基于FPGA的机载合成孔径雷达数字信号处理机接口板卡的设计与实现
摘要：介绍基于ＦＰＧＡ芯片实现的机载合成孔径雷达数字信号处理机接口板卡。该接口板卡负责将输入数据缓存和信息格式转换，然后打包成处理机需要的数据帧发送到信号处理机，并具有ＰＣＩ接口功能和在线自检测功能。着重介绍了系统的硬件结构设计和软件实现功能，给出了选用的主要芯片的型号。该接口板已应用于某合成孔径雷达数字信号处理机中，整机使用证明该系统工作稳定，实现了设计中要求的功能。
关键词：数据接口LINK口现场可编程门阵列PCI接口
机载合成孔径雷达（ＳｙｎｔｈｅｔｉｃＡｐｅｒｔｕｒｅＲａｄａｒ，简称ＳＡＲ）是以“合成孔径”原理和脉冲压缩技术为理论基础，以高速数字处理和精确运动补偿为前提条件的高分辨率成像雷达。对于机载合成孔径雷达成像处理来讲，仅有目标的原始回波数据是不够的，还必须获得雷达和载机的参数。另外，为了满足信号处理机实时处理的要求，要求输入到处理机的各种数据符合处理机成像处理的数据格式。这样，处理机在获得数据帧后就可以直接进行成像处理而不必再有格式转换的开销。但是?目标的原始回波数据与雷达和载机的参数数据来自两个不同的设备?它们的数据格式和时序都是由各自的设备确定的，因此信号处理机便面临着与外围设备接口的问题。
１系统功能
在本机载合成孔径雷达系统中，进出接口板卡的数据流包括数据采集设备输入的原始回波数据、监控设备输入的雷达和载机的参数数据以及输出到处理机的成像处理数据。它们有如下特点：①输入数据流的速度和时序不匹配。数据采集设备和监控设备是两个异步的系统，它们都有自己的定时控制电路，以自己的速度传输数据。②输入输出数据流的信息格式不匹配。数据采集设备输入的原始回波数据和监控设备输入的雷达和载机的参数数据采用ＦＰＤＰ协议传输，接口板卡输出到处理机的数据采用Ｌｉｎｋ口传输协议进行传输。
考虑到进出接口板卡数据流的特点和雷达系统对接口板卡的控制要求，接口板卡要具有如下功能：
（１）设置数据的缓冲、存储逻辑，以适应不同设备之间的速度差异和时序差异；
（２）进行信息格式转换，将目标的原始回波数据与雷达和载机的参数数据打包，插入相应的帧信息形成处理机要求的数据帧，并控制数据流的走向；
（３）实现ＰＣＩ接口，能够产生ＰＣＩ中断；
（４）具有在线自检测功能。
２系统硬件结构设计
为了简化系统硬件设计，增加系统的灵活性，采用ＦＰＧＡ芯片实现系统要求的数据格式转换、打包、分发和逻辑控制功能。数据缓存采用硬件ＦＩＦＯ和软件双口ＲＡＭ。ＰＣＩ接口采用专用接口芯片实现。硬件ＦＩＦＯ和软件双口ＲＡＭ的写时钟分别由各自的ＦＰＤＰ接口提供，其它时钟由接口板上的晶振提供。系统的硬件结构框图如图１所示。
２．１输入数据流的缓存方案
为了适应处理机与数据采集设备和监控设备之间的速度差异，解决速度不匹配问题，需要将输入的数据先进行缓存。数据采集设备送入的原始回波数据每帧的数据量比较大，接口板卡上设计了硬件ＦＩＦＯ作为原始回波数据的缓存器，ＦＩＦＯ的读写使能由ＦＰＧＡ编程控制，写时钟由ＦＰＤＰ接口提供，读时钟由接口板卡上的晶振提供。数据采集设备和监控设备是两个异步的系统，雷达参数数据流和原始回波数据流之间没有同步关系，一帧雷达参数数据对应几帧原始回波数据，因此设计中用双口ＲＡＭ作为雷达参数数据的缓存器。另外，每帧雷达参数的数据量比较小，本设计在ＦＰＧＡ内利用参数化的模块库（ＬｉｂｒａｒｙｏｆＰａｒａｍｅｔｅｒｉｚｅｄＭｏｄｕｌｅｓ，简称ＬＰＭ）中的ｌｐｍ＿ｒａｍ＿ｄｐ编程实现双口ＲＡＭ，简化了硬件设计。
２．２ＰＣＩ接口设计?
