1]。近年來雷達組網技術在氣象預報、航空航天、國防等領域得到了廣泛的應用，隨著組網系統內的雷達站數量不斷增加，設備的分布區域隨之迅速拓展，各雷達站提供的數據和信息，越來越難以滿足發展的需要了。雷達組網系統管理需要了解更詳細的雷達工作狀態信息，另外在多源信息融合處理等方面，各雷達工作的細節情況越來越被重視。本設計旨在組網系統的各類雷達內部嵌入遠程監控系統，通過視頻方式收集雷達工作狀態信息，將包含雷達信息的視頻信號轉換成數字信號，壓縮處理后通過IP網絡上傳；雷達組網系統監控中心復原并顯示各雷達現場視頻信息，隨時掌握所有雷達的當前運行情況，對遠端雷達實行有效的管理。

1 系統方案設計

雷達組網系統監控中心既要了解遠端雷達工作狀態，也要掌握雷達設備外部周邊情況。每部雷達狀態信息在其系統控制臺和伺服控制臺都有集中顯示，因此可直接從控制臺獲取雷達狀態視頻信息，而雷達外部周邊情況只有通過攝像方式獲取。采用視頻方法收集雷達現場工作信息，在信息采集過程不會對設備產生任何影響，獲取內容豐富且方法簡捷高效；同時也便于監控中心信息復原處理，可達到狀態信息顯示的一致。盡管各部雷達在體制及用途等方面有所不相同，但監控中心對其監管基本相同，因此設計是以不影響現有雷達功能為前提，滿足任何種類的雷達安裝使用。系統首先將雷達內部信息和外部情況轉換為標準模擬視頻信號，然后把包含雷達狀態信息的模擬視頻信號轉化成數字視頻信號，最后將數字視頻信號壓縮處理并通過網絡上傳到監控中心。

1.1 DSP平臺的選擇

由于系統采集的視頻數據量較大，同時需要對其進行實時處理，且還要完成數據網絡傳輸，因此選擇能夠滿足系統要求的、速度快、功能強大的數字信號處理器是十分重要的。TMS320DM642是TI推出的一款面向數字多媒體應用的32位定點高性能DSP，有3種時鐘頻率可選，最高處理速度達720 MIPS；它是在TI的C64xDSP內核的基礎上，集成了完備的視頻/音頻的輸入/輸出接口、以太網接口、PCI-66總線等片上外設[2]。該處理核為VelociTI.2TM結構，采用高級的超長指令字(VLIW)結構和多級流水線機制，8個獨立高速處理單元，使得在一個指令周期能夠并行處理8條32位的指令[2-3]。應用該DSP處理器不僅會極大地提高視頻圖像處理的速度，而且使算法的選擇更為靈活和多樣化[4]。

TMS320DM642處理器有利于系統構成五個主要特點：超長指令字VelociTI.2體系結構、增強的并行處理機制及二級緩存結構，保障數據處理運行高效率[3]；3個可編程視頻端口，可與視頻編解碼芯片無縫連接，簡化接口設計且增強了系統的可靠性[5]；外部存儲器接口64位EMIF可與SDRAM，SB-SRAM和SRAM等同步／異步存儲器的直接連接，便于存儲空間的擴展和大量數據的存取[6]；集成10 Mb/s/100 Mb/s自適應模式以太網接口，可為系統構建一條100 Mb／s的高速以太網接口；提供了多通道DMA／EDMA控制器和通用GPIO輸入/輸出端口等，便于系統管理與控制[7]。

1.2 系統組成

遠程視頻監控系統由DSP處理器、攝像機、信號轉換器、視頻解碼器、CPLD控制器、圖像存儲器SDRAM、程序存儲器FLASH、網絡傳輸接口等部分組成，系統結構如圖1所示。

圖1 遠程視頻監控系統框圖

每部雷達至少需要向監控中心提供4路視頻信息，才能較全面反映雷達現場工作情況。系統利用視頻采集的方式收集雷達工作狀態信息，視頻信息主要包括雷達系統內部信息和工作環境外部情況。設備內部信息由2路信號轉換器從雷達系統監控臺和伺服控制臺的顯示設備上錄取；設備外部情況由安裝在雷達站的2路攝像機直接攝取，主要是人員操作與設備周邊等情況。由于DSP不能直接處理模擬視頻信號，必須將采集的模擬視頻信號轉換成為符合ITU-R BT.656標準的數字信號，4片TVP5150高性能視頻解碼器承擔模擬視頻信號的數字轉換處理工作。

TMS320DM642主頻配置為600 MHz，處理能力為4 800 MIPS，滿足系統數據處理需要。為了滿足數據處理要求，通過EMIFA在CE0空間外擴2片SDRAM存儲器，系統的存儲空間擴展為32 MB。同時通過EMIFA在CE1空間外擴展了一片4 MB FLASH作為程序存儲器，當系統上電或復位啟動時，自動從程序存儲器上加載程序代碼。應用片內部的以太網控制器外設使用外擴物理層器件，構建一條100 Mb/s的高速以太網接口。采用CPLD搭建系統控制電路，避免了復雜的硬件設計，集中管理系統內的控制信號，主要包括總線控制、地址譯碼、同步控制信號、使能及中斷信號等。

