0 弁言
数据采集系统是一种运用非常广泛的仿照量丈量系统，其基本任务是将仿照旗子暗记经采样量化编码后送入打算机或相应的旗子暗记处理系统中，然后根据不同的须要进行相应的打算处理。随着科技的发展，其运用领域涵盖雷达、电力、空间遥测、汽车制造、军事等行业。雷达性能的日益强大离不开数据采集系统的发展，特殊是数据处理芯片和AD采样频率的快速发展。现在雷达探测间隔涵盖愈来愈广泛，探测精度越来越高，使得航海安全更具保障。
近年来，随着加工工艺的打破，处理器的运算速率大幅提高，同时芯片功能更加强大。仿照旗子暗记采样芯片AD的采样频率已达到10 GHz。采样频率和数据处理芯片运算速率的提高推动着数据采集系统的发展。因此，专用的数据采集卡日渐成熟，并大量呈现。雷达回波信息数据采集可以利用专用的高速数据采集卡来采集，实现雷达回波信息的高速实时采集[1]。解放初期我国雷达研制技能相比拟较薄落，航海上雷达的研制险些是空缺，海内的航海雷达险些是靠国外入口[1]。随着这几年的发展，尤其改革开放往后，我国经济腾飞，在科技领域与国际前辈水平的差距有了明显的改不雅观。我国海岸线绵长，随着渔业的发展壮大，船用雷达市场需求打开，雷达专用的数据采集卡的遍及运用将是未来的发展趋势。借此本论文提出一种雷达回波信息采集卡的技能方案。
1 硬件架构
1.1 硬件架构
航海雷达由天线、收发机、雷达旗子暗记采集单元和显示器四部分组成，如图1所示。本文紧张设计雷达旗子暗记采集单元，由天线和收发机产生的雷达旗子暗记包括视频旗子暗记、触发旗子暗记、方位旗子暗记和船首旗子暗记，它们不能直接被采集卡采集。为此，以上旗子暗记须要预处理之后才能被采集。旗子暗记经由转换电路后接入采集卡进行采集处理。采集卡紧张芯片采取DSP和FPGA芯片，并利用PCI接口的办法与PC机主板集成，以达到雷达图像实时精确地显示采集到的信息。
1.2 雷达视频旗子暗记剖析
本文以智森雷达RS1712作为实验雷达，视频旗子暗记幅度为-3.3~0 V，带宽20 MHz。旗子暗记参数不能直接接入AD采集，须要旗子暗记转换，转换接口电路如图2所示。航海雷达回波信息称之为视频旗子暗记，是由天线将吸收到的高频旗子暗记经变频、检波后包络完成的旗子暗记。雷达视频旗子暗记属于一维旗子暗记，回波强弱代表有无目标障碍物。雷达回波的采集是实现雷达功能的重中之重，也是雷达系统信息处理最前真个事情部分。
雷达视频旗子暗记不同于传统意义上的视频旗子暗记，它是利用微波成像事理形成的，回波旗子暗记的强弱程度决定了图像上相对应处灰度值的大小[2]。不同障碍物其材质、形状和大小的不同导致反射电磁波的能力不同，雷达根据障碍物反射电磁波的强弱来呈现出目标。雷达视频旗子暗记是通过扫描线刷新来局部变革的图像。全体雷达图像因此灰度值的大小和强弱来显示海面上目标物的大小和有无。灰度值越高的点，采集的视频旗子暗记越强。由于视频旗子暗记夹杂大量的杂波，在采集完成后须要以适当的门限值来限定杂波的影响。雷达天线每旋转一圈形成一幅雷达图像，图像以极坐标形式显示。
1.3 雷达脉冲旗子暗记剖析
（1）触发旗子暗记：触发旗子暗记是全体雷达旗子暗记中的主要旗子暗记之一，是雷达的总指挥，它掌握发射机、吸收机、显示器同步事情。触发旗子暗记与吸收机收到的雷达视频回波同步，由此确定一次回波的出发点和显示器上扫描线对应的韶光。本文实验雷达触发旗子暗记幅度约为6 V、脉冲宽度约为33.2 ms，旗子暗记参数不能直接接入采集卡，须要进行旗子暗记转换，转换电路如图3。
（2）船首旗子暗记：天线在旋转过程中，当转到正北或者船舶航行方向时雷达产生的旗子暗记。由此，该旗子暗记可以作为天线旋转一周的标志旗子暗记，同时可以作为视频旗子暗记处理等分隔两幅相邻图像的标志。本实验雷达的幅度为 +12.5 V。转换电路如图4。
