基于COM Express的回波预处理模块设计
来源: 现代雷达   发布时间: 2015-01-04 14:51   2249 次浏览   大小:  16px  14px  12px
针对舰载雷达数据处理平台的改造需求,设计了一种基于COM Express的回波预处理模块。通过调整雷达数据处理平台及软件的实现方式,将回波预处理前移,使用最小的改动量解决了雷达系统的回波数据接收瓶颈问题。分析了数据处理平台的改造需求,介绍了模块的设计方案、模块的硬件设计、回波预处理的数据传输流程以及PEX8311桥片在Vxworks下的驱动设计。工程实践表明,该模块大大提高了雷达的点迹处理能力,在极限情况下能正确接收并处理雷达回波数据,满足了雷达改造需求。

潘奇,倪卫芳,张宏超,南京电子技术研究所



关键词:COM Express模块;回波;预处理;PCI Express总线;Vxworks操作系统;数据处理

0 引言

随着现代电子技术飞速的发展,嵌入式系统已得到了广泛的应用。嵌入式系统是以应用为中心,以计算机技术为基础,软件硬件可裁剪,适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统的应用很多,一般都有较高的实时性需求。COM Express模块是一个高集成度的嵌入式计算机模块,使用模块设计嵌入式系统,在业界已经达成共识,因为设计一块载板远比设计一块计算机主板要容易很多。COM Express模块能提供较多的功能和接口,应用范围广;通过集成高性能的CPU,具有很强的处理能力;在开发方面,只需要研制专用的载板即可实现嵌入式应用,开发难度小。


1 应用背景

舰载雷达的实际工作环境复杂,雷达回波中夹杂着大量的杂波和干扰,在严重时虚假回波甚至为真实目标的30-40倍,而且每个回波在相邻方位仰角扫描波位和相邻距离采样单元会形成多个回波点,这使得雷达回波数据大大增加。对于数据处理平台,就要求其相对于其他普通雷达具有更强的处理能力和数据输入输出能力。


舰载雷达在前期研制时,数据处理平台使用AT96总线的加固计算机,其总线带宽较低,理论输入速度为lM Word/s(1Word为16 bit),在工作中加上握手信号,实际速度约为400k Word/s一500k Word/s。但雷达在遇到大量杂波时,回波数据最高能达到4M Word/s,大大超出AT96总线的吞吐能力,在这种情况下,为了确保数据处理的正常工作,软件就会丢弃一部分无法及时处理的回波数据,这样会造成雷达航迹等目标数据的丢失,从而影响雷达系统的正常工作。


解决AT96总线所带来的瓶颈问题,最为彻底的解决方案是将原有的AT96总线的加固计算机更换为CPCI总线的加固计算机(或其他类型的总线带宽更宽的计算机)。CPCI总线即使在32位、33 MHz下,它可以产生133Mb/s的吞吐率,故对于接收4MWord/s的雷达回波数据没有任何问题。但这种改造方法需要更换整个数据处理平台(包括计算机和接口板),改动量很大,改造成本高,周期长,风险大。由于此问题在雷达联试后期才发现,整个雷达系统已经设计完成,故需要用最小的改动量去解决数据丢失问题。


2 数据处理平台的改造方案

改造前的数据处理平台由加固计算机和接口板组成。数据处理主要完成点迹处理、搜索处理、跟踪处理、截获处理、波位编排等数据处理功能,以及与信号处理、雷达控制、终端显示等分系统的数据通信功能,数据处理软件的工作流程如图1所示。其中接口板使用16位的自定义输入并口从信号处理读取雷达回波数据,加固计算机则通过中断方式从接口板的缓存中读取此回波数据。加固计算机在收到回波数据后进行各类数据处理工作,包括点迹处理、搜索处理、跟踪处理、截获处理、波位编排等。处理完成后,将波束信息送到雷达控制分系统,航迹信息则送出到终端显示分系统进行目标信息的显示。



