（信息與通信工程專業(yè)論文）機(jī)載sar通信控制板的軟件設(shè)計與實(shí)現(xiàn).pdf

國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院碩士學(xué)位論文 摘要 合成孔徑雷達(dá)( s y n t h e t i ca p e r t u r er a d a r 簡稱s a r ) 是一種高分辨率的微波成 像雷達(dá)，可獲得遠(yuǎn)距離高分辨率的雷達(dá)圖像，并具有全天時、全天候的特性，可 以大大提高雷達(dá)的信息獲取能力，已經(jīng)在資源普查、地形勘測、海洋研究及軍事 偵察等方面得到廣泛應(yīng)用【1 2 1 1 3 。為滿足機(jī)載s a r - 實(shí)時成像及圖像數(shù)據(jù)壓縮下傳的 要求，本文重點(diǎn)研究了機(jī)載s a r 實(shí)時成像系統(tǒng)中通信控制板的軟件設(shè)計問題，為 s a r 實(shí)時成像及圖像數(shù)據(jù)傳輸構(gòu)建了高性能、高可靠性的通信通道，并完成了s a r 圖像數(shù)據(jù)的實(shí)時壓縮。 為了提高成像質(zhì)量，機(jī)載s a r 在實(shí)時成像中需要結(jié)合使用慣導(dǎo)等設(shè)備的數(shù)據(jù) 進(jìn)行運(yùn)動補(bǔ)償。通信控制板要接收和處理各種測量和控制設(shè)備的運(yùn)動參數(shù)及狀態(tài) 信息，這些設(shè)備都采用串口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)量繁多，類型不同的低速串口對響 應(yīng)速度和數(shù)據(jù)處理提出了高的要求，迫切要求解決多串口通信的實(shí)時性和可靠性 問題。另外，機(jī)載s a r 圖像具有數(shù)據(jù)量大。傳輸率要求高的特點(diǎn)，成像結(jié)果直接 傳輸給地面控制系統(tǒng)會給數(shù)據(jù)下傳造成很大的壓力，通信控制板需將圖像數(shù)據(jù)進(jìn) 行壓縮后再通過同步串口下傳，解決圖像數(shù)據(jù)的實(shí)時壓縮和下傳問題 本文主要針對上述闖題展開了研究工作。首先，為解決多低速串口即時可靠 的數(shù)據(jù)通信問題，本文設(shè)計了一種基于f p g a 與標(biāo)準(zhǔn)串口器件的多串口通信實(shí)現(xiàn) 方案，在f p g a 內(nèi)實(shí)現(xiàn)多通道串行數(shù)據(jù)的幀頭檢測，奇偶校驗(yàn)和自動接收功能， 有效地實(shí)現(xiàn)了高速d s p 與多路低速串口的高效率數(shù)據(jù)通信，并增強(qiáng)了可靠性。其 次，基于c p c i 總線設(shè)計了主機(jī)與多d s p 的通信接口，實(shí)現(xiàn)了主機(jī)與通信控制板 的數(shù)據(jù)交互，并開發(fā)了板卡的驅(qū)動程序。最后，基于t s 2 0 1 實(shí)現(xiàn)了圖像壓縮算法， 針對大容量s d r a m 存儲器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了一種三維圖像存儲模式，大大提 高d s p 存取圖像數(shù)據(jù)的速度，從而提高了小波變換的效率；并在f p g a 內(nèi)部設(shè)計 實(shí)現(xiàn)了圖像數(shù)據(jù)下傳的同步串口，可將小波變換后的壓縮圖像直接下傳。 主題詞：s a rf p g a 多串口通信c p c i 圖像壓縮小波變換 第i 頁 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院碩士學(xué)位論文 a b s t r a c t s y n t h e t i ca p e r t u r er a d a r ( s a r ) c a l la c q u i r eh i g hr e s o l u t i o ni m a g ei nb o t hr a n g e a n da z i m u t hd i r e c t i o ni na l lw e a t h e rc o n d i t i o n s ，d a ya n dn i g h t s i n c ei tc a l lg r e a t l y e n h a n c et h ea b i l i t yo fi n f o r m a t i o na c q u i r e m e n t ，s a ri s 謝d e l yu s e di nt h ef i e l d so f r e s o u r c ee x p l o r a t i o n ，t e r r a i nr e c o n n a i s s a n c e ，o c e a nr e s e a r c ha n dm i l i t a r yr e c c e i nt h i s d i s s e r t a t i o n , 也es o f t w a r eo ft h ec o m m u n i c a t i o na n dc o n t r o lb o a r di na na i r b o r n es a r s y s t e mi sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e d , w h i c hb u i l dah i 曲p e r f o r m a n c ea n dr e l i a b l e c o m m u n i c a t i o nc h a n n e lf o rt h er e a l - t i m ei m a g ef o r m a t i o na n dt r a n s m i s s i o n t oi m p r o v et h em a pq u l i t y ，m o t i o nc o m p e n s a t i o nb a s e do nm e a s u r ed e v i c e ss u c h a si n e r t i a ln a v i g a t i o ns y s t e m ( i n s ) i si n e v i t a b l ed u r i n gt h ea i r b o r n es a r a l lt h e p a r a m e t e r so ft h em e a s u r e m e n td e v i c e si st r a n s m i t t e dt h o u g ht h es e r i a lp o r t s ，w h i c h m a k eah i 