（信息与通信工程专业论文）机载sar通信控制板的软件设计与实现.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 合成孔径雷达( s y n t h e t i ca p e r t u r er a d a r 简称s a r ) 是一种高分辨率的微波成 像雷达，可获得远距离高分辨率的雷达图像，并具有全天时、全天候的特性，可 以大大提高雷达的信息获取能力，已经在资源普查、地形勘测、海洋研究及军事 侦察等方面得到广泛应用【1 2 1 1 3 。为满足机载s a r - 实时成像及图像数据压缩下传的 要求，本文重点研究了机载s a r 实时成像系统中通信控制板的软件设计问题，为 s a r 实时成像及图像数据传输构建了高性能、高可靠性的通信通道，并完成了s a r 图像数据的实时压缩。 为了提高成像质量，机载s a r 在实时成像中需要结合使用惯导等设备的数据 进行运动补偿。通信控制板要接收和处理各种测量和控制设备的运动参数及状态 信息，这些设备都采用串口进行数据传输，数量繁多，类型不同的低速串口对响 应速度和数据处理提出了高的要求，迫切要求解决多串口通信的实时性和可靠性 问题。另外，机载s a r 图像具有数据量大。传输率要求高的特点，成像结果直接 传输给地面控制系统会给数据下传造成很大的压力，通信控制板需将图像数据进 行压缩后再通过同步串口下传，解决图像数据的实时压缩和下传问题 本文主要针对上述闯题展开了研究工作。首先，为解决多低速串口即时可靠 的数据通信问题，本文设计了一种基于f p g a 与标准串口器件的多串口通信实现 方案，在f p g a 内实现多通道串行数据的帧头检测，奇偶校验和自动接收功能， 有效地实现了高速d s p 与多路低速串口的高效率数据通信，并增强了可靠性。其 次，基于c p c i 总线设计了主机与多d s p 的通信接口，实现了主机与通信控制板 的数据交互，并开发了板卡的驱动程序。最后，基于t s 2 0 1 实现了图像压缩算法， 针对大容量s d r a m 存储器的结构特点，提出了一种三维图像存储模式，大大提 高d s p 存取图像数据的速度，从而提高了小波变换的效率；并在f p g a 内部设计 实现了图像数据下传的同步串口，可将小波变换后的压缩图像直接下传。 主题词：s a rf p g a 多串口通信c p c i 图像压缩小波变换 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 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 谢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 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表2 1s c l 6 c 5 5 4 内部寄存器9 表2 2r xf i f o 触发电平设置1 0 表2 3 数据长度设置1 0 表2 4 校验模式设置1 0 表2 5 停止位长度设置1 0 表2 6 常用波特率对应的波特率因子寄存器值1 1 表2 7 完全基于d s p 接收和发送数据串口性能测试结果。1 3 表2 8 不同波特率时连续两个数据之间的时间间隔1 4 表2 9 基于f p g a 接收串口数据串口性能测试结果1 7 表3 1c p c i 配置空间头标区2 8 表3 2 突发模式的设置3 2 表4 1 页块之间读过程。4 9 表4 2 页块之间写过程。5 0 表4 3 算法耗时比较5 3 第页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 1 0 图2 1 l 图2 1 2 图2 1 3 图2 1 4 图2 1 5 图2 1 6 图2 1 7 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图目录 通信控制板总体结构7 s c l 6 c 5 5 4 内部结构框图8 串口时钟电路的两种模式1 l 四路串行接口电路图1 2 中断服务程序流程图1 3 s c l 6 c 5 5 4 通用读时序1 5 接收串口数据状态转移图1 6 逐次比较法流程图。1 9 惯性导航系统帧头检测流程图1 9 惯性导航系统帧头检测时序图2 0 面向字符的同步协议帧结构2 0 面向比特的同步协议帧结构2 l 系统帧结构2 1 f p g a 内同步串口接口设计框图。