基于嵌入式DSP的雷達信號的高速傳輸與應用

姜曉波,孟慶鵬

(1.中國船舶重工集團公司第七二四研究所,南京211153;2.海軍駐南京地區雷達系統軍事代表室,南京210003)

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基于嵌入式DSP的雷達信號的高速傳輸與應用

姜曉波1,孟慶鵬2

(1.中國船舶重工集團公司第七二四研究所,南京211153;2.海軍駐南京地區雷達系統軍事代表室,南京210003)

國內外雷達技術的迅猛發展對雷達信號處理器的各項能力提出了更高的要求。DSP技術的采用提高了系統的各項指標,尤其是軟件、外圍接口技術的良好支持大大提高了雷達的性能。針對通用高速數字處理器(DSP)的雷達信號處理系統實現特點，介紹了TMS320C6455內部結構,從硬件和軟件方面論述了基于該系統網絡接口的數據高速傳輸過程及CCS的應用。

DSP;雷達信號處理;CCS;高速數據傳輸

0　引　言

近年來隨著雷達技術的迅猛發展和新體制雷達相繼問世,對雷達信號處理能力、存儲能力、可擴展性、軟件開發及數據傳輸和互聯能力等各方面都提出了更高的要求。基于嵌入式DSP技術在增強雷達信號處理能力的同時可有效提高雷達信號傳輸的性能和應用能力。通過對DSP的開發和應用設計可以支持雷達信號的對外接口技術性能和互聯效能，使雷達信號平臺系統結構、拓撲結構得到優化。采用DSP實現雷達信號傳輸的主要特點如下[1]：

(1)DSP普遍采用了改進的哈佛結構,使程序空間和數據空間分開,可以同時訪問數據和程序空間,有更高的指令執行速度;

(2) 多級流水線技術,減少了指令執行時間;

(3) 有針對濾波、相關、矩陣算法的乘法累加器,大大加快了處理數據的能力;

(4) 內部有DMA通道、串口通信等,大大提高數據塊的傳輸速度;

(5) 配有中斷處理器和定時處理器,很方便地構成一個小規模系統;

(6) 有專門針對DSP編程的軟件CCS,其應用方便,開發簡單。

CCS是一個基于Windows的DSP集成開發平臺,具有實時、多任務、可視化的軟件開發特點。

2　基于CCS軟件的雷達信號傳輸仿真

CCS(CodeComposerStudio)[2]開發工具是德州儀器公司(TI)針對DSP開發的集成軟件開發環境。CCS的功能十分強大。它集成了代碼的編輯、編譯、鏈接和調試等諸多功能,而且支持C和匯編的混合編程。開放式的結構允許用戶擴展自身的模塊。它的出現大大簡化了DSP的開發工作。在一個開放式的插件(plug-in)結構下,CCS內部集成了以下軟件工具[3]:

(1)C6000代碼產生工具,包括C6000的C編譯器、匯編優化器、匯編器和連接器;

(2) 軟件模擬器(Simulator);

(3) 實時基礎軟件DSP/BIOSTM;

(4) 主機和目標機之間的實時數據交換軟件RTDXTM;

(5) 實時分析(real-timeanalysis)和數據可視化(datavisualizationcapabilities)軟件。

2.1仿真平臺的設置

雙擊桌面上的SetupCCStudiov3.3以及設置CCS仿真平臺。

點擊左下角的Save&Quit按鈕退出此窗口,它還會提醒是否需要啟動CCS,選“是”進入CCS編輯界面，如圖1所示。

圖1　設置仿真平臺窗口

2.2啟動CCS建立工程

進入編輯界面并載入工程后如圖2所示。

圖2　載入工程后的界面

在project一欄里可以載入工程,工程里可以配置BIOS文件。BIOS是一個簡易的嵌入式操作系統,能大大方便用戶編寫多任務應用程序[4]。應用程序通過調用API函數來實現。API函數是為硬件目標工作的嵌入式程序,包括I/O模塊、軟件/硬件中斷模塊等等。

