基于FT6678_BIOS和网络通信的雷达信号处理系统设计.pdf

第 卷 第 期(总第 期)年 月火控雷达技术 ()收稿日期:作者简介:孙慧敏()女助理工程师 研究方向为信号与信息处理技术基于 和网络通信的雷达信号处理系统设计孙慧敏 彭文秀 张开生 陈尹翔(西安电子工程研究所 西安)摘 要:本文面向雷达信号数据处理系统应用需求基于国产银河飞腾 芯片及其/实时操作系统和网络通信机制并结合多线程并发调度和低耦合分层架构设计给出了/操作系统下的实时雷达信号处理系统设计 与传统使用 循环和中断实现复杂系统的方法相比本文实现的雷达信号处理系统具有调试方便实时性高开发时间少以及兼容性、继承性和可移植性较好具有一定的工程价值关键词:/雷达信号处理多线程中图分类号:文献标志码:文章编号:()引用格式:孙慧敏彭文秀张开生陈尹翔 基于 和网络通信的雷达信号处理系统设计 火控雷达技术():/():/:/引言由于雷达系统与雷达信号处理算法技术革新的速度不断加快实际应用中的雷达系统对信号处理的实时性、功耗等性能要求也越来越高 要实现一个稳定、实时性高的雷达信号处理平台需要在雷达信号处理算法的每一步验证中仔细、严谨的重复导入导出数据并与 算法程序的运行结果反复进行对比验证 这需要在调试过程中花费大量的时间、精力、人力和物力因此为了满足上述功能需求本文在国产 的 芯片上实现了一种基于/操作系统线程间通信以及网络通信的雷达信号处理第 期孙慧敏等:基于 和网络通信的雷达信号处理系统设计系统 硬件架构设计为了在国产 的 芯片上实现基于操作系统和网络通信雷达信号处理系统的功能要求本文的硬件系统框架的具体架构如图 所示图 硬件架构设计国产 芯 片 是 对 标 公 司 的 的一款高性能军用多核浮点 芯片与 指令集兼容 该 芯片含有 个 内核拥有数据处理能力高片上接口资源丰富等特点 在本系统中作为主控制器主要负责接收、处理和传输 通过 发送过来的雷达数据并通过网络接口实现与 机上的数据交互 芯片是一款高性能、可编程资源丰富的芯片在本文设计的硬件架构方案中主要完成雷达信号的采集、模数转换、数字下变频和雷达信号的脉冲压缩等功能最后把处理完成的数据传输给 芯片 软件架构设计 /功能概述/作为强实时操作系统用于为应用程序提供实时的任务调度、同步和处理功能提供了基于优先级的多线程创建和执行模块、信号量同步模块、硬件驱动模块以及实时的分析配置工具其分为 个中断等级 最低 最高/操作系统是基于实时组件软件平台即 创建的其提供了一套非常重要的内部处理器通信机制 用于多核处理器内部处理核之间的通知/提供的包如表 所示 每个包提供了一个或多个模块每个模块又提供了使用该模块的 表 /提供的包包描述 包含特定于目标/设备的功能 包含用于各种情况的 接收的多个实现 包含、和 模块 提供了 接口的几种实现 包含要实现模块的接口 包含加载模块 包含/内核的模块 当需要用到/操作系统时 模块会为其创建分配一个 实例作为当前/操作系统的默认 当程序执行时运行函数()的里面 是空时此系统创建的默认 将会被自动使用 在多核使用过程中操作系统内部会使用几个中断向量分别是网络的、号中断同时 自动占用 号中断系统时钟占用 号中断 多线程设计大部分实时应用程序必须同时实现某些与当前程序看起来没有任何关系的功能实际上是在响应外部事件比如收取数据或者外部同步控制信号实现这些功能函数叫线程在/操作系统中这个定义被解释成由 处理器执行的单一独立的指令流 线程主要有四种类型:硬件中断()线程、软件中断()线程、任务()线程、空闲()线程在优先级上硬件中断优先于软件中断软件中断优先于任务 硬件中断一般用于外部异步事件的紧急处理软中断一般用于定时器和线程控制经常用于关联执行频率比较低的应用任务或者响应时间要求跟硬件中断相比不是很高的处理程序任务可以一直等待直到某些必要资源能够被使用再继续执行中断调度:当其他中断打断了当前执行的任务系统则会使用堆栈来保存相关寄存器 任务的调度如图 所示 每个任务线程都有自己独立的堆栈这样能够保证在高优先级程序执行完成后正确精准地进入和执行较低优先级的线程 同时中断调度程序还允许启用用户观察程序火 控 雷 达 技 术第 卷图 任务的调度硬件中断和软件中断:较高优先级的硬件中断执行完之后系统的中断调度程序会马上唤醒软件中断响应软件中断的子程序将收集到的外设中断信息进行处理但当下个硬件中断响应时软件中断会立即被抢断 软件中断处理事务以 来计时硬件中断处理事务以 来计时 