基于Linux平臺(tái)的天氣雷達(dá)高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及數(shù)字信號(hào)處理設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) - 全文

　　Linux是開放源代碼、網(wǎng)絡(luò)化的操作系統(tǒng)，具有穩(wěn)定、高效、內(nèi)核可自由配置等特點(diǎn)。采用Linux 操作系統(tǒng)作為開發(fā)平臺(tái)與采用VxWorks 和Windows 作為開發(fā)平臺(tái)相比不僅有免費(fèi)的優(yōu)勢(shì)，而且對(duì)于發(fā)展核心技術(shù)，提高信息安全有著極其重要的意義，是自主研發(fā)的一個(gè)方向。隨著我國(guó)天氣雷達(dá)的快速發(fā)展，天氣雷達(dá)在民用和軍事領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。目前，天氣雷達(dá)高速數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)裙δ艽蠖蓟赪indows平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)由Windows平臺(tái)向Linux平臺(tái)的轉(zhuǎn)換，對(duì)于發(fā)展中國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)氣象軟件核心技術(shù)， 提高信息安全有著極其重要的意義。本文基于Linux 操作系統(tǒng)（2.6.23內(nèi)核），實(shí)現(xiàn)了天氣雷達(dá)高速數(shù)據(jù)采集及處理，對(duì)天氣雷達(dá)系統(tǒng)由Windows平臺(tái)向Linux平臺(tái)移植具有參考價(jià)值。

　　1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分析

　　1.1 工作原理

　　天氣雷達(dá)高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由I/Q數(shù)據(jù)采集、FIFO緩沖、FPGA控制模塊及PCI總線芯片PLX9054組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

　　其核心部分為FPGA控制模塊，主要實(shí)現(xiàn)4個(gè)功能：（1）根據(jù)雷達(dá)量程和距離分辨率調(diào)整AD采樣時(shí)鐘的頻率；（2）控制AD兩路采樣數(shù)據(jù)寫入FIFO 緩沖以及DMA 傳輸時(shí)從FIFO中連續(xù)讀出數(shù)據(jù)； （3）與PCI總線控制芯片PLX9054 進(jìn)行控制交互， 實(shí)現(xiàn)局部總線的讀寫控制、地址譯碼和中斷觸發(fā)；（4）與PLX9054 進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，使用FPGA內(nèi)部RAM保存控制天氣雷達(dá)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)工作的命令及數(shù)據(jù)，完成對(duì)雷達(dá)工作的控制。

　　I/Q數(shù)據(jù)采集輸出數(shù)據(jù)速度為2.4 Mb/s（I、Q數(shù)據(jù)各為24 bit），通過FPGA控制，合并寫入到FIFO緩沖。FIFO緩沖為32 bit、深度為16 KB的數(shù)據(jù)緩存，有效位為24 bit；與計(jì)算機(jī)總線的接口采用32 bit的PCI總線接口芯片PLX9054，PC機(jī)通過它完成與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互。

　　1.2 PC機(jī)與采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)訪問

　　1.2.1 局部地址分配

　　PC機(jī)與天氣雷達(dá)高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)訪問通過PCI總線芯片PLX9054實(shí)現(xiàn)，訪問目標(biāo)為FIFO緩沖和FPGA片內(nèi)RAM。對(duì)FIFO緩沖和FPGA片內(nèi)RAM分配不同局部地址，通過對(duì)局部地址總線進(jìn)行譯碼確定需要訪問的目標(biāo)。FIFO 數(shù)據(jù)采用DMA傳輸方式連續(xù)讀出， 每次傳輸長(zhǎng)度最大為8 KB，因此，設(shè)置FIFO空間32 bit局部地址范圍為0x20000000～0x2000FFFF，映射空間為PCI 地址空間bar2。

　　FPGA片內(nèi)RAM位寬為32 bit， 采用局部地址范圍為0x40000000～0x400FFFFF。映射空間為PCI地址空間bar3。

　　1.2.2 數(shù)據(jù)訪問方式

　　FIFO緩沖為可編程FIFO，由FPGA根據(jù)片內(nèi)存儲(chǔ)的雷達(dá)參數(shù)進(jìn)行控制。當(dāng)FIFO中數(shù)據(jù)達(dá)到設(shè)置的大小時(shí)，觸發(fā)PCIPLX9054引發(fā)PCI中斷，通過該中斷向驅(qū)動(dòng)程序申請(qǐng)發(fā)起DMA 傳輸。驅(qū)動(dòng)程序響應(yīng)該中斷后設(shè)置PCIPLX9054的DMA寄存器， 發(fā)起方向從局部總線到PCI總線的DMA傳輸，完成FIFO數(shù)據(jù)向PC機(jī)的傳輸。