2.3硬件仿真和數據實時交換

TI的DSP提供在片仿真支持。它使CCS能夠控制程序的執行,實時監視程序運行。增強型JTAG連接提供了對在片仿真的支持。它是一種可與任意DSP系統相連的低侵擾式的連接。仿真接口提供主機一側的JTAG連接,如TMS320C6455。為方便起見,評估板提供在板JTAG仿真接口。在主機平臺上,RTDX庫函數與CCS一道協同工作。顯示和分析工具可以通過COMAPI與RTDX通信,從而獲取目標系統數據,或將數據發送給DSP應用例程。開發者可以使用標準的顯示軟件包,諸如NationalInstruments’LabVIEW,Quinn-Curtis’Real-TimeGraphicsTools,或MicrosoftExcel。同時,開發者也可研制他們自己的VisualBasic或VisualC++應用程序。

3　DSP與PC間高速通信

3.1EMAC/MDIO 模塊硬件及功能

TMS320C6455芯片中的EMAC(EthernetMediaAccessController)模塊以及MDIO(ManagementDataInput/Output)模塊為雷達系統和PC提供以太網通信支持。雷達系統通過EMAC模塊的GMII標準接口與物理層芯片L-ET1011C2-CI-D互聯,再通過RJ45接口連接到以太網。圖3所示為TMS320C6455 與以太網物理層芯片L-ET1011C2-CI-D,進而與以太網總線的硬件連接圖。

圖3　DSP與物理層芯片L-ET1011C2-CI-D相連

TMS320C6455的EMAC/MDIO模塊提供數據鏈路層的尋址、數據幀的構建、數據差錯檢查等功能。而物理層芯片L-ET1011C2-CI-D則負責執行以太網802.3協議物理層的通信功能,包括以太網總線沖突狀態的監控,對EMAC模塊收發數的據串行化、格式化操作等。物理層芯片與EMAC模塊通過GMII標準接口連接。如圖3中所示,TMS320C6455的網絡接口模塊由3部分組成:EMAC模塊、MDIO模塊及EMAC控制器模塊,其中EMAC模塊負責接口系統處理器。圖4為該模塊的詳細功能圖。MDIO模塊通過802.3協議定義的串行管理接口,用兩根共享的總線來連接物理層設備PHY。MDIO通過查詢物理層設備的狀態寄存器來對其進行控制。EMAC控制模塊則負責EMAC以及MDIO模塊與系統內核之間的數據傳輸,以及時鐘、中斷的控制管理。該模塊中包含了8K字節(2K×32bit)的內部存儲器RAM用作緩存描述符(BufferDescriptor)。

EMAC驅動模塊的核心問題是如何對緩沖描述符進行管理。緩沖描述符是DSP芯片內一片連續的存儲器單元(8K字節),是一連串的隊列,有指向前一個和后一個的指針和指向數據的指針,用來記錄接收到或即將發送的以太網數據包的信息。其實質就是描述內存地址的一段內存,由DMA控制負責把從物理層芯片PHY傳進來的數據搬運至DSP芯片內部。這樣可以高效地傳輸數據,并且充分利用CPU,如圖5所示。

圖4　EMAC模塊功能圖

圖5　緩沖描述符

3.2軟件的總體設計

在軟件的設計中采用了CCS中自帶的可裁剪嵌入式系統DSPBIOS。DSPBIOS提供線程管理、調度軟件中斷、周期函數、外部硬件中斷的管理[5-6]。本文用到的模塊主要有4個部分,即PRD(周期函數)模塊、HWI(硬件中斷)、TSK(任務)模塊、SEM(旗語管理),其中PRD用于實現周期性函數,HWI用于當有外部中斷信號時執行中斷服務子函數,TSK管理多任務,SEM通過計數完成任務線程的同步和相互作用。具體功能框圖如圖6所示。