同步和互斥信号量:用于协调一些处于竞争关系的任务之间对共享资源的访问 当某个事件没有被执行完成或者被发布时信号量可以让任务处于挂起状态在实际应用中函数()用于等待信号量和任务的挂起而函数()用于发布信号量 如果信号量计数大于 函数()会减少信号量计数继续执行任务否则其会挂起任务直到信号量计数大于 事件:事件提供了线程间通信和同步的方法事件实例可被“挂起”和“发布如同信号量一样不同的是调用()函数需要另外指定等待哪些事件()函数的使用则需要指定发布哪些事件 硬件中断、软件中断和其他任务都可以调用()函数但只有任务能调用()函数 邮箱邮箱是先进先出的队列邮箱实例可以被多个线程读取和写入 当对邮箱进行写入时邮箱模块把要传递的缓冲区里的内容复制到固定大小的内部缓冲区中 邮箱内部的缓冲区个数和大小必须在被系统创建时指定在实际应用中邮箱发送和接收的所有缓冲区的大小必须与被创建时的指定的大小相同其中()函数表示向邮箱队列写数据如果队列已满则其返回 挂起任务直到其可以被写入数据()函数表示从队列中读取数据如果当前邮箱队列为空则返回 无限等待挂起读取任务直到队列有数据 网络通信网络通信可以实现不同操作系统和不同硬件体系结构的信息交互 而实现/操作系统以太网通信模块需要三个步骤:首先需要实现底层硬件驱动程序打通底层通信链路其次需要在/操作系统平台上配置和运行 的协议栈添加包含必要的相关库文件最后才可以在平台开发、定制、封装用户可以使用的网络应用程序 套件的核心是/协议栈它也是一个分层的体系结构 网络模型中的/层实现沿用了之前/模型中的传输层、网络层、数据链路层的功能在编写实现嵌入式网络应用程序时与一般的/的实现流程不同首先要在主函数中创建一个实现网络调度的总线程这个线程作为网络入口程序实现对协议栈进的配置和初始化以及实现和完成所有网络控制活动 主要功能模块表 任务分配名称任务类型优先级系统初始化()接收数据 接收数据 中断注册网络后台配置网络发送调试数据网络实时发送数据实时上报系统状态 处理目标报告网络心跳包任务 在实际应用中软件中断和任务一般用来实现系统的主要程序代码硬件中断用来响应和实现与外部设备关联性特别强和对实时性要求特别高的功能模块程序代码在本文设计的雷达信号处理系统中将跟外部 关联的中断子程序代码模块注册为硬件中断线程将雷达信号处理系统中的动目标检测()、动目标显示()、恒虚警检测()、目标凝聚、旁瓣匿影、测角、目标合并、目标上报等雷第 期孙慧敏等:基于 和网络通信的雷达信号处理系统设计达信号处理过程注册为任务雷达信号处理模块中要完成的功能有:网络通信模块、数据接收和帧头解析模块、雷达信号处理模块、数据实时显示模块、目标报告分析显示模块 系统的任务划分包括:网络发送雷达信号处理调试数据任务、网络实时转发数据任务、实时接收数据任务、雷达信号处理任务、实时上报系统状态任务、目标上报任务、心跳包任务 配置流程在网络通信功能模块中任务的实现采用客户端和服务器的模式硬件板卡作为网络通信的服务器端 机作为客户端两者都采用的是套接字编程 本文网络通信程序的流程如下:首先在主线程中创建一个网络后台进程任务配置流程为:)调用 ()并创建一个新的配置)创建配置并为创建的配置添加本地 地址、子网掩码、域名字符串等)创建并添加主机名)添加默认路由和网关)通过调用()函数启动配置的网络)在()返回时通过()函数释放并关闭配置的网络其次在主线程创建一个网络连接和通信线程实现流程如下:)调用()函数为网络连接任务分配文件环境)初始化套接字监听用户 协议连接请求)初始化客户端的 地址和端口号)等待发送使能)发送完成 软件工作流程本文采用 软件和 语言实现网络通信的客户端程序 实时显示脉压数据的软件工作流程如下:开始执行软件点击连接 可将客户端绑定到指定端口号初始化成功后当 发送数据过来时会激励 信号调用相应的槽函数用来处理通过网络传输过来的数据先解析帧头获取相关参数再按照格式解析数据并将数据添加到 类对象里最后实时显示到界面上图 所示为实时显示软件的工作流程图 图 所示为实时显示脉压数据的 界面图 实时显示软件工作流程图图 实时显示软件 界面火 控 雷 达 技 术第 卷将雷达信号处理过程中的调试数据保存成文件的工作流程如下:首先开始执行软件设置保存文件的路径和文件名点击连接 按钮客户端初始化成功当服务器发送数据过来时会自动保存成文件接收完成后点击断开 按钮即可保存成文件点迹分析软件的流程图和 界面分别如图 和图 所示 