曲d e m a n df o rr e s p o n d i n gr a t ea n dd a t ap r o c e s s i n ga b i l i t y f o rt h em o r e ，t h e d a t as t r e a ma c c o r d i n gt ot h es a rr e a lt i m em a pw i l lb r i n gg r e a tp r e s s u r et ot h e s y n c h r o n o u s s e r i a lt r a n s m i s s i o nd o w n l i n kc h a n n e l i ti s n e c e s s a r i l yf o r t h e c o m m u n i c a t i o na n dc o n t r o lb o a r dt oc o m p r e s st h em a pd a t ai nr e a lt i m ea n dt r a n s f e ri t i n e r r a b l y b o t ho ft h ep r o b l e m sa r ed i s s c u s s e da n dr e s o l v e di nt h i s d i s s e r t a t i o n f i r s t l y , a m e t h o dt oi n t e r f a c em u l t i - s e r i a lc o m m u n i c a t i o np o r t sb a s e do nt h ef p g aa n das t a n d a r d s e r i a ld e v i c ei sp r o p o s e da n di m p l e m e n t e d t h ei s s u eo ft h ef r a m eh e a dc h e c ki s r e s o l v e di nt h ef p g ac o m p l e t e l y , w h i c hi m p r o v e st h ec o m m u n i c a t i o na b i l i t yb e t w e e n s e v e r a ll o w - s p e e du n i v e r s a la s y n c h r o n o u sr e c e i v e r sa n d t r a n s m i a e r s ( u a r t ) a n d a h i 曲 p e r f o r m a n c ed s pg r e a t l y a n dt h er e l i a b i l i t yi st e s ti nt h es a rs y s t e m s e c o n d l y ，t h e c p c ii n t e r f a c eb e t w e e nh o s tc o m p u t e ra n dt h et s 2 01 i si n t r o d u c e d , w h i c ho f f e r sa h i 班一s p e e dc o m m u n i c a t i o nc h a n n e lb e t w e e nh o s tc o m p u t e ra n dt h ec o m m u n i c a t i o na n d c o n t r o lb o a r d f i n a l l y ，a na d s pt s 2 01si su s e dt oi m p l e m e n tt h ei m a g ec o m p r e s s i o n a l g o r i t h mb a s e do nt h ew a v e l e tt r a n s f o r m w i t ht h ec o n s i d e r a t i o no ft h es t r u c t u r eo f l a r g ec a p a c i t ys d r a m s ，an e w m e t h o dc a l l e dt h r e ed i m e n s i o n sm e m o r ya l l o c a t i o ni s i n t r o d u c e di nr e a lt i m ei m a g ec o m p r e s s i o nt od e c r e a s et h ep r o c e s s i n gt i m ee f f e c t i v e l l y b e s i d e s ，t h es y n c h r o n o u ss e r i a lp o r ti sr e a l i z e di nf p g a ，w h i c hs u p p o r tad i r e c tw a y t o t r a n s m i ti m a g ed a t a k e yw o r d s ： s a rf p g an 如l 昏u a r t s c p c i i m a g ec o m p r e s s i o n w a v e l e tt r a n s f o w i n 第i i 頁 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院碩士學(xué)位論文 表目錄 表2 1s c l 6 c 5 5 4 內(nèi)部寄存器9 表2 2r xf i f o 觸發(fā)電平設(shè)置1 0 表2 3 數(shù)據(jù)長度設(shè)置1 0 表2 4 校驗(yàn)?zāi)Ｊ皆O(shè)置1 0 表2 5 停止位長度設(shè)置1 0 表2 6 常用波特率對應(yīng)的波特率因子寄存器值1 1 表2 7 完全基于d s p 接收和發(fā)送數(shù)據(jù)串口性能測試結(jié)果。1 3 表2 8 不同波特率時連續(xù)兩個數(shù)據(jù)之間的時間間隔1 4 表2 9 基于f p g a 接收串口數(shù)據(jù)串口性能測試結(jié)果1 7 表3 1c p c i 配置空間頭標(biāo)區(qū)2 8 表3 2 突發(fā)模式的設(shè)置3 2 表4 1 頁塊之間讀過程。4 9 表4 2 頁塊之間寫過程。