（3）方位旗子暗记：方位旗子暗记是由天线产生，与天线旋转同步的旗子暗记。为了电路大略雷达在天线底部安装码盘，天线每旋转一圈通过码盘可以产生几百个增量脉冲，但在显示器显示前，利用锁相倍频电路将每周的脉冲调度到4 096或者更高[3]。本实验雷达天线旋转一周输出360个方位脉冲，幅度约为+12 V。转换接口电路如图5。
2 数据传输
2.1 AD的选择
本文实验雷达脉冲重复频率为f=1 500 Hz，脉宽τ=0.32
，则雷达的发射波形伸展在S=Cτ≈100 m（C为光速）的空间间隔上。对付同一方位向上的两个等同目标，当间隔间隔S′=S/2=50 m时，它们在间隔上可以被区分出来，即雷达的间隔分辨率为50 m[4]。
在采样中如何考虑采样速率和采样数据精度是一个主要的问题。当采样频率为f时，可根据公式△=C/2f（C为光速）得采样点的间隔分辨率，所以为了使采样结果能够无失落真地还原出雷达回波，需担保△大于或者即是S，即必须担保采样速率f>=1/τ。根据RS1712雷达的性能指标参数，雷达视频旗子暗记的带宽为20 MHz，因此数据采样带宽哀求大于20 MHz，并且数字化的采样数据精度哀求不低于10位。一样平常哀求采样频率20 MHz以上，数据量大哀求传输速率与处理速率要相匹配。本文选用AD9225芯片，采集速率25 MS/s，数据精度达到12位。图6为AD部分事理图。
2.2 快速数据流的传输
此方案利用FPGA来掌握AD的事情。为了提高效率，采取乒乓缓存事理。乒乓缓存构造是在FPGA内部开辟出两个数据缓存区域，将数据等时地输入进去，区域的选择由选择标志位决定。在第一个周期内，将输入的数据缓存到数据缓存模块1中[5]；在第二个周期内，将输入的数据缓存到数据缓存模块2中。以此类推，随着韶光推移，缓存模块由输入选择标志位来掌握。两个数据缓存区域缓解DSP处理数据的压力，同时避免数据处理错位。两个数据缓存区域循环往来来往依次切换数据输入输出，可以更加有效的进行数据采集传送。以下为FPGA中部分程序。
reg[8：0]data_addr；
always@（posedge ADCLK or posedge RST）
if（RST）
data_addr<=0；
else
data_addr<=data_addr+1；
reg pingpang；
pingpang<=0；
else if（data_addr==511）
pingpang<=!pingpang；
reg[8：0]dpra；
wire[11：0]dpo1；
wire[11：0]dpo2；
always@（posedge ARE or posedge RST）
if（RST）
dpra<=0；
else if（~CE[2]&&（TEA==4′b0000））
dpra<=dpra+1；
3 技能方案
数据采集是雷达旗子暗记数字处理必不可少的条件，特殊对雷达微弱旗子暗记的检测，良好且不失落真的数据采集是处理的关键[6]。雷达视频旗子暗记数据量极大，实时性哀求高，为此须要专门的信息采集处理板卡。DSP与FPGA结合构成采集板卡主控芯片。DSP可胜任数据处理功能，FPGA能够供应AD采集接口和数据传输通道。此外，利用高性能DSP芯片和PCI接口芯片，可有效提高雷达旗子暗记采集卡的通用性和扩展能力。采集卡利用德州仪器6000系列6713，这是一款浮点型芯片，运算速率可达1 350 MIPS，搭配一款赛灵思公司的FPGA型号XC2S200。
