??? 摘 要: 介紹了利用USB2.0技術設計雷達目標和數據采集系統" title="數據采集系統">數據采集系統接口的方案,給出了雷達目標檢測" title="目標檢測">目標檢測和數據采集系統的硬件結構圖、USB固件" title="固件">固件程序、驅動程序及應用程序" title="應用程序">應用程序的設計方法。
?? 關鍵詞： 目標檢測和數據采集系統? USB2.0? 固件程序" title="固件程序">固件程序? 驅動程序
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??? 數據采集系統是雷達目標識別系統的前端部分，也是整個雷達目標識別系統中的關鍵部分之一。雷達觀測目標時取得的用于分析、識別目標的測量數據子集就是通過數據采集獲得的。雷達目標識別系統為了提高系統的性能，要求獲得的測量數據更加準確、精度更高。性能完善的數據采集手段將使得雷達目標特性分析、特征提取和目標識別方法更加靈活多樣、特征信息更加完整，最終使得整個識別系統的性能得到提高。
??? 自20世紀60年代以來，由于雷達目標識別技術具有重要的軍事應用價值，學術界和應用部門越來越重視對它的研究和應用。在雷達數據信息的現場處理中，往往要求能迅速、可靠地完成設備之間的連接。同時，在芯片集成度越來越高、功能越來越強大的技術背景下，設備的體積小型化、功能集成、使用方便已成為產品設計中的重要思想之一。正是基于這一思想，本文將致力于雷達目標檢測與數據采集系統的USB接口的研究。該系統具有速度快、處理能力強、體積小、擴展方便等優點。
1 系統硬件設計
1.1系統結構
??? 本文開發的基于USB接口的雷達目標檢測和數據采集系統的結構框圖如圖1所示。信號由兩路輸入：第一路從檢測AD轉換模塊輸入，經DSP進行算法檢測后，進行數據處理，其結果保存在FIFO內；第二路由采集AD轉換模塊輸入，采樣后的數據保存在兩路乒乓存儲器內。主機通過USB接口可以從FIFO或兩路乒乓存儲器內取出所需數據。
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??? 數字信號處理芯片選用TMS320C31-80。TMS320C31是TI公司生產的第一代浮點DSP芯片，具有32位的浮點精度，60ns的單周期指令執行時間，能進行整數、浮點及邏輯運算，它是一個性價比較高的浮點處理器,是目前國內應用比較廣泛的DSP芯片之一。DSP在系統中主要完成雷達目標檢測算法。目標檢測算法的基本思想是雙門限比較方法。第一門限檢測用來判斷目標是否存在;第二門限的檢測則判斷連續存在的目標的寬度，從而確定檢測目標的大小，這是基于對第一門限檢測后所檢測到的連續目標個數進行計數來實現的。“點跡凝聚” 是DSP用于判斷目標連續存在時采用的基本方法。在目標檢測過程中，由于天線的發射波束形狀的影響，可能對同一目標在一段時間內都會檢測到， DSP處理算法規定，在某一段時間內出現的相關性目標為同一目標，計算這段時間該目標航跡的中心點，從而凝聚得到一個點，將這個點所在的方位和距離確定為目標的方位和距離，稱為“點跡凝聚”。
??? 在該系統中，共使用了兩片FPGA芯片，分別是Xilinx公司生產的xcs10和xcs30。它們主要完成以下工作：(1)從主機發送方位信息和距離信息到FPGA內部的方位寄存器和距離寄存器;(2)對當前方位、當前距離進行記錄;(3)波門的產生和終止;(4)給數據幀加頭。
??? USB接口芯片CY7C68013的供電電壓為3.3V，可以通過USB連接電纜上的5V電壓得到供電電流，但是本系統功耗超出了USB協議中規定的“對于總線供電設備最大輸出電流500mA”的標準，所以采取了外供電源的方式。本系統為3.3V/5V電壓混合系統，使用一塊CPLD（XCS95144）完成了不同電平之間的轉換。
1.2 ＦＸ２芯片
??? Cypress公司推出的ＥZ-USB FX2芯片也叫做CY7C68013，它是業界第一個支持USB2.0同時向下兼容USB1.1規范的單片機，其數據傳輸率可達到480Mbps。該芯片把USB2.0收發器、串行接口引擎SIE、增強的8051內核、I2C總線接口以及GPIF集成于一體。因其具有速度快、體積小、擴展方便、供電方式靈活、支持熱插撥和即插即用方式等特點，所以在海量存儲器、打印機、掃描儀和PCMCIA等各種USB設備上得到了廣泛的應用。同時Cypress公司提供了相應的開發工具，降低了開發難度。
1.3 CY7C68013與FPGA接口