5 0 表4 3 算法耗時比較5 3 第頁 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院碩士學(xué)位論文 圖2 1 圖2 2 圖2 3 圖2 4 圖2 5 圖2 6 圖2 7 圖2 8 圖2 9 圖2 1 0 圖2 1 l 圖2 1 2 圖2 1 3 圖2 1 4 圖2 1 5 圖2 1 6 圖2 1 7 圖3 1 圖3 2 圖3 3 圖3 4 圖3 5 圖3 6 圖3 7 圖3 8 圖4 1 圖4 2 圖4 3 圖4 4 圖4 5 圖4 6 圖4 7 圖目錄 通信控制板總體結(jié)構(gòu)7 s c l 6 c 5 5 4 內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖8 串口時鐘電路的兩種模式1 l 四路串行接口電路圖1 2 中斷服務(wù)程序流程圖1 3 s c l 6 c 5 5 4 通用讀時序1 5 接收串口數(shù)據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖1 6 逐次比較法流程圖。1 9 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)幀頭檢測流程圖1 9 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)幀頭檢測時序圖2 0 面向字符的同步協(xié)議幀結(jié)構(gòu)2 0 面向比特的同步協(xié)議幀結(jié)構(gòu)2 l 系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)2 1 f p g a 內(nèi)同步串口接口設(shè)計框圖。2 2 f i f oi pc o r e 用戶界面2 2 串口發(fā)送模塊時序仿真圖2 3 串口接收端設(shè)計原理圖2 4 p c i 9 6 5 6 結(jié)構(gòu)框圖3 0 直接從模式下讀寫時序轉(zhuǎn)換31 d m a 模式下數(shù)據(jù)傳輸時序轉(zhuǎn)換3 2 雙主模式下d s p 與p c i 9 6 5 6 的接口電路。3 3 主從模式下d s p 與p c i 9 6 5 6 的接口電路3 5 4 字突發(fā)模式傳輸時序圖3 6 主機(jī)硬件設(shè)備信息3 8 安裝驅(qū)動程序后設(shè)備管理器界面3 9 j p e g 2 0 0 0 編碼結(jié)構(gòu)框圖4 2 二層小波子帶劃分4 3 單層d b 9 7 小波變換4 5 雙層d b 9 7 小波變換4 5 d s p 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖4 7 分塊法基本結(jié)構(gòu)一4 8 頁塊之間讀時序4 9 第頁 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院碩士學(xué)位論文 圖4 8 圖4 9 圖4 1 0 圖4 1 1 圖4 1 2 頁塊之間寫時序4 9 圖像存儲結(jié)構(gòu)圖。5 o 壓縮算法d s p 實(shí)現(xiàn)流程sl 二維圖像存儲模式下壓縮解壓后圖像5 2 三維圖像存儲模式下壓縮解壓后圖像5 3 第v 頁 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是我本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得 的研究成果盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含 其他人已經(jīng)發(fā)表和撰寫過的研究成果，也不包含為獲得國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)或其它 教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任 何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示謝意。 學(xué)位論文題目：狃戴墨叢通焦撞劍拯鮑筮佳遮i 盞塞理 學(xué)位論文作者簽名：絲盟堡日期：勿一羅年j 月歹曰 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本人完全了解國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定本人授權(quán) 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)可以保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子 文檔，允許論文被查閱和借閱；可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù) 庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存，匯編學(xué)位論文。 ( 保密學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)書。) 學(xué)位論文題目： 扭盞叢通焦控劍拯數(shù)筮往遮鹽生塞壅 學(xué)位論文作者簽名：壘垡豎日期：么們羅年1 1 月歲日 作者指導(dǎo)教師簽名：麴! !日期：二必易年i ，月廠日 冒防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院碩士學(xué)位論文 第一章緒論 合成孔徑雷達(dá)( s y n t h e t i ca p e r t u r er a d a r 簡稱s a r ) 是一種高分辨率的微波成 像雷達(dá)，是一種可全天候、全天時工作的成像遙感設(shè)備，可以對地面目標(biāo)進(jìn)行高 分辨率、大面積成像，在微波遙感領(lǐng)域占有極為重要的地位。根據(jù)安裝平臺的不 同，合成孔徑雷達(dá)大致可分為車載、機(jī)載和星載等，其中機(jī)載合成孔徑雷達(dá)又可 分為有人機(jī)載和無人機(jī)載。 合成孔徑雷達(dá)通過發(fā)射大帶寬信號或極窄脈沖信號來獲得高的距離向分辨 率，利用合成孔徑技術(shù)獲得高的方位向分辨率【l 3 】。憑借其高分辨率、全天候等優(yōu) 點(diǎn)已經(jīng)在資源普查、地形勘測、海洋研究及軍事偵察等方面得到廣泛應(yīng)用。 1 i 課題的提出及研究意義 機(jī)載合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，包括發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、伺服系統(tǒng)、 地面控制系統(tǒng)、處理機(jī)等眾多分系統(tǒng)。其中處理機(jī)作為雷達(dá)系統(tǒng)的核心部分，要 完成數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?