其工作流程如下:开始执行程序点击点迹处理按钮点击浏览按钮选择文件在方位帧号选择中可以指定要看的帧号点击加载数据按钮即可显示当前的所有点迹当鼠标放到任意点可显示点目标相关的距离单元方位角等信息在界面左下方可以设置一次显示历史帧的数量点击点迹播放按钮可显示指定数量的帧的所有点迹图 所示为点迹分析界面同时显示 帧数据将鼠标放置在任意点上方会显示当前帧的帧号和点目标个数以及当前点目标的相关信息图 点迹分析软件流程图图 点迹分析软件 界面第 期孙慧敏等:基于 和网络通信的雷达信号处理系统设计 系统的工作流程网络通信模块的工作流程如图 所示 系统软件的总处理流程框架如图 所示 系统的数据流如图 所示图 网络模块工作流程图 软件系统总处理流程图 系统处理数据流火 控 雷 达 技 术第 卷 系统软件的工作流程如下:系统上电后先执行复位函数表实现系统复位后执行 函数初始化 语言执行环境调用用户自定义的第一个回调函数()此函数初始化了一些时钟、等外部设备运行相关模块的初始化函数运行 函数对系统的硬件及参数进行初始化 在主函数运行之后整个启动的过程由/系统监管/通过在主函数中调用的 函数系统开始启动运行在 函数运行之后/操作系统内核根据用户配置好的任务类型和优先级调度执行定义的各种任务 主要的初始化工作有:)启动 相关的函数运行用户提供的“”函数)使能硬件中断)启动定时器模块根据用户实现的相关配置文件配置定时器模块如果系统支持定时器在此阶段配置所有的定时器使用用户指定的配置如果定时器被配置为“自动模式”那么就在此启动)使能软件中断用户通过配置文件中 语句设置软件中断模块的使能)任务线程启动用户通过配置文件中 语句设置线程模块的启动使能)线程模块启动后系统中的任务调度开始运行在系统运行结束后与其相关的资源和初始化阶段占用的空间需要进行释放 释放过程中执行流程如下:)调用标准 函数中的 函数进行 相关环境的释放)调用 提供的 函数以后进先出的方式调用各模块的 函数本系统中最大的亮点为:系统正常运行时当/芯片采集数据传输到 对数据做完处理后通过 传输给 每次传输前使能 中断硬件中断触发相应的中断子程序中断子程序中实现对数据的解析、处理和存储每接收一个 的数据启动一次雷达信号处理流程在雷达信号处理的每一步都可以通过网络将数据导出而导出的数据可以在 软件中进行分析并与 算法相应的实现结果进行对比归一化求误差值在合理范围内就可以对比证明 中的程序代码模块的实现效果 实现结果本文将程序运行生成的 文件烧写到国产飞腾 芯片中并启动系统开始运行采集雷达数据当脉压数据到达 发布信号量将数据发送给相关上位机软件界面可正常实时显示将系统处理过程中的中间调试数据如 平面和 平面数据通过网络发送给相关上位机软件保存成文件将数据通过仿真器从 软件中导出同样保存成文件将上位机保存的文件与通过仿真器导出来的数据文件进行分析对比由图 可知两者数据完全相同图 导出与网络保存数据对比 图 和图 所示为本文设计的雷达系统中进行实时显示脉压数据和分析一次点数据的 界面由图可知该软件运行和显示正常综上所述本文基于 和网络通信第 期孙慧敏等:基于 和网络通信的雷达信号处理系统设计设计和实现的雷达信号处理系统可正常运行并达到了节省调试时间调试方便和实时性高的预期结果 结束语本文给出了基于国产 芯片的/操作系统和网络通信的雷达信号处理系统的设计方案和实现方法 在基于本文设计的硬件架构和软件架构的基础上该系统实现了分层架构设计、多线程并发调度、网络通信交互、上位机软件界面、可靠的数据接收与分发与传统的“中断 主循环”实现方式相比而言本文实现的雷达信号处理系统具有调试方便可靠实时性高节省开发时间以及通用性、实用性和可移植性较好具有工程价值可在其他工程项目中移植使用参考文献:陈猛姚媛媛.工业大数据时代高速无线通信技术研究综述.小型微型计算机系统():.李浩关冰.基于 实时操作系统的数据采样处理系统设计.数字技术与应用():./.:.飞腾公司.产品使用手册.天津:.王谦田欢.基于 实现多任务以太网络数据传输.无线互联科技():.郭绪涛.基于 并行多处理器系统信号处理及通信控制软件设计.哈尔滨:哈尔滨工业大学.肖驰.地面监测站全国产化信号处理单元硬件设计.电子世界():.康明涛季卫华王彤.国产高性能信号处理模块设计研究.信息与电脑(理论版)():.王太伟陈洋等.基于国产化信号处理机的 雷达算法实现第十三届全国 应用技术学术会议论文集杭州:.焦淑红焦壮.基于多核 的以太网通信接口设计.电子科技():.马倩.基于/的弹载 并行处理研究.西安:西安电子科技大学.