??? 在本課題研究中，確定需要通過該接口芯片完成的功能有：(1)主機發送控制命令給DSP;(2)發送存儲在FIFO的檢測結果給主機；(3)發送波門信息以便形成采集波門得到精細采集數據；(4)發送由主機傳送來的通道控制命令；(5)發送存儲在RAM中的精細采集數據到主機。根據上述所必須完成的功能，確定USB接口芯片CY7C68013與外部的FPGA的連接方式，如圖2所示。
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2 軟件設計
??? 首先，USB芯片要完成與PC主機的通信。因而，USB芯片必須開發有內部的固件程序，以提供必要的設備描述符信息，響應主機的通信請求，并完成與FPGA的數據傳輸。而在主機端，則必須有能夠支持USB協議并控制傳輸的USB驅動程序，在驅動程序的上端，還要有實現與驅動程序接口的應用程序。
2.1 固件程序設計
??? 固件程序完成的工作主要有處理設備請求和數據傳輸兩個方面。設備請求的處理通過一個死循環完成，數據傳輸則利用中斷服務程序實現。整個固件工作流程如圖3所示。
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??? 固件主程序主要完成對設備請求的處理。具體過程如下：先初始化狀態變量，再調用一個初始化函數TD_init()，在該函數中完成設置中斷寄存器、設置讀寫脈沖輸出使能、設置PB口輸出使能等功能，然后進入一個死循環。在死循環中先調用用戶定義的TD_POLL()函數，該函數在設備功能單一情況下可以直接處理數據傳輸而無需使用中斷的方法，本設備因為用到多個端點，需要完成對外部模塊的多路控制，所以沒有采用通過TD_POLL（）完成數據傳輸的方法，而是在接到SETUP令牌的情況下調用設備請求處理函數完成設備請求的處理。
??? 中斷服務程序主要用來完成數據傳輸，每一個端點的數據傳輸請求通過相應的中斷處理程序完成，在中斷服務程序中，必須注意在完成相應的功能后都必須進行中斷標志的清除。
??? 對于本USB接口芯片，中斷位的設置由硬件完成，由軟件清除。在清除過程中，除了對該端點中斷標志位清除外，還必須清除USB中斷標志位，否則，將出現中斷丟失的錯誤。
2.2 驅動程序的設計
??? 驅動程序開發需較長的周期，這里使用的是Cypress公司提供的EZUSB FX2通用驅動程序，實驗結果表明，系統能正常工作。
2.3 主機應用程序
??? 主機應用程序工作流程如圖4所示。
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??? 最上層的應用程序是用VC6.0開發的，主要完成與驅動程序的通信并接收用戶應用軟件的各種操作請求。應用程序的總體結構由一個對話框窗口處理函數和一個對話框主程序組成，在消息處理函數中完成對各種消息的處理。主機應用程序主要完成3項功能：控制設備狀態、發送DSP工作參數、接收采集結果。另外，還完成固件下載、波形顯示，形成數據文件等功能。在實際的開發過程中，可以根據用戶需求添加函數完成相應的功能，如建立數據庫、動態顯示等。
2.4 應用程序和驅動程序的通信
??? 在Windows中，應用程序實現與WDM通信的過程是：應用程序先用CreateFile函數打開設備，然后用DeviceIoControl與WDM進行通信，包括從WDM中讀數據和寫數據給WDM兩種情況，也可以用ReadFile從WDM中讀數據或用WriteFile寫數據給WDM。當應用程序退出時，用Closehandle關閉設備。這將產生對應于此設備的相應IRP。下面給出了應用程序與驅動程序進行通信的函數：
??? DeviceIoControl (handle,
????????? IOCTL_EZUSB_BULK_WRITE,
??????&bulkControl,?
????????? sizeof(BULK_TRANSFER_CONTROL)?????????
????????? &outBuffer,??????????
????????? OutPacketSize,???????????
????? &nBytes,
????? NULL );?????????? // 本設計中采用bulk傳輸方式。
??? 基于雷達目標檢測和數據采集系統的USB接口具有傳輸速度快、通用性強、性價比高等特點，能夠滿足雷達數據實時傳輸的需要。
參考文獻
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?2002，24（3）：60-63.