，即要完成對大容量的被測數(shù)據(jù)進(jìn)行 成像處理并將圖像數(shù)據(jù)實(shí)時下傳至地面控制系統(tǒng)，還需要實(shí)現(xiàn)對雷達(dá)系統(tǒng)的控制， 傳輸處理慣導(dǎo)、g p s 數(shù)據(jù)，飛控數(shù)據(jù)等等，并通過控制飛行姿態(tài)和實(shí)現(xiàn)運(yùn)動補(bǔ)償， 獲得較好的圖像質(zhì)量 根據(jù)機(jī)載s a l l 系統(tǒng)實(shí)際工作的需要，通信控制板主要完成的功能包括接收慣 導(dǎo)、g p s 數(shù)據(jù)，天線穩(wěn)定平臺數(shù)據(jù)等參數(shù)直接下傳或處理后下傳；接收地面控制 系統(tǒng)命令，對雷達(dá)系統(tǒng)工作模式、參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，并向地面返回當(dāng)前雷達(dá)工作狀 態(tài)；將雷達(dá)成像的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮后實(shí)時下傳。所以通信控制板是整個系統(tǒng)的 通信和數(shù)據(jù)交換樞紐，是整個機(jī)載合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)不可或缺的組成部分。 根據(jù)通信控制板要完成功能的要求，其軟件設(shè)計的難點(diǎn)和重點(diǎn)主要包括以下 幾個方面： l 、測量數(shù)據(jù)、控制命令及圖像數(shù)據(jù)的傳輸都采用串口進(jìn)行，數(shù)量繁多、類型 不同( 包括同步串口和異步串口) 、速率不同( 如g p s 波特率為11 5 2 0 0 b i t s ，慣 導(dǎo)波特率為1 5 3 6 0 0 b i 珧等) 的低速串口對響應(yīng)速度和數(shù)據(jù)處理提出了高的要求， 迫切要求解決多串口通信的實(shí)時性和可靠性問題，實(shí)現(xiàn)與d s p 的高效通信，同時 不影響d s p 的核心處理速度。 2 、需要設(shè)計實(shí)現(xiàn)主機(jī)與d s p 數(shù)據(jù)交互接口：c p c i 總線接口，實(shí)現(xiàn)板上d s p 與主機(jī)的數(shù)據(jù)交互及主機(jī)對d s p 運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時監(jiān)控的功能。 3 、機(jī)載s a r 圖像具有數(shù)據(jù)量大，傳輸率要求高的特點(diǎn)，成像結(jié)果直接傳輸 第1 頁 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院碩士學(xué)位論文 給地面控制系統(tǒng)會給數(shù)據(jù)下傳造成很大的壓力，通信控制板需要解決圖像數(shù)據(jù)的 實(shí)時壓縮和下傳問題。 1 2 課題相關(guān)技術(shù)及發(fā)展?fàn)顩r 1 2 1 串行通信技術(shù) 現(xiàn)代生產(chǎn)和生活中，對系統(tǒng)工作的可靠性要求越來越高，可靠的數(shù)據(jù)通信方 式是系統(tǒng)可靠工作的保證。串行通信因?yàn)槠湔Q生時間早，使用簡單方便，成本低 廉，可以適應(yīng)大規(guī)模長距離傳輸?shù)榷喾N原因，一直得到廣泛的應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上， 也發(fā)展出了多種規(guī)格各不相同的串行通信標(biāo)準(zhǔn)。按工作時序來分，有同步傳輸模 式和異步傳輸模式；按物理接口標(biāo)準(zhǔn)來分，有r s 2 3 2 ，r s 4 2 2 ，r s - 4 8 5 等多種不 同方式。 異步串行通信即異步傳輸方式是以字符為單位進(jìn)行傳輸，其通信協(xié)議是起止 式異步通信協(xié)議。一個字符的信息由起始位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)位和停止位組成。 每一個字符總是以起始位開始，以停止位結(jié)束，字符的前面是一位起始位，寬度 為1 位的低電平，緊跟著起始位之后的是數(shù)據(jù)位，傳輸時低位在前、高位在后， 字符本身由5 8 位數(shù)據(jù)位組成。數(shù)據(jù)位后面是奇偶校驗(yàn)位，最后是停止位，停止 位是寬度為1 位、1 5 位或者2 位高電平，標(biāo)志一個字符的結(jié)束，并為下一個字符 的開始傳送做準(zhǔn)備。停止位后面是不定長度的空閑位。停止位和空閑位都規(guī)定高 電平。 同步串行通信不像異步串行通信那樣一次傳送一個字符，而是一次傳送一個 數(shù)據(jù)幀( 如1 k 個字符) 。同步通信中的數(shù)據(jù)幀由同步字符、數(shù)據(jù)字符和校驗(yàn)字符 三部分組成。其中，同步字符位于幀結(jié)構(gòu)開頭部分，用于確認(rèn)數(shù)據(jù)字符的開始( 接 收端不斷對傳輸線采樣，并把采樣到的字符和雙方約定的同步字符比較，只有比 較成功后才會把后面接收到的字符加以存儲) ；數(shù)據(jù)字符在同步字符之后，個數(shù) 不受限制，由所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)塊長度決定；校驗(yàn)字符有1 2 個，位于幀結(jié)構(gòu)末尾， 用于接收端對接收到的數(shù)據(jù)字符的正確性進(jìn)行校驗(yàn)f 7 】【8 】。 目前多串口通信的實(shí)現(xiàn)方式主要有采用可編程邏輯器件和專用串口擴(kuò)展芯片 兩種實(shí)現(xiàn)方法。國內(nèi)已有不少地方高校和研究所在這方面做了研究，如：南京航 空航天大學(xué)的戴俊在論文“c p l d 與1 6 c 5 5 4 在無人機(jī)飛控計算機(jī)中的應(yīng)用 中采 用專用串口擴(kuò)展芯片1 6 c 5 5 4 實(shí)現(xiàn)了串口擴(kuò)展；西北工業(yè)大學(xué)的王亮在論文“無人 機(jī)機(jī)載計算機(jī)多串口通信設(shè)計”中采用v h d l 硬件描述語言在f p g a 內(nèi)實(shí)現(xiàn)了多 串口通信；南京航空航天大學(xué)的鐘筱艷在論文“基于d s p 盼飛控計算機(jī)的研究設(shè) 計”中設(shè)計實(shí)現(xiàn)了基于t l l 6 c 5 5 4 a 的多串口通信方法。 