圖6　程序總體設計原理圖

首先,程序設計從主函數main開始。main函數主要就是初始化EMAC:配置EMAC和MDIO功能寄存器值等。當main函數結束后,系統會初始化TASK任務。TASK可以設置多個任務并設置優先權,設置其中一個任務函數NET_TASK主要用于接收數據的處理。由于接收數據的不定時性,所以設置成while(1)形式的死循環,并在下面加接收旗語,當沒有旗語信號時當前任務會掛起。接收中斷信號來到時會調用接受中斷服務子程序發送旗語時,該任務會轉換為就緒狀態,然后等待處理數據。處理數據時,根據包頭確定協議類型,程序里只需區分ARP和UDP協議。在數據傳輸時要確定對方IP,所以在對方發送ARP協議時回復己方IP地址。而數據傳輸使用UDP協議,使用UDP協議的主要原因在于較TCP協議傳輸速度快,使用資源少,通信效率高,但是丟包率較高。但是,每秒要傳輸50幀以上的高像素圖片,且丟包的影響不大,所以采用UDP協議。硬件中斷管理中可設置MACINT_isr中斷服務函數。此函數在DSP收到11號中斷信號時調用,作用是查看MACINVECTOR寄存器值,確定中斷類型。當判定為錯誤中斷時,設置返回錯誤標志;判定為接受中斷時,調用接受中斷函數,并發送旗語給NET_TASK使其轉換為就緒狀態,當接受完成時就會轉到NET_TASK處理數據;判定為發送中斷時,則調用發送函數把描述符地址賦值給TXnHDP,啟動DMA發送數據。另外,在PRD模塊中設置周期函數TimerTick函數。此函數主要用來檢測EMAC和MDIO狀態變化,比如鏈接狀態的改變,以及當接受大量數據時添加描述符避免信息丟失和緩沖數據。

4　實驗傳輸結果

首先把程序通過仿真器下載到DSP中,通過網線連接DSP和PC。先通過ping命令測試DSP與PC是否連通。如果通訊通暢,則在PC端發送在復雜環境下的雷達信號到DSP內存中,圖7(a)所示為wireshark軟件抓取PC與DSP通信的數據包,協議為UDP,DSP地址為202.0.0.100,PC地址為202.0.0.10?？砂l送高達90MHz以上的雷達信號到DSP中去處理。圖7(b)表示通訊正常。圖8為篩選出來的雷達信號。

5　結束語

本文通過對DSP芯片的網絡電路配置與程序設計實現了DSP的雷達信號系統與外設PC機之間的信號高速傳輸,實驗結果與理論基本一致。同時,DSP的高速數字處理性能還可以應用到雷達、通信或其他密集數字處理運算環境中,借助于其外圍的高速網絡傳輸性能,其在大容量數據流吞吐與高速處理運算兩方面上相得益彰,從而使其為各種高速嵌入式運算實時應用提供了很好的開發平臺。

(a) (b)

圖8　處理過的雷達信號結果

[1]MarkARichards.雷達信號處理[M].邢孟道,王彤,李真芳譯.北京:電子工業出版社,2012.

[2]彭啟琮,管慶.DSP集成開發環境CCS及DSP/BIOS的原理與應用[M].北京:電子工業出版社,2004.

[3]TexusInstruments.TIDSP/BIOS用戶手冊與驅動開發[M].北京:清華大學版社,2007:190-228.

[4]TexusInstruments.TMS320DM643xDMPDDR2MemoryControllerUser’sGuide(SPRU986B)[M].TI,2007:7-54.

[5]王穎,陳朝陽,陳敏.基于DSP的以太網通信系統設計[J].計算機與數字工程,2004,32(6):51-54.

[6]謝希仁.計算機網絡[M].4 版.北京:電子工業出版社,2003:93-113.

High-speedradarsignaltransmissionandapplicationbasedonembeddedDSP

JIANGXiao-bo1,MENGQing-peng2

(1.No.724ResearchInstituteofCSIC,Nanjing211153; 2.MilitaryRepresentativesOfficeofRadarSystemofthePLANavyinNanjing,Nanjing210003)

Withtherapiddevelopmentofradartechnologiesathomeandabroad,itisrequiredthattheradarsignalprocessorshouldhavehighercapabilities.TheDSPtechnologyisadoptedtoimprovevariousindexesofthesystem,especiallythesoftwareandperipheralinterfacetechnology,whichgreatlyimproveradarperformance.Aradarsignalprocessingsystemispresentedbasedonthegeneralhigh-speeddigitalsignalprocessor(DSP).OnthebasisoftheintroductiontotheTMS320C6455internalstructure,theapplicationoftheCCSandthehigh-speeddatatransmissionprocessarediscussedindetailintermsofhardwareandsoftwarebasedonthenetworkinterfaceofthesystem.

DSP;radarsignalprocessing;CCS;high-speeddatatransmission

2015-12-27;

2016-01-15

姜曉波(1980 -),男,工程師,研究方向:雷達總體技術;孟慶鵬(1983-),男,工程師,研究方向:雷達總體技術。

TN911.7

A

1009-0401(2016)03-0049-05