该板卡采取了一款高速12位的模数转换芯片AD9225，转换频率达到25 MHz，可以知足雷达视频采集的哀求。数字旗子暗记处理模块以DSP作为核心处理器。DSP外接PROM和SRAM，个中，EEPROM存放程序代码用于DSP的boot loader，SRAM作为数据空间的扩展用于存储多次回波数据。首先，雷达上单元发出的视频旗子暗记经由高速AD采样后由FPGA掌握写入乒乓RAN中，DSP收到相应中断旗子暗记时，读取数据进行处理，处理完成的旗子暗记写入PROM和SRAN等待上位机的读取。方位旗子暗记、船首旗子暗记和触发旗子暗记经由预处理接入FPGA中。方位旗子暗记经由FPGA电平逻辑转换，由倍频电路倍频至4 096 Hz，作为雷达旗子暗记的方位基准传输给显示模块。触发旗子暗记作为掌握旗子暗记接入DSP中断，由DSP中断触发对视频旗子暗记的采集处理，以达到与上单元同步，同时区分每条扫描线的视频旗子暗记。船首旗子暗记经FPGA接入DSP中断，来触发对方位旗子暗记和触发旗子暗记计数清零处理，同时区分一幅完全的雷达图像。FPGA作为DSP的赞助器，帮忙DSP掌握其外设器件。其余，为了便于调试，在板卡中增长串口模块、JTAG模块和USB模块。
3.1 FPGA的功能实现
FPGA卖力掌握AD采样、读取采样数据和与DSP通信的任务，以及对脉冲旗子暗记进行预处理[7]。FPGA将对AD的配置参数写入其相应的寄存器中。将输入时钟分频，产生采样时钟供应给AD。同时，FPGA直接对AD下达启动采样开始。FPGA监测AD的采样完成旗子暗记，若采样完成则通过AD并行数据接口吸收一个采样数据，送入FPGA内部的开辟的乒乓RAN中，同时等待下一个采样数据的到来。当FPGA内部乒乓RAN存储满后溢出标志位触发DSP中断，DSP开始从数据总线中读取数据处理。
3.2 DSP功能
DSP卖力数据处理和掌握全体系统的折衷运作。触发旗子暗记、方位旗子暗记、船首旗子暗记经由FPGA时序处理接入DSP中断，DSP通过对此旗子暗记的处理完成对雷达视频旗子暗记的解析，例如掌握高下位机协同事情、确定雷达的分辨率、分割天线扫描一周形成的一帧图等。DSP有几个主要的掌握中断：触发旗子暗记中断是AD采集开始及一条扫描线数据开始标志中断；船首旗子暗记中断是触发脉冲和方位脉冲计数清零标志，同时也是一幅完全雷达图像产生的标志，而且由此得到船首位置；FPGA数据溢出标志位中断关照DSP从数据总线中读取采集的雷达数据。
3.3 PCI接口
PCI接口是运用最为普遍、较为成熟的接口总线。PC机主板中常见的接口总线都能够方便地与PC连接，并且具有独立于CPU的构造，兼容性好。同时，它具有传输速率快、存储耽误性小、本钱低、可编程等优点。PCI接口有现成的模块，故此不再赘述。
4 结束语
本文设计的雷达旗子暗记采集卡，结合目前较为前辈的硬件芯片，整合各个芯片的优点，实现对雷达的回波旗子暗记的高速采集。本设计中干系FPGA的程序用Xilinx ISE软件编写，DSP程序利用CCS软件完成程序设计。采取FPGA能够有效地掌握AD的采集，同时，能够实时、高速地把数据传输出去，为雷达旗子暗记的实时采集处理、雷达图像的实时显示供应了保障。DSP是传统的旗子暗记处理芯片，运算速率快，能够在高速数据流中发挥它的上风。
参考文献
[1] 邱海琴．航海雷达回波数据采集与特性研究[D]．厦门：集美大学，2011.
[2] 白雅卿．船舶导航雷达视频旗子暗记剖析[D]．大连：大连海事大学，2013.
[3] 郭鹏．雷达旗子暗记数字化单元研究[D]．大连：大连海事大学，2006.
[4] 王立宁.导航雷达回波旗子暗记数据采集与压缩技能研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2009.
[5] 邰林，黄芝平，唐贵林，等．并行缓存构造在高速海量数据记录系统中的运用[J]．打算机丈量与掌握，2008，16（4）：527-529.
[6] 张亚标，程家明，阎世强，等．一种雷达弱旗子暗记处理的视频回波数据采集系统[J]．空军雷达学院学报，2003，17（1）：31-33.
[7] 刘欢，田建生，梅安华，等．FPGA+双DSP构造的雷达旗子暗记采集处理系统设计[J]．打算机丈量与掌握，2005，13（2）：157-159.