第2 頁 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院碩士學(xué)位論文 1 2 2c p c i 總線技術(shù) c o m p a c t p c i 是國際p i c m g 協(xié)會于1 9 9 4 年提出的一種總線標(biāo)準(zhǔn)，是一種典型 的標(biāo)準(zhǔn)總線技術(shù)，它將v m e 密集堅(jiān)固的封裝和大型設(shè)備的極佳冷卻效果以及p c i 廉價和易采用具有最新處理能力的芯片結(jié)合在一起，這樣既使系統(tǒng)的可靠性進(jìn)一 步提高，又降低了硬件和軟件的開發(fā)成本。在電氣、邏輯和軟件功能方面它能與 p c i 完全兼容，具有更好的穩(wěn)定性，抗震性。 c p c i 總線之所以被業(yè)界所青睞，是因?yàn)槠浼染哂衟 c i 總線的高性能，又具有 e u r o c a r d 結(jié)構(gòu)的高可靠性，是符合國際標(biāo)準(zhǔn)的真正工業(yè)型計算機(jī)總線，適合在可靠 性要求較高的工業(yè)和軍事設(shè)備上應(yīng)用。其主要優(yōu)點(diǎn)有【9 l ： ( 1 ) 與標(biāo)準(zhǔn)p c i 兼容：c o m p a c tp c i 的c p i j 及外設(shè)同標(biāo)準(zhǔn)p c i 是相同的，并 且c o m p a c tp c i 系統(tǒng)使用與傳統(tǒng)p c i 系統(tǒng)相同的芯片、防火墻和相關(guān)軟件。從根 本上說，它們是一致的，因此操作系統(tǒng)、驅(qū)動和應(yīng)用程序都感覺不到兩者的區(qū)別， 將一個標(biāo)準(zhǔn)p c t 插卡轉(zhuǎn)化成c o m p a c tp c i 插卡幾乎不需重新設(shè)計只要物理上重 新分布就行了 ( 2 ) 符合e u r o e a r d 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：c o m p a c tp c i 板卡采用經(jīng)過2 0 余年現(xiàn)場使用考 驗(yàn)的e u r o e a r d 結(jié)構(gòu)，采用垂直安裝、前抽取結(jié)構(gòu)，提高了板卡的可靠性、散熱性 和易維護(hù)性。 ( 3 ) 高傳輸速度：從總線速度上看，3 2 位3 3 m h z 的c p c i 總線最大傳輸速 度為1 3 2 m b s ，6 4 位3 3 m h z 的為2 6 4 m b s ，6 4 位6 6 m h z 時的峰值速度可達(dá)每秒 5 2 8 m b s 。 ( 4 ) 支持熱插拔：所謂熱插拔就是在運(yùn)行系統(tǒng)沒有斷電的條件下，拔出或插 入功能模板，而不破壞系統(tǒng)正常工作的一種技術(shù)。c o m p a c tp c i 連接器的電源和信 號引線支持熱插拔規(guī)范，這對于容錯系統(tǒng)是非常重要的，這也是標(biāo)準(zhǔn)p c i 所不能 實(shí)現(xiàn)的功能。 由于雷達(dá)的控制數(shù)據(jù)流具有單向廣播或者組播的特點(diǎn)并且?guī)捫枨筝^小，基 于c p c i 總線實(shí)現(xiàn)主機(jī)與d s p 之間的控制數(shù)據(jù)流交互在雷達(dá)信號處理中具有獨(dú)特 的優(yōu)勢，國內(nèi)一些大學(xué)、公司和研究所都在這方面做了研究，如：西安電子科技 大學(xué)的王華強(qiáng)在論文“基于標(biāo)準(zhǔn)總線的通用信號處理板設(shè)計 中研究了基于橋接 芯片p c i 9 0 5 4 的總線接口設(shè)計；鐳航世紀(jì)有限公司開發(fā)的l h c t s 2 8 n x 2 0 1d s p 處理板通過c p c i 總線實(shí)現(xiàn)與主機(jī)的數(shù)據(jù)交互，通過c p c i 總線實(shí)現(xiàn)對板上8 塊d s p 程序的加載和實(shí)時監(jiān)控；西安電子科技大學(xué)的包志強(qiáng)在論文“基于標(biāo)準(zhǔn)總線的多 d s p 信號處理模板設(shè)計 中研究了基于f i f o 模式的c p c i 總線接口 第3 頁 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院碩士學(xué)位論文 1 2 3 圖像壓縮技術(shù) 圖像壓縮就是去除圖像中的冗余和不相干信息。圖像壓縮的研究工作從上個 世紀(jì)5 0 年代就開始了，至今已有近6 0 多年的歷史。1 9 8 6 年底，i s ot c 8 7 s c 2 和 c c r r t s g 8 合并，發(fā)起了聯(lián)合圖像專家組( j p e g ) ，開始研究靜態(tài)圖像壓縮算法 的國際標(biāo)準(zhǔn)，并于1 9 9 1 年3 月提出i s o c d l 0 9 1 8 號草案，簡稱j p e g 標(biāo)準(zhǔn)。在視 覺效果不受嚴(yán)重?fù)p失的前提下，算法可以達(dá)到1 5 - - 2 0 的壓縮比。如果在圖像質(zhì)量 上做出一定讓步，壓縮比可以達(dá)到4 0 甚至更高。2 0 0 0 年底，j p e g 組織又出臺了 新一代的靜態(tài)圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)i s o i e c1 5 4 4 4 ，即j p e g 2 0 0 0 ，已成為靜態(tài)圖像壓縮 的主流算法。運(yùn)動圖像專家組( m p e g ) 的活動始于1 9 8 8 年，它與j p e g 屬于i s o 的同一委員會。1 9 9 2 年1 0 月m p e g 推出第一個運(yùn)動圖像標(biāo)準(zhǔn)化方案( i s 1 1 1 7 2 ) ， m p e g i 。為了滿足一般數(shù)字電視的壓縮要求，1 9 9 3 年1 1 月，m p e g 推出了第 二個運(yùn)動圖像標(biāo)準(zhǔn)m p e g n1 0 l 。 目前常用的圖像壓縮算法有：差分脈沖調(diào)制編碼( d p c m ) 方法、矢量量化( v q ) 方法、d c t 方法以及基于小波變換編碼方法。其中差分脈沖調(diào)制編碼( d p c m ) 方法屬于無損壓縮，其壓縮比一般小于3 ；d c t 方法由于在d c t 變換時須對圖像 數(shù)據(jù)進(jìn)行分塊處理，受量化誤差的影響，在壓縮后恢復(fù)圖像中會產(chǎn)生塊狀效應(yīng)； 矢量量化( v q ) 方法雖然可以獲得較大的壓縮比，但矢量量化方法所需計算量與 存貯量較大，難以滿足s a r 圖像數(shù)據(jù)的實(shí)時處理要求。