实现ＰＣＩ接口的方案一般有两种：采用可编程逻辑器件和采用专用总线接口器件。采用可编程逻辑器件实现ＰＣＩ接口的最大好处是比较灵活，缺点是设计难度较高，开发周期较长。采用专用接口器件实现虽然没有采用可编程逻辑器件实现那么灵活，但能够有效地降低接口设计的难度，缩短开发时间。本系统采用专用接口器件ＰＣＩ９０５２实现接口板卡的ＰＣＩ接口。
接口板卡的硬件资源为映射到ＦＰＧＡ内部寄存器的Ｉ／Ｏ映射空间和一个中断源。ＰＣＩ９０５２提供５个局部地址空间，选用Ｓｐａｃｅ０作为接口板的地址空间，分配１６个８位地址。同时设置相应的初始化，ＰＣＩ配置寄存器中的ＰＣＩＢＡＲ２设置为０ＸＦＦＦＦＦＦＦ０，向系统请求分配内存的数量为１６。设置局部地址空间的范围为０Ｘ０１００００００～０Ｘ０１００００１０。ＰＣＩ９０５２提供两个局部中断源，选用ＬＩＮＴｉ１。ＦＰＧＡ提供电平触发中断信号，因此ＰＣＩ９０５２的中断触发模式设置为电平触发。利用ＰＣＩ９０５２的局部设备片选信号ＣＳ０＃作为ＦＰＧＡ的片选信号。ＣＳ０＃片选信号的起始地址和地址范围由ＣＳ０ＢａｓｅＡｄｄｒｅｓｓ寄存器的设置值０ｘ０１００００１１决定，即起始地址为１００００００ｈ，地址范围为２０ｈ。ＰＣＩ９０５２寄存器的初始值由串行ＥＥＰＲＯＭ提供，在ＰＣＩ９０５２加电后读取。ＥＥＰＲＯＭ必须采用支持连读功能的芯片，本设计中采用ＦａｉｒＣｈｉｌｄＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ公司的９３ＣＳ４
６Ｎ。
２．３ＦＰＧＡ的配置设计?
本设计为ＦＰＧＡ提供了两种配置方式：主动串行配置和被动串行配置。
主动串行配置由ＥＰＣ２向ＦＰＧＡ器件输入串行位流的配置数据。在该配置方式下，一直由ＦＰＧＡ控制着配置过程。在加电过程中，ＦＰＧＡ检测到ｎＣＯＮＦＩＧ由低到高的跳变时，就开始准备配置。ＦＰＧＡ将ＣＯＮＦ＿ＤＯＮＥ拉低，驱动ＥＰＣ２的ｎＣＳ为低，而ｎＳＴＡＴＵＳ引脚释放并 《基于FPGA的机载合成孔径雷达数字信号处理机接口板卡的设计与实现》
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关键词：数据接口LINK口现场可编程门阵列PCI接口
机载合成孔径雷达（ＳｙｎｔｈｅｔｉｃＡｐｅｒｔｕｒｅＲａｄａｒ，简称ＳＡＲ）是以“合成孔径”原理和脉冲压缩技术为理论基础，以高速数字处理和精确运动补偿为前提条件的高分辨率成像雷达。对于机载合成孔径雷达成像处理来讲，仅有目标的原始回波数据是不够的，还必须获得雷达和载机的参数。另外，为了满足信号处理机实时处理的要求，要求输入到处理机的各种数据符合处理机成像处理的数据格式。这样，处理机在获得数据帧后就可以直接进行成像处理而不必再有格式转换的开销。但是?目标的原始回波数据与雷达和载机的参数数据来自两个不同的设备?它们的数据格式和时序都是由各自的设备确定的，因此信号处理机便面临着与外围设备接口的问题。
１系统功能
在本机载合成孔径雷达系统中，进出接口板卡的数据流包括数据采集设备输入的原始回波数据、监控设备输入的雷达和载机的参数数据以及输出到处理机的成像处理数据。它们有如下特点：①输入数据流的速度和时序不匹配。数据采集设备和监控设备是两个异步的系统，它们都有自己的定时控制电路，以自己的速度传输数据。②输入输出数据流的信息格式不匹配。数据采集设备输入的原始回波数据和监控设备输入的雷达和载机的参数数据采用ＦＰＤＰ协议传输，接口板卡输出到处理机的数据采用Ｌｉｎｋ口传输协议进行传输。
考虑到进出接口板卡数据流的特点和雷达系统对接口板卡的控制要求，接口板卡要具有如下功能：
（１）设置数据的缓冲、存储逻辑，以适应不同设备之间的速度差异和时序差异；