1.3 主要工作流程

系統上電后，首先初始化DSP處理器，然后初始化PLL、GPIO、相關中斷寄存器、設置視頻端口及視頻解碼器，等待中斷信號。4路現場采集的PAL制式視頻信號，經過對應的視頻解碼器TVP5150處理，轉換成8 b的ITUBT.656格式的數字視頻信號，相應的行、場同步等同步信息打包成內嵌同步頭信號，一起送入DSP對應的視頻VP接口。各路模擬視頻信號經過解碼器轉換成數字信號后，傳送到DSP的數字視頻接口VP，通知DSP讀取的一幀內的圖像數據，存放到一個臨時的緩沖空間里，一幀圖像緩沖空間滿后觸發中斷；DSP接收到中斷后，將緩沖空間里的數據放到圖像緩存SDRAM中。DSP依次對圖像緩存SDRAM中的每路的整幀視頻信號進行壓縮編碼等處理，將處理后的數據寫入輸出緩存SDRAM中。當寫外部接口條件滿足，DSP將處理后的數據從輸出緩存SDRAM中讀出，經以太網輸出向雷達組網系統監控中心發送。雷達組網系統監控中心通過IP地址訪問各雷達站，接收雷達視頻數據信息，經過解碼回放以多屏切換顯示方式監視遠端雷達的工作情況。

2 主要接口設計

2.1 視頻接口

模擬視頻信號不能直接從網絡傳輸，只有轉換成為符合ITU-R BT.656標準的數字信號，才可方便地利用DSP進行壓縮處理后上網傳輸。TI公司生產的TVP5150是一款電視信號解碼專用芯片，支持NTSC／PAL／SECAM三種制式，對輸入的模擬視頻信號進行A／D轉換、視頻圖像的箝位及抗混疊濾波等預處理、模擬數字化轉換及亮度/色度、水平/垂直同步等信號的分離，將模擬視頻信號轉換為數字并行信號BT.656碼流格式，行/場同步信號包含在BT.656數字視頻數據流的EAV和SAV中[8]。

TMS320DM642的3個視頻端口VP0，VP1和VP2，支持BT.656數字視頻格式，每個視頻端口可配置為A，B兩個通道，這兩個通道具有一個可分離的5 120 B捕獲/顯示緩存[9]。設置其VP0和 VP1為輸入視頻端口，作為4路雷達狀態視頻輸入口，VP0的A，B通道分別與第1，2通道的TVP5150連接；VP1的A，B通道分別與第3，4通路通道的TVP5150連接。TMS320DM642通過I2C總線對TVP5150的參數進行配置，每路TVP5150輸出配置為8 b的YUV422格式，設分辨率為CIF(352×288)。一條I2C總線只能訪問2個TVP5150配置口，因而使用輸入/輸出端口GPIO控制I2C總線的切換，通過軟件設GPO［0]為“0”時，選通第1，2通道TVP5150進行配置；而設GPO［0］為“1”時，則選通第3，4通道TVP5150進行配置。

解碼器TVP5150在本地時鐘的控制下，通過EDMA通道自動向TMS320DM642視頻端口緩沖區單元發送數據，當采集完一場數據時產生DMA中斷。在DMA中斷服務程序中完成相應的處理后，存儲到外部SDRAM。TVP5150的GPCL引腳用來控制視頻數據流的采集，當GPCL為1時，允許VP口對輸入視頻數據流進行采集；當GPCL為0時，禁止采集。

2.2 網絡接口

TMS320DM642內部集成有以太網媒體訪問控制器和管理數據輸入/輸出模塊(EMAC+MDIO外設)。EMAC為DSP內核與網絡提供了一個有效的接口，EMAC為網絡的數據通路，MDIO是EMAC的狀態和控制接口，EMAC/MDIO控制寄存器直接映射到TMS320DM642存儲區。EMAC支持10 Base-T，100 Base-TX，可在10 Mb/s和100 Mb/s的速度下進行全雙工或半雙工傳輸。支持EMAC/MDIO復位和優先級，具有4 KB的緩存，傳輸CRC自動生成，并提供硬件流控制及服務質量保證(QoS)支持[7]。

EEMAC接口支持到計算機網絡協議的數據鏈路層，支持標準的MII接口與物理層設備相連。物理層設備使用BROADCOM公司的BCM5221、Pulse公司的1∶1型隔離變壓器H1102和AMP公司的RJ 45連接器，網絡通信硬件電路結構如圖2所示。

圖2 網絡通信硬件結構

BCM5221 為10Base-T/100 Base-TX以太網控制器，兼容IEEE 802.3標準，其MII接口與TMS320DM642的MII接口對接[10]。視頻數據經TMS320DM642壓縮處理之后，傳輸到BCM522轉換為以太網物理層能接收的數據，通過網絡電平轉化芯片H1102處理，經RJ 45接口傳輸到以太網上。