同時，大壓縮比情形下， 基于傳統(tǒng)矢量量化方法的壓縮圖像質(zhì)量也難以滿足圖像高保真的要求?；谛〔?變換的編碼方法能充分利用小波變換后各子帶的系數(shù)，從而將圖像質(zhì)量的變化降 低到最小，在s a p , 圖像壓縮領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。本文設(shè)計根據(jù)s a r 圖像數(shù) 據(jù)的特點(diǎn)，選用基于小波變換域編碼的圖像壓縮算法。 1 3 論文的主要工作及內(nèi)容安排 本課題主要進(jìn)行了以下四個方面的工作： ( 1 ) 根據(jù)工程項(xiàng)目的特殊需求，設(shè)計了一種基于f p g a 和標(biāo)準(zhǔn)串口器件的多 串口通信方案，核心硬件選用x i l i n x 公司的v i r t e x i i 系列f p g a 芯片 x c 2 v 1 0 0 0 ，用v e r i l o g 硬件描述語言實(shí)現(xiàn)了多通道串行數(shù)據(jù)接收模塊，有效解決 了高速d s p 與多低速串口之間的高效通信問題，為d s p 高速處理其他任務(wù)提供了 有力支持。 ( 2 ) 基于f p g a 設(shè)計實(shí)現(xiàn)t - i 唇 步串口模塊，并對其傳輸速率及可靠性進(jìn)行了 測試，為壓縮后的圖像數(shù)據(jù)下傳提供了可靠的傳輸通道。 ( 3 ) 設(shè)計實(shí)現(xiàn)了p c d 6 5 6 直接從模式下主機(jī)與通信控制板通信的c p c i 接口， 第4 頁 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院碩士學(xué)位論文 為d s p 實(shí)現(xiàn)主機(jī)加載模式及主機(jī)直接訪問d s p 內(nèi)存，監(jiān)控d s p 的運(yùn)行狀態(tài)提供 了硬件接口。 ( 4 ) 在d s p 內(nèi)實(shí)現(xiàn)了基于小波變換的s a r 圖像壓縮算法針對s d r a m 的 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)提出了三維數(shù)據(jù)存儲的方法，提高了圖像數(shù)據(jù)的存取效率；并對算法的 性能及實(shí)時性進(jìn)行了測試，完全能夠滿足系統(tǒng)對s a r 圖像實(shí)時壓縮的要求。 本論文共分為四章，各章的內(nèi)容安排如下： 第一章是緒論，介紹了本課題的研究背景、課題中涉及到的串行通信技術(shù)、 c p c i 總線技術(shù)和圖像壓縮技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，并給出了本論文各章內(nèi)容的安排。 第二章主要分為三個部分，首先對通信控制板總體結(jié)構(gòu)做了介紹；其次分析 多異步串口通信的實(shí)現(xiàn)途徑，在此基礎(chǔ)上設(shè)計實(shí)現(xiàn)了一種基于f p g a 和s c l 6 c 5 5 4 的多串口通信方案，對多異步串口的可靠性、通信性能進(jìn)行了測試；最后基于f p g a 設(shè)計了同步串口的實(shí)現(xiàn)方案，并采用v e r i l o gh d l 語言進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)。 第三章主要完成了c p c i 和d s l 7 之間接口的設(shè)計。首先介紹了主機(jī)與d s p 之 間常用的嵌入式數(shù)據(jù)交互技術(shù)，選擇c p c i 總線作為主機(jī)與t s 2 0 1 s 進(jìn)行控制數(shù)據(jù) 流交互的接口，介紹了p c i 總線的協(xié)議及配置空間，分析了c p c i 總線接口的實(shí)現(xiàn) 方法，給出了接口模塊的設(shè)計電路；最后，介紹了幾種設(shè)備驅(qū)動程序開發(fā)方法并 采用w i n d d v e r 開發(fā)了系統(tǒng)的驅(qū)動程序。 第四章首先介紹了圖像壓縮技術(shù)的原理和分巍并對基于小波變換的s a r 圖 像壓縮算法( 口e g 2 0 0 0 ) 進(jìn)行了分析；最后基于t s 2 0 1 s 實(shí)現(xiàn)了該壓縮算法，解 決了s a r 圖像實(shí)時壓縮的問題。 最后對本課題的工作進(jìn)行了總結(jié)，指出了目前存在的問題，并對下一步研究 的方向進(jìn)行了展望。 第5 頁 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院碩士學(xué)位論文 第二章基于f p g a 的多串行通信接口設(shè)計及實(shí)現(xiàn) 通信控制板作為雷達(dá)系統(tǒng)的通信樞紐，與其它分系統(tǒng)的接口繁多，其中主要 的接口包括板卡與慣性導(dǎo)航設(shè)備的通信接口、與g p s 的通信接口、與飛控系統(tǒng)的 通信接口、與穩(wěn)定平臺的通信接口、與加速度計的通信接口，以及下傳圖像數(shù)據(jù) 的通信接口。其中除了下傳圖像數(shù)據(jù)的通信接口為同步串行接口外，其它接口均 是采用r s 4 2 2 r s 4 8 5 標(biāo)準(zhǔn)異步串行通信方式，如何及時地處理各個串口的數(shù)據(jù)收 發(fā)，而不影響板卡內(nèi)核心處理器的運(yùn)算能力，并保證數(shù)據(jù)的可靠接收和發(fā)送是多 串口通信模塊設(shè)計中要解決的關(guān)鍵問題。 本章首先對通信控制板總體結(jié)構(gòu)做了介紹；然后分析了多異步串口通信的設(shè) 計方案，根據(jù)雷達(dá)系統(tǒng)的實(shí)際需要設(shè)計實(shí)現(xiàn)了一種基于f p g a 和s c l 6 c 5 5 4 的多 異步串口通信方案，并且已經(jīng)在雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)備聯(lián)調(diào)過程中成功應(yīng)用；最后介紹了 同步串口設(shè)計方案，并基于v e r i l o gh d l 語言在f p g a 中進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)。 2 1 通信控制板總體結(jié)構(gòu)介紹 通信控制板總體結(jié)構(gòu)如圖2 1 所示，其核心處理器芯片為三塊a d s pt s 2 0 1 s ， 三片d s p 采用分布式存儲結(jié)構(gòu)，每片d s p 上掛了2 5 6 m b 的s d r a m 用來作為數(shù) 據(jù)的片外存儲器，d s p 之間的數(shù)據(jù)通信通過“n l 【口來實(shí)現(xiàn)。