（２）进行信息格式转换，将目标的原始回波数据与雷达和载机的参数数据打包，插入相应的帧信息形成处理机要求的数据帧，并控制数据流的走向；
（３）实现ＰＣＩ接口，能够产生ＰＣＩ中断；
（４）具有在线自检测功能。
２系统硬件结构设计
为了简化系统硬件设计，增加系统的灵活性，采用ＦＰＧＡ芯片实现系统要求的数据格式转换、打包、分发和逻辑控制功能。数据缓存采用硬件ＦＩＦＯ和软件双口ＲＡＭ。ＰＣＩ接口采用专用接口芯片实现。硬件ＦＩＦＯ和软件双口ＲＡＭ的写时钟分别由各自的ＦＰＤＰ接口提供，其它时钟由接口板上的晶振提供。系统的硬件结构框图如图１所示。
２．１输入数据流的缓存方案
为了适应处理机与数据采集设备和监控设备之间的速度差异，解决速度不匹配问题，需要将输入的数据先进行缓存。数据采集设备送入的原始回波数据每帧的数据量比较大，接口板卡上设计了硬件ＦＩＦＯ作为原始回波数据的缓存器，ＦＩＦＯ的读写使能由ＦＰＧＡ编程控制，写时钟由ＦＰＤＰ接口提供，读时钟由接口板卡上的晶振提供。数据采集设备和监控设备是两个异步的系统，雷达参数数据流和原始回波数据流之间没有同步关系，一帧雷达参数数据对应几帧原始回波数据，因此设计中用双口ＲＡＭ作为雷达参数数据的缓存器。另外，每帧雷达参数的数据量比较小，本设计在ＦＰＧＡ内利用参数化的模块库（ＬｉｂｒａｒｙｏｆＰａｒａｍｅｔｅｒｉｚｅｄＭｏｄｕｌｅｓ，简称ＬＰＭ）中的ｌｐｍ＿ｒａｍ＿ｄｐ编程实现双口ＲＡＭ，简化了硬件设计。
２．２ＰＣＩ接口设计?
实现ＰＣＩ接口的方案一般有两种：采用可编程逻辑器件和采用专用总线接口器件。采用可编程逻辑器件实现ＰＣＩ接口的最大好处是比较灵活，缺点是设计难度较高，开发周期较长。采用专用接口器件实现虽然没有采用可编程逻辑器件实现那么灵活，但能够有效地降低接口设计的难度，缩短开发时间。本系统采用专用接口器件ＰＣＩ９０５２实现接口板卡的ＰＣＩ接口。
接口板卡的硬件资源为映射到ＦＰＧＡ内部寄存器的Ｉ／Ｏ映射空间和一个中断源。ＰＣＩ９０５２提供５个局部地址空间，选用Ｓｐａｃｅ０作为接口板的地址空间，分配１６个８位地址。同时设置相应的初始化，ＰＣＩ配置寄存器中的ＰＣＩＢＡＲ２设置为０ＸＦＦＦＦＦＦＦ０，向系统请求分配内存的数量为１６。设置局部地址空间的范围为０Ｘ０１００００００～０Ｘ０１００００１０。ＰＣＩ９０５２提供两个局部中断源，选用ＬＩＮＴｉ１。ＦＰＧＡ提供电平触发中断信号，因此ＰＣＩ９０５２的中断触发模式设置为电平触发。利用ＰＣＩ９０５２的局部设备片选信号ＣＳ０＃作为ＦＰＧＡ的片选信号。ＣＳ０＃片选信号的起始地址和地址范围由ＣＳ０ＢａｓｅＡｄｄｒｅｓｓ寄存器的设置值０ｘ０１００００１１决定，即起始地址为１００００００ｈ，地址范围为２０ｈ。ＰＣＩ９０５２寄存器的初始值由串行ＥＥＰＲＯＭ提供，在ＰＣＩ９０５２加电后读取。ＥＥＰＲＯＭ必须采用支持连读功能的芯片，本设计中采用ＦａｉｒＣｈｉｌｄＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ公司的９３ＣＳ４
６Ｎ。
２．３ＦＰＧＡ的配置设计?
本设计为ＦＰＧＡ提供了两种配置方式：主动串行配置和被动串行配置。
主动串行配置由ＥＰＣ２向ＦＰＧＡ器件输入串行位流的配置数据。在该配置方式下，一直由ＦＰＧＡ控制着配置过程。在加电过程中，ＦＰＧＡ检测到ｎＣＯＮＦＩＧ由低到高的跳变时，就开始准备配置。ＦＰＧＡ将ＣＯＮＦ＿ＤＯＮＥ拉低，驱动ＥＰＣ２的ｎＣＳ为低，而ｎＳＴＡＴＵＳ引脚释放并 《基于FPGA的机载合成孔径雷达数字信号处理机接口板卡的设计与实现》
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