图1 改造前数据处理软件的工作流程

考虑到数据处理平台的特点,即数据处理从信号处理接收到的回波数据内包含了大量的杂波数据,经过点迹预处理后,其数据量将大大减少。若使用原有的AT96总线传输预处理后的点迹数据,这些点迹数据的数据量相对要少很多,在AT96总线的实际传输带宽之内。根据这个特点,我们适当调整了数据处理平台及其软件的实现方式,将点迹预处理功能前移,通过研制带有回波预处理处理功能的接口板,即可解决雷达回波数据的丢失问题。



图2 改造后的数据处理软件的工作流程

改造后的数据处理软件工作流程如图2所示。通过研制基于COM Express的回波预处理模块,将数据处理的点迹预处理功能前移到此模块上,使用AT96总线仅传输处理后的点迹数据,可大大减少AT96总线传输的数据量。经过点迹预处理后,雷达的回波数据中的杂波、干扰等无效的数据将会被丢弃,回波数据将转换成点迹数据。而雷达点迹数据较回波数据要少很多,经计算,预处理后的雷达点迹数据的最大值预计为400kByte/s左右(1 Byte为8 bit)。此数据量已在AT96总线的实际输入带宽之内,可使用原有的数据处理计算机正常接收和处理,从而可解决总线瓶颈问题。


3 硬件方案设计

3.1 COM Express模块介绍


“COM”就是模块计算机(Computer—On—Module),是一个以标准模块封装的、包含了所有必须的元器件、可引导的计算机主机。COM Express标准作为PICMG的开放标准,是COM模块标准扩展后的增强版本。COM Express标准能够将传统接口(如PCI和AGP等)与当前流行的LVDS接口(如PCI Express、SATA和SDVO等)平滑连接,它基于最新的总线技术,适用于目前所有的高性能CPU,同时它也提供传统总线技术到当今最新总线技术的过渡与兼容。COM Express使得市场上最小、最先进的嵌入式模块达到了最高的模块性能。


COM Express模块与载板通过连接器相连,共分为AB列和CD列2部分,AB列是必选的,提供关于PCI Express、SATA、LVDS、LPC总线、系统和电源管理、VGA和TV—out、以太网、电源和地等接口。CD列是可选的,提供SDVO、PCI、IDE、PCI Express、LAN以太网以及电源和地接口等。根据模块的尺寸,COM Express模块分为3种类型,即小型化模块(95mm×95mm)、基本模块(125mm×95mm)和扩展模块(155mm×ll0mm)。这3种模块陡用相同的连接器和信号定义,具有重叠的机械装配特性,这就使得各种模块可以互换使用。根据COM Express模块的不同应用,PICMG共定义了5种类型的COM Express模块,主要区别在于其对外接口不同,相同类型的COM Express模块可以互相替换,这使得基于COM Express模块的嵌入式应用具有很强的升级和扩展能力。


3.2 PCI Express到Local Bus的桥片PEX8311


PEX8311是PLX公司开发的第一款PCI Express总线到通用本地总线的桥片,为2个通用的工业标准总线提供了快速有效的互联,该芯片能兼容PCIe 1.O规范。PLX的I/O加速特性是PLX特有的数据通道架构技术,这种技术由强大的、灵活的高速数据传输引擎,并且具有智能管理单元对分布式的I/O功能进行管理。PEX8311有主模式、从模式和DMA 3种数据传输模式。主模式是由Local Bus总线主设备通过PEX8311访问PCI Express总线存储空间和I/O空间;从模式是由PCI Express总线主设备通过PEX8311访问Local Bus总线存储空间和I/O空间;DMA传输模式由PEX831l作为两总线的主设备,能在PCI Express总线存储空间和Local总线存储空间之间互传数据。3种数据传输方式中,从模式的优先级最高,主模式次之。DMA方式最低。PEX8311有6个内部FIFO,分别作为主模式、从模式、DMA这3种数据传输模式的读写数据通道,这些FIFO用于使2条总线的操作相对独立,从而保证高性能的数据突发传输。


3.3 IDE固态硬盘SST85LDl004T


SST85LDl004T固态硬盘是一款高性能、全集成的、内嵌Flash的固态硬盘驱动器,内部集成了ATA/IDE协议的文件系统,能够支持标准的ATA/IDE协议。内嵌的微控制器和文件管理的固件能够与ATA标准的接口通信,这样就消除了需要增加或开发诸如Flash文件系统(FFS)、存储技术驱动(MTD)软件的额外工作量。在一个芯片封装内集成有一个ATA控制器和一个4 GByte的NAND Flash(非易失性闪存)。此芯片对于固态存储的应用提供了经济的、扩展性强的解决方案。