d s p 0 的加載方式為 f l a s h 加載，而d s p i 、d s p 2 采用l i n k 口方式加載。d s p 0 、d s p l 主要用來實(shí)現(xiàn) 圖像壓縮算法，并將壓縮后的圖像數(shù)據(jù)下傳，d s p 2 主要甩做運(yùn)動參數(shù)及系統(tǒng)模式 參數(shù)的處理。板上還有一片單片機(jī)用來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)工作狀態(tài)的控制。 系統(tǒng)的內(nèi)部邏輯接口主要采用x i l i n x 公司v i r t e x - i i 系列的兩片f p g a 芯片 x c 2 v 1 0 0 0 4 f g 4 5 6 實(shí)現(xiàn)，f p g a l 主要實(shí)現(xiàn)p c i 9 6 5 6 與d s p 之間的數(shù)據(jù)通信接口 及s a r 圖像數(shù)據(jù)下傳需要的高速同步串口；f p g a 2 主要實(shí)現(xiàn)d s p 與多低速串口 之間的數(shù)據(jù)通信、單片機(jī)與d s p 之間的通信以及時序控制等。 橋接芯片p c i 9 6 5 6 用來實(shí)現(xiàn)c p c i 總線接口設(shè)計，主機(jī)通過橋接芯片與通信控 制板通信，e e p r o m 用來對橋接芯片的上電復(fù)位加載，在上電后對p c i 9 6 5 6 進(jìn)行 配置。 第6 頁 倡防科學(xué)技木大學(xué)研究生院硬士學(xué)位論文 圖2l 通信控制板總體結(jié)構(gòu) 2 z 基于f p g a 與s c l 6 c 5 5 4 的多異步串口通信模塊設(shè)計 2 2 1 多路異步串行遺信設(shè)計方案選擇 目前比較遣用舳異步串口擴(kuò)展方法有兩種：一種是用軟件實(shí)現(xiàn)，一種是用硬 件實(shí)現(xiàn)響。軟件實(shí)現(xiàn)就是采用軟件編程模擬串口的方式，即在f p g a 內(nèi)部編程 模擬多路申口來實(shí)現(xiàn)串口擴(kuò)展。這種方法的優(yōu)勢是成本較低但模擬串口存在的 缺點(diǎn)有：一是每個b i t 的采樣次數(shù)低，一般只能做到2 次，b i t ，這樣就難以保證數(shù)據(jù) 的正確性；二是不鴕實(shí)現(xiàn)高波特率通訊，軟件模擬串口一般不能實(shí)現(xiàn)高于4 8 0 0 印b 的波特率，不能滿足本系統(tǒng)韻要求；三是f p g a 內(nèi)部同時處理多路串司的收發(fā)， 開發(fā)難度也較大，開發(fā)周期較長，尤其是當(dāng)多串口同時工作，無法確保通信的實(shí) 時性和可靠性。 硬件實(shí)現(xiàn)異步串口擴(kuò)展的方法包括使用多串口單片機(jī)和專用串口擴(kuò)展蒼片兩 種。采用多串口單片機(jī)實(shí)現(xiàn)異步串口擴(kuò)展，具有成本較低開發(fā)比較簡單等優(yōu)點(diǎn)； 但是一般單片機(jī)只含兩個異步串口數(shù)量有硪無法滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。采用專九 的串口擴(kuò)展芯片：現(xiàn)在可供選擇的串口擴(kuò)展芯片有口、p h l l i p s 、e x a r 等多家公 司開發(fā)的一系列專用串口芯片( 如1 6 c 2 8 5 2 、1 6 ( ：5 5 4 ) ，該系列芯片實(shí)現(xiàn)的功能 是通過并行口擴(kuò)展串行佃功能比較強(qiáng)大、通信速度高。采用這種方法實(shí)現(xiàn)多串 口通信，雖然成本較高，但是開發(fā)比較簡單，可靠性可以得到保證 本雷達(dá)通信控制扳包含了五路異步串行通信接口。其中，為了實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)上 電、工作模式和參數(shù)設(shè)置蒔單獨(dú)控制，將飛控系統(tǒng)的串口直接連到一單片機(jī)上。 第7 頁 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院硬士學(xué)位論文 而雷達(dá)與慣性導(dǎo)航設(shè)備、g p s 、穩(wěn)定平臺、加速度計的四路異步通信接口通過 p h i l i p s 公司的s c l 6 c 5 5 4 串口擴(kuò)展芯片來實(shí)現(xiàn)。 基于通用的異步串口擴(kuò)展芯片實(shí)現(xiàn)多串口擴(kuò)展，通常采用c p l d 實(shí)現(xiàn)d s p 與 異步串口擴(kuò)展芯片之間的邏輯控制，完全基于d s p 接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。這種方法雖 然控制簡單，缺點(diǎn)也根明顯：當(dāng)數(shù)據(jù)量較大、多串口同時工作時數(shù)據(jù)的收發(fā)占用 d s p 的時間較長，會大大影響d s p 的工作效率，且當(dāng)外部中斷頻繁時，有可能造 成數(shù)據(jù)丟失。針對以上問題本文提出了一種新的實(shí)現(xiàn)方法基于f p g a 和通用 異步通信芯片實(shí)現(xiàn)d s p 與多異步串口的通信。在不進(jìn)行硬件改動的基礎(chǔ)上，通過 在f p g a 內(nèi)建立一個緩存機(jī)制，實(shí)現(xiàn)接收串口芯片的數(shù)據(jù)，達(dá)到一定量時向d s p 發(fā)送中斷讀取數(shù)據(jù)。該設(shè)計能極大減少對d s p 的占用時間，提高了d s p 的工作效 率：同時提高了對串口芯片中斷請求的響應(yīng)速度，解決了數(shù)據(jù)丟失的問題。 不 2 22 串r a 擴(kuò)展芯片s c l 6 c 5 5 4 介紹【1 q 2 2 2 1s c l 6 c 5 5 4 芯片概述 s c l 6 c 5 5 4 是p h i l i p s 公司生產(chǎn)的異步串行通信芯片。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2 2 所 , v a l l x t d l 2 c u 眥 圖2 2s c l 6 c 5 5 4 內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖嗍 s c l 6 c 5 5 4 是4 通道通用異步串行收發(fā)器( q u a r t ) 。