3 信息采集處理

3.1 雷達狀態信息采集

雷達狀態信息包括兩部分，一部分是雷達系統的內部信息，主要是通過其各分機檢測儀表和監控臺顯示出來的，它們直接反映了接收機、發射機、信號處理機、天線、伺服等分系統運行情況；而另一部分是設備周邊的外部情況，包括雷達機電設備外部狀況、人員操作及周邊環境情況等。

雷達內部信息的視頻信號從系統控制臺和伺服控制臺上錄取，通過信號轉換器規整成為標準制式視頻信號；外部信息采用攝像方式將雷達站設備外觀、人員操作情況及周邊環境攝制為標準制式視頻信號。4路視頻信號：一路由視頻轉換器將雷達監控臺顯示的系統信息轉換成PAL制式視頻信號；一路由視頻轉換器將伺服監控臺顯示的天控狀態信息轉換成PAL制式視頻信號；一路由外攝像機提供雷達站外部天線指向及周邊情況的視頻信號；一路由艙內攝像機提供設備狀況和人員操控情況的PAL制式視頻信號。雷達狀態信息和周邊環境情況的4路模擬視頻信號通過4路解碼器轉換為轉換成4路8 b的ITUBT.656格式的數字視頻信號。

3.2 數據處理

為了提高數據傳輸效率，必須選擇先進的壓縮標準進行數據壓縮處理。H.264是新一代視頻壓縮標準，加強了對各種信道適應能力，采用“網絡友好”的結構和語法，有利于對丟包和誤碼的處理；且應用范圍較寬，滿足不同速率、不同解析度以及不同場合傳輸的需求[11]。本系統的數字視頻信號壓縮編碼采用H.264標準，該標準是根據圖象序列中的冗余來進行數據壓縮的，其壓縮率比MPEG-4高1.5～2倍，且引入了面向IP包的編碼機制，碼流結構網絡適應性強，增加了差錯恢復能力，能夠很好地適應IP和無線網絡的應用。盡管H.264運算復雜度是H.263和MPEG-4的3～5倍，但TMS320DM642處理能力滿足H.264編碼算法的要求。

視頻信號處理的主要操作是循環采集一幀圖像，發送消息給圖像壓縮任務，并等待傳輸完成消息。圖像壓縮任務主要操作是循環等待視頻采集任務發來的采集完成消息，然后調用H.264編碼模塊進行壓縮圖像，當H.264碼流形成后，發送編碼完成消息給碼流傳輸任務。碼流傳輸任務也是在不斷循環等待編碼任務完成信號，使用TCP/IP協議傳輸H.264碼流，再發送傳輸完成消息給采集處理任務。三項任務互相協作，完成圖像的采集、壓縮、傳輸功能。

4 結 語

本文根據雷達組網系統設備特點，設計了一種集雷達系統信息采集處理功能和網絡數據傳輸功能為一體的遠程視頻監控系統，使遠端雷達站具備了收集狀態信息及向監控中心傳輸的能力。該系統具有處理速度快、工程易于實現、擴展升級方便等特點，信息顯示不需要監控中心重新采編，對分布系統設備集中管理有很好的推廣價值。

參 考 文 獻

［1］程子光，朱建沖，姜禮平，等.雷達組網控制系統框架模型［J］.現代雷達，2009，31(10)：26-29.



［2］王躍宗，劉京會.TMS320DM642 DSP應用系統設計與開發［M］.北京：人民郵電出版社，2009.



［3］TI. TMS320DM642 video/imaging fixed-point digital signal processor [M]. America: TI， 2007.



［4］竇錦志，黃士坦，向征.VelociTI體系結構及其軟件開發［J］.微電子與計算機，2002(7):9-14.



［5]TI. TMS320c64x DSP video/VCXO interpolated control (VIC) port reference guide [M]. America: TI， 2005.



［6］TI. TMS320C6000 DSP external memory interface(EMIF) reference guide [M]. America: TI， 2008.



［7］TI. TMS320DM642 video/imaging fixed-point digital signal processor [M]. America: TI， 2002.



［8］TI. TVP5150PBS ultralow-power NTSC/PAL video decoder data manual [M]. America: TI， 2007.



［9］TI. TMS320C64x DSP video port/VCXO interpolated control(VIC) port reference guide [M]. America: TI， 2007.



［10］Broadcom Corporation. BCM5221 Product [M]. [S.l.]: Broadcom Co.， 2007.



［11］AVC. IOS/TEC 14496-10 ITU-T Rec H.264 [S]. [S.l.]: AVC， 2003.



作者簡介：

李華敏 男，1960年出生，遼寧大連人，碩士，高級工程師。主要研究方向為雷達與測控。

王 瑛 女，1978年出生，遼寧鐵嶺人，工程師。主要研究方向為雷達信號處理。

孫君亮 男，1974年出生，山東海洋人，碩士，高級工程師。主要研究方向為計算機應用。