SST85LDl004T固态硬盘整个封装在12mm×24mm的封装内,其占用的空间仅相当于2.5英寸(in)(1in=2.54cm)微型硬盘的1/10,特别适用于主板上空间位置较小的应用,适用于空间受限和数据稳定性要求较高的场合。


3.4基于COM Express模块的预处理模块设计方案


根据数据处理平台的改造需求,基于COM Express的回波预处理模块一方面需要保留与原有加固计算机的接口及雷达系统的输入输出接口,另一方面需要接收到雷达回波数据后能进行实时点迹预处理功能。


考虑到雷达在执行重要任务后的数据分析需求,此模块通过COM Express模块的IDE接口扩展连接了IDE固态硬盘,在进行点迹预处理的同时,能将雷达的原始回波数据记录下来,实现了数据处理平台的数据记录功能。另外在原数据处理平台中,还有l块接口板使用16位输出并口向雷达控制分系统送出雷达控制指令,因此本模块设计时通过FPGA扩展了l路输出并口。可替代该模块实现雷达控制指令的输出功能。


基于COM Express模块的预处理模块设计框图如图3所示。在模块的对外输入输出接口方面,通过FPGA扩展了1路16位的输入并口和1路16位的输出并口,分别用于接收雷达信号处理分系统的回波数据和向雷达控制分系统发送雷控指令。模块与加固计算机仍通过AT96总线连接,这样新设计的模块可直接替换原有的接口板。



图3 基于COM Express模块的预处理模块设计框图

COM Express模块与新设计的载板之间通过标准的COM Express插座互联,为方便后期的调试和数据分析,从COM Express模块引出了千兆以太网、USB、DVI显示等接口,后期可直接在COM Express模块上进行点迹预处理程序的开发。在IDE固态硬盘记录原始回波数据后,可通过千兆以太网接口将这些数据导出后进行分析处理。由于COM Express模块提供的显示为SDVO信号,故使用了CH7307C显示协议转换芯片,将SDVO信号转换为DVI显示信号输出。本次选用的COM Express模块没有PS/2的键盘和鼠标接口,但可利用USB接口连接调试用的键盘和鼠标。


通过使用PEX8311桥片。实现了COM Express模块与FPGA的连接。FPGA接收到外界输入的数据后,将通过由PEX8311桥片扩展的本地总线送给PEX8311桥片,再由桥片的PCI Express总线传输给COM Express模块,COM Express模块对数据进行处理后,将处理结果再由PCI Express总线传输给PEX8311桥片,通过本地总线再由FPGA接收。PCI Express是新一代的总线接口,采用点对点的串行连接,有着比PCI总线更优的系统构架及传输性能。FPGA接收到数据后,根据数据的类型,将高优先级的数据放入高优先级的FIFO中,而将低优先级的数据放入低优先级的FIFO中,然后通过中断方式通知加固计算机接收。在扩展的输出并口中,在加固计算机将雷达控制指令写入到FIFO中后,通过FPGA内的控制逻辑和电平转换后,可直接输出。


COM Express模块通过IDE接口连接的IDE固态硬盘的存储容量为4GByte,此固态硬盘一方面用于存储COM Express模块的操作系统和点迹预处理工作程序,另一方面用于实现数据处理平台的数据记录功能。


4 Vxworks下PEX8311桥片驱动的实现

由于雷达在跟踪、截获等工作方式下的周期很短,改造后的数据处理平台必须保持原有的实时性。改造前的数据处理平台使用了Vxworks实时操作系统。Vxworks操作系统是实时操作系统,其中断响应时间可以控制在20斗s以内,能满足大部分嵌入式系统的实时性要求。改造后的数据处理平台调整了原有的数据处理软件的工作流程,数据处理软件一部分运行在COM Express模块上,另一部分仍运行在原来的加固计算机内,因此运行在COM Express模块上的点迹预处理软件必须满足实时性要求。为此COM Express模块上仍旧选择使用了实时操作系统Vxworks,确保点迹预处理等功能的实时性。