　　FPGA片內(nèi)RAM通過PCI地址映射，使用IO操作方式進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫訪問。

　　2 Linux程序?qū)崿F(xiàn)

　　天氣雷達(dá)高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于Linux2.6內(nèi)核平臺(tái)程序，由基于PCI總線的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、數(shù)據(jù)采集及處理程序組成。

　　2.1 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)

　　設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的功能是在Linux2.6系統(tǒng)平臺(tái)下，通過對(duì)PCI總線控制芯片PLX9054的控制，實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與采集板的數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)接收及雷達(dá)工作狀態(tài)的控制。從功能結(jié)構(gòu)上，設(shè)備驅(qū)動(dòng)主要由設(shè)備裝載及初始化、提供給用戶層的接口函數(shù)、中斷及DMA數(shù)據(jù)傳輸三部分組成。

　　2.1.1 設(shè)備裝載及卸載

　　設(shè)備裝載和卸載即是Windows系統(tǒng)中設(shè)備驅(qū)動(dòng)安裝和卸載。在Linux2.6中，裝載和卸載主要通過調(diào)用系統(tǒng)提供的PCI總線驅(qū)動(dòng)注冊(cè)函數(shù)pci_register_drive和注銷函數(shù)pci_unregister_driver來實(shí)現(xiàn)，其注冊(cè)的driver數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

　　static struct pci_driver plx9054_pci_driver = {

　　.name = ‘pci9054’，

　　.id_table = plx9054_pci_tbl，

　　.probe = plx9054_probe，

　　.remove = plx9054_remove，

　　};

　　當(dāng)系統(tǒng)引導(dǎo)時(shí)，高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)板上電后，板上PCI總線固件對(duì)PLX9054設(shè)備進(jìn)行缺省配置，為設(shè)備的每個(gè)地址區(qū)域分配好資源。裝載函數(shù)在驅(qū)動(dòng)中用module_init聲明，進(jìn)行設(shè)備的初始化工作，調(diào)用PCI總線驅(qū)動(dòng)注冊(cè)函數(shù)，根據(jù)id_table定義的信息對(duì)PCI設(shè)備PLX9054進(jìn)行探測(cè)識(shí)別，完成PLX9054設(shè)備驅(qū)動(dòng)的PCI總線注冊(cè)，然后調(diào)用驅(qū)動(dòng)注冊(cè)的probe函數(shù)，完成PLX9054設(shè)備使能、PCI地址空間映射、PLX9054設(shè)備數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)初始化、設(shè)備注冊(cè)（注冊(cè)為字符設(shè)備）等操作。卸載函數(shù)用module_exit聲明，是裝載的逆過程，通過調(diào)用PCI總線驅(qū)動(dòng)卸載函數(shù)，繼而調(diào)用注冊(cè)的remove函數(shù)、注銷設(shè)備及PCI地址空間映射、釋放分配給設(shè)備的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)空間等操作，完成系統(tǒng)資源釋放。

　　2.1.2 設(shè)備接口函數(shù)

　　設(shè)備接口函數(shù)為用戶提供與設(shè)備進(jìn)行交互的不同功能接口，主要完成用戶與設(shè)備的讀、寫及設(shè)備控制訪問等功能，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為：

　　static const struct file_operations plx9054_fops = {

　　.owner = THIS_MODULE，

　　.open = plx9054_open， /*打開設(shè)備*/

　　.release = plx9054_close， /*釋放設(shè)備*/

　　.ioctl = plx9054_ioctl， /*IO操作*/

　　.read = plx9054_read， /*讀設(shè)備*/

　　};

　　這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在設(shè)備裝載過程中，作為設(shè)備注冊(cè)的參數(shù)完成與設(shè)備掛接、使用戶在系統(tǒng)調(diào)用中能訪問到上述關(guān)聯(lián)的設(shè)備接口函數(shù)。