它的基本功能是將串 行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)，反之亦然。u a r t 可處理高達(dá)5 m b i t s 的串行數(shù)據(jù)速率。 第8 頁 i 一 噌 面惑 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院碩士學(xué)位論文 串行數(shù)據(jù)流的同步通過在發(fā)送的數(shù)據(jù)上添加起始位和停止位形成一個數(shù)據(jù)字符來 實(shí)現(xiàn)。 s c l 6 c 5 5 4 的主要特性如下： ( 1 ) 有a 、b 、c 、d 四個通道獨(dú)立收發(fā)數(shù)據(jù)； ( 2 ) 5 v 和3 3 v 電壓下的數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)5 m b i t s ，2 5 v 電壓下的數(shù)據(jù)傳 輸速率為3 m b i t s ； ( 3 ) 具有1 6b y t e 的收發(fā)f i f o 緩沖器； ( 4 ) 可通過編程設(shè)置傳輸數(shù)據(jù)的格式：字符長度( 5 ，6 ，7 ，8 位字符) ， 校驗(yàn)?zāi)Ｊ? 偶校驗(yàn)，奇校驗(yàn)或無校驗(yàn)) ，停止位( 1 、l 或2 位) 和波特率； ( 5 ) 有l(wèi) 、4 、文1 4 字節(jié)4 種可選的接收f i f o 中斷觸發(fā)深度； ( 6 ) 充分分級的中斷系統(tǒng)控制； ( 7 全面的線路狀態(tài)報告功能。 2 2 2 2s c l 6 c 5 5 4 芯片內(nèi)部寄存器 s c l 6 c 5 5 4 有豐富的寄存器資源，每個通道都包含1 2 個內(nèi)部寄存器。這些寄 存器分別用于實(shí)現(xiàn)通信參數(shù)的設(shè)置、對線路及m o d e m 的狀態(tài)訪問、數(shù)據(jù)發(fā)送和 接收以及中斷管理等功能?？赏ㄟ^a o 、a 1 、a 2 三條片內(nèi)寄存器選擇線、i o r 和 i o w 一起訪問或控制s c l 6 c 5 5 4 的任何一個寄存器。這些寄存器如表2 1 所示。 表2 1s c l 6 1 2 5 5 4 內(nèi)部寄存器 船l a 1 fa 0 讀模式寫模式 通用寄存器集( t 腿瓜腿，i e r i s r ，m c r j m s r ，f c r ，l s r ，s p r ) o00 接收保存寄存器( r i m )發(fā)送保存寄存器( t h r ) oo1 中斷使能寄存器( r )中斷使能寄存器( r ) ol 。 o 中斷狀態(tài)寄存器( i s r )f i f o 控制寄存器( f c r ) 01l 線路控制寄存器( l c r )線路控制寄存器( l c r ) l oo m o d e m 控制寄存器( m c r )m o d e m 控制寄存器( m c r ) l0l 線性狀態(tài)寄存器( l s r ) n a 110 m o d e m 狀態(tài)寄存器( m s r ) n a 1l1 暫存寄存器( s p r )暫存寄存器( s p r ) 波特率設(shè)置寄存器集( d l l d l m ) 000 除數(shù)l s b 鎖存( d l l )除數(shù)l s b 鎖存l l ) o01 除數(shù)m s b 鎖存( d l m )除數(shù)m s b 鎖存( d l m ) 注：通用寄存器集在線路控制寄存器l c r 7 為0 時才能訪問；波特率設(shè)置寄 第9 頁 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院碩士學(xué)位論文 存器只有在線路控制寄存器l c r 7 為l 時才能訪問。 其中與串口通信相關(guān)的寄存器主要有接收發(fā)送保存寄存器，中斷使能寄存器， f i f o 控制寄存器，線路控制寄存器，波特率設(shè)置寄存器。 接收發(fā)送保存寄存器主要用來存放接收和要發(fā)送的數(shù)據(jù)，中斷使能寄存器主 要實(shí)現(xiàn)中斷使能的設(shè)置，包括發(fā)送空中斷、接收數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好中斷、超時中斷等。 f o 控制寄存器，用于選擇串口的工作模式和接收f i f o 觸發(fā)電平，如表2 2 所示。 線路控制寄存器( l c r ) 用來定義通信數(shù)據(jù)格式，它包括字符長度、奇偶校 驗(yàn)和停止位位數(shù)的設(shè)定。b i t1 和b i t0 決定字符長度( 見表2 3 ) ；b i t 2 決定對應(yīng) 于字符長度的停止位位數(shù)( 見表2 5 ) ；b i t3 決定是否存在奇偶校驗(yàn)( 0 表示無奇 偶校驗(yàn)，1 表示在傳輸過程中會產(chǎn)生1 位奇偶校驗(yàn)) ；b i t4 是在存在檢驗(yàn)的情況 下決定奇偶校驗(yàn)的格式( o 表示奇校驗(yàn)，1 表示偶校驗(yàn))；b i t5 是結(jié)合b i t4 強(qiáng) 制決定奇偶比特位的格式( 見表2 4 ) ； b i t7 表示內(nèi)部波特率設(shè)置寄存器打開與 關(guān)閉( 0 表示關(guān)閉寄存器，1 表示打開寄存器) 。 表2 2r x f i f o 觸發(fā)電平設(shè)置 表2 3 數(shù)據(jù)長度設(shè)置 表2 4 校驗(yàn)?zāi)Ｊ皆O(shè)置 表2 5 停止位長度設(shè)置 第1 0 頁 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院碩士學(xué)位論文 = = = = = = = = = i i ii- m i i i = = = = = = 墨旨 2 2 2 3 可編程波特率發(fā)生器 s c l 6 c 5 5 4 的每個通道收發(fā)共用一個波特率發(fā)生器，允許波特率發(fā)生器對每個 通道進(jìn)行單獨(dú)控制?？删幊滩ㄌ芈拾l(fā)生器可接收高達(dá)8 0 m h z 的輸入時鐘( ，3 v 和 5 v 工作環(huán)境下) ，此時數(shù)據(jù)率最高達(dá)5 m b i t s 。s c l 6 c 5 5 4 可配置成內(nèi)部或外部時 鐘工作模式。對于內(nèi)部時鐘振蕩器，在x t a l i 和x t a l 2 管腳之間外部連接一個 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的