对于COM Express模块,制造商提供了Vxworks下模块自身的设备驱动,包括USB、网络、IDE设备等,但对于通过PCIe总线扩展的PEX831l桥片,Vxworks下的驱动需要自行开发。在改造后的数据处理平台中,PEX8311桥片负责将雷达的回波数据从FPGA搬移到COM Express模块内,待处理完成后,又需要将处理产生的点迹数据从COM Express模块搬移到FPGA内,故PEX8311桥片的Vxworks驱动程序的实时性将是整个系统实时性的重要保障。


根据PLX公司提供的PEX831l桥片在Windows下使用DDK开发的驱动程序及其代码,在消化相关资料后,完成了PEX831l桥片在Vxworks操作系统下的驱动开发。


PEX8311桥片的驱动程序主要完成对PCI设备的初始化工作,包括厂商号和设备号的查找、读取PCI设备的基地址和中断号、链接中断函数、开始DMA任务,最后将进入中断处理主函数。为确保中断响应的实时性,在中断处理程序中,尽量进行最少的处理,其余的操作尽量在DMA传输中完成。模块的设备初始化工作流程如图4所示。



图4 模块的设备初始化工作流程

在完成PEX8311桥片的初始化工作后,驱动程序将进人中断处理的主函数。在主函数中,PEX8311桥片等待Local Bus和PCI Express端发出的中断,根据中断的类型,进行相应的DMA数据搬移工作,实现数据的快速搬移。


5 模块在雷达系统中的应用

基于COM Express的回波预处理模块在设计完成后,在雷达中进行了功能和性能的测试与验证。改造后的数据处理平台的雷达回波、点迹数据的传输流程如图5所示。信号处理送出的雷达回波数据通过MAX3096接口芯片转换成TTL电平,FPGA根据约定的数据传输控制逻辑将数据读到本地总线上。通过FPGA操作PEX831l的本地总线控制逻辑,PEX8311启动DMA模式将数据传输到COM Express模块内部。COM Express模块接收到原始回波数据后,其内部运行的雷达预处理软件对回波数据进行预处理,预处理后的产生点迹数据,点迹数据通过PCI Express总线再送给PEX831l桥片。PEX831l桥片则通过本地总线在FPGA的控制下,将数据存入到FIFO中。当FIFO的半满信号有效时,将启动AT96总线的中断操作。加固计算机在收到中断后,就能将数据读入到内存进行其它处理操作。


基于COM Express的回波预处理模块的功能和性能已在雷达系统中得到初步的测试和验证。此模块能在雷达系统中正确接收信号处理送出的回波信息,在COM Express模块进行预处理后,再通过AT96总线送给加固计算机。在雷达正常工作时(此时雷达的回波数据量较少),此模块的处理正常,并通过了较长时间的拷机试验。后期试验时将雷达的回波数据量增大(接近5M Word/s),此模块依旧处理正常。对于与COM Express模块之间的数据传输,在DMA模式下,在COM Express模块端,其实际读数据的速度为71.64M Byte/s,写数据的速度为25.4M Byte/s,这样确保了COM Express模块的数据收发时间得到有效控制,满足了实时性要求。另外,在模块的调试和验证过程中,模块的千兆以太网、USB、DVI显示、数据记录等功能也得到了验证,该模块工作稳定可靠,满足了雷达系统的改造需求,模块的实物图如图6所示。



图5 回波数据的传输流程图



图6 模块实物图

6 结束语

基于COM Express的回波预处理模块是在原有雷达系统改造条件严重受限的情况下提出的嵌入式解决方案,通过使用最小的改造量和改造成本,解决了雷达系统的点迹处理瓶颈问题,改造后雷达的点迹处理性能得以大幅提升,具有很高的实际应用价值。随着现代IT技术的不断发展,小型化和高集成度的设计将是未来武器系统的发展趋势,嵌入式系统将在雷达系统中得到广泛的应用。基于COM Express模块的嵌入式应用具有处理能力强、开发难度小、调试应用方便等优势,能够很方便的根据特定的应用需求实现各类处理和控制功能,具有很高的灵活性。