　　設(shè)備打開函數(shù)plx9054_open完成以下操作：設(shè)備私有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)存空間分配及初始化，DMA連續(xù)物理內(nèi)存空間申請(qǐng)，為天氣雷達(dá)最大距離探測(cè)采集數(shù)據(jù)的大??；調(diào)用pci_map_single將分配的DMA內(nèi)存空間映射為用于DMA傳輸?shù)刂?；DMA數(shù)據(jù)緩沖區(qū)分配（容量為2 MB），緩沖區(qū)保存每次DMA傳輸中獲取的數(shù)據(jù)；調(diào)用request_irq對(duì)中斷函數(shù)p9054_interrupt進(jìn)行中斷號(hào)申請(qǐng)；對(duì)天氣雷達(dá)工作參數(shù)進(jìn)行缺省配置，啟動(dòng)雷達(dá)工作。設(shè)備釋放函數(shù)PLX9054_close完成的操作與設(shè)備打開函數(shù)與PLX9054_open相反。IO操作函數(shù)PLX9054_ioctl通過sys_ioctl系統(tǒng)調(diào)用，完成用戶與設(shè)備的信息查詢、雷達(dá)工作參數(shù)配置與查詢，如驅(qū)動(dòng)軟件版本號(hào)、雷達(dá)當(dāng)前工作各參數(shù)配置和查詢，主要用于對(duì)FPGA中RAM內(nèi)存空間的雷達(dá)工作參數(shù)數(shù)據(jù)訪問。由于這部分?jǐn)?shù)據(jù)對(duì)訪問速度要求不高，使用IO操作能很好地滿足設(shè)計(jì)要求。讀設(shè)備函數(shù)PLX9054_read將驅(qū)動(dòng)DMA數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)讀取到用戶空間緩沖區(qū)內(nèi)，完成采集數(shù)據(jù)從設(shè)備到用戶的讀取操作。

　　2.1.3 中斷處理及DMA傳輸

　　中斷處理及DMA傳輸是驅(qū)動(dòng)的核心部分，它的設(shè)計(jì)質(zhì)量直接影響到雷達(dá)采集數(shù)據(jù)能否正確、實(shí)時(shí)地從采集系統(tǒng)板傳送到設(shè)備驅(qū)動(dòng)緩沖區(qū)，并實(shí)時(shí)被用戶獲取。中斷處理工作流程如圖2所示。

　　由于DMA數(shù)據(jù)緩沖區(qū)遠(yuǎn)大于每次DMA數(shù)據(jù)傳輸大小，這對(duì)于雷達(dá)數(shù)據(jù)采集中因用戶讀取數(shù)據(jù)延遲而導(dǎo)致的緩沖區(qū)溢出有較好的抑制作用，而相對(duì)于現(xiàn)有計(jì)算機(jī)平臺(tái)，2 MB內(nèi)存容量已足夠。DMA數(shù)據(jù)緩沖區(qū)設(shè)計(jì)為循環(huán)緩沖區(qū)，使用讀、寫指針維護(hù)，在中斷處理中更新其寫指針，在PLX9054_read中更新其讀指針，采用溢出則覆蓋的機(jī)制，既方便管理，節(jié)省資源，同時(shí)又可對(duì)溢出進(jìn)行計(jì)數(shù)，很方便進(jìn)行實(shí)時(shí)性能的測(cè)試。

　　2.2 數(shù)據(jù)采集處理程序?qū)崿F(xiàn)

　　數(shù)據(jù)采集處理程序是雷達(dá)高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用處理程序，完成雷達(dá)高速數(shù)據(jù)采集及對(duì)采集數(shù)據(jù)的數(shù)字信號(hào)處理、輸出天氣雷達(dá)生成一次產(chǎn)品。其主要流程如圖3所示。

　　在采集I/Q數(shù)據(jù)時(shí)，I/Q兩路數(shù)據(jù)采用交叉采集方式存入FIFO緩沖中，每路數(shù)據(jù)有效位為23，最高位為符號(hào)位。因此，在采集數(shù)據(jù)處理中需對(duì)讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行I/Q數(shù)據(jù)分離，即將采集數(shù)據(jù)恢復(fù)為原始I、Q兩路數(shù)據(jù)，同時(shí)將24 bit數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為32 bit數(shù)據(jù)方式存儲(chǔ)，以滿足后面數(shù)字信號(hào)處理要求。

　　在軟件設(shè)計(jì)中，不同數(shù)字信號(hào)處理功能采用不同數(shù)字信號(hào)處理函數(shù)實(shí)現(xiàn)，在采集數(shù)據(jù)獲取前進(jìn)行選擇配置，數(shù)字信號(hào)處理功能增加可通過增加相關(guān)的數(shù)字信號(hào)處理函數(shù)來滿足，以方便功能的完善和移植。通過對(duì)I/Q數(shù)據(jù)分離后獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)數(shù)字信號(hào)處理即可獲得天氣雷達(dá)中的一次產(chǎn)品，如功率和反射率等。

　　本文基于Linux2.6平臺(tái)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了天氣雷達(dá)高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)和數(shù)據(jù)采集及對(duì)采集數(shù)據(jù)的數(shù)字信號(hào)處理，并在現(xiàn)有天氣雷達(dá)上完成了調(diào)試驗(yàn)證。目前，本設(shè)計(jì)已成功地應(yīng)用在現(xiàn)有的天氣雷達(dá)中。