2 2 f i f oi pc o r e 用户界面2 2 串口发送模块时序仿真图2 3 串口接收端设计原理图2 4 p c i 9 6 5 6 结构框图3 0 直接从模式下读写时序转换31 d m a 模式下数据传输时序转换3 2 双主模式下d s p 与p c i 9 6 5 6 的接口电路。3 3 主从模式下d s p 与p c i 9 6 5 6 的接口电路3 5 4 字突发模式传输时序图3 6 主机硬件设备信息3 8 安装驱动程序后设备管理器界面3 9 j p e g 2 0 0 0 编码结构框图4 2 二层小波子带划分4 3 单层d b 9 7 小波变换4 5 双层d b 9 7 小波变换4 5 d s p 内部结构图4 7 分块法基本结构一4 8 页块之间读时序4 9 第页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 1 图4 1 2 页块之间写时序4 9 图像存储结构图。5 o 压缩算法d s p 实现流程sl 二维图像存储模式下压缩解压后图像5 2 三维图像存储模式下压缩解压后图像5 3 第v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：狃戴墨丛通焦撞剑拯鲍筮佳遮i 盏塞理 学位论文作者签名：丝盟堡日期：勿一罗年j 月歹曰 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存，汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目： 扭盏丛通焦控剑拯数筮往遮盐生塞壅 学位论文作者签名：垒垡竖日期：么们罗年1 1 月岁日 作者指导教师签名：麴! !日期：二必易年i ，月厂日 冒防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 合成孔径雷达( s y n t h e t i ca p e r t u r er a d a r 简称s a r ) 是一种高分辨率的微波成 像雷达，是一种可全天候、全天时工作的成像遥感设备，可以对地面目标进行高 分辨率、大面积成像，在微波遥感领域占有极为重要的地位。根据安装平台的不 同，合成孔径雷达大致可分为车载、机载和星载等，其中机载合成孔径雷达又可 分为有人机载和无人机载。 合成孔径雷达通过发射大带宽信号或极窄脉冲信号来获得高的距离向分辨 率，利用合成孔径技术获得高的方位向分辨率【l 3 】。凭借其高分辨率、全天候等优 点已经在资源普查、地形勘测、海洋研究及军事侦察等方面得到广泛应用。 1 i 课题的提出及研究意义 机载合成孔径雷达系统是一个复杂的系统，包括发射机、接收机、伺服系统、 地面控制系统、处理机等众多分系统。其中处理机作为雷达系统的核心部分，要 完成数据采集，数据处理，数据传输等功能，即要完成对大容量的被测数据进行 成像处理并将图像数据实时下传至地面控制系统，还需要实现对雷达系统的控制， 传输处理惯导、g p s 数据，飞控数据等等，并通过控制飞行姿态和实现运动补偿， 获得较好的图像质量 根据机载s a l l 系统实际工作的需要，通信控制板主要完成的功能包括接收惯 导、g p s 数据，天线稳定平台数据等参数直接下传或处理后下传；接收地面控制 系统命令，对雷达系统工作模式、参数进行设置，并向地面返回当前雷达工作状 态；将雷达成像的图像数据进行压缩后实时下传。所以通信控制板是整个系统的 通信和数据交换枢纽，是整个机载合成孔径雷达系统不可或缺的组成部分。 根据通信控制板要完成功能的要求，其软件设计的难点和重点主要包括以下 几个方面： l 、测量数据、控制命令及图像数据的传输都采用串口进行，数量繁多、类型 不同( 包括同步串口和异步串口) 、速率不同( 如g p s 波特率为11 5 2 0 0 b i t s ，惯 导波特率为1 5 3 6 0 0 b i 珧等) 的低速串口对响应速度和数据处理提出了高的要求， 迫切要求解决多串口通信的实时性和可靠性问题，实现与d s p 的高效通信，同时 不影响d s p 的核心处理速度。 2 、需要设计实现主机与d s p 数据交互接口：c p c i 总线接口，实现板上d s p 与主机的数据交互及主机对d s p 运行状态实时监控的功能。 3 、机载s a r 图像具有数据量大，传输率要求高的特点，成像结果直接传输 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 给地面控制系统会给数据下传造成很大的压力，通信控制板需要解决图像数据的 实时压缩和下传问题。 1 2 课题相关技术及发展状况 1 2 1 串行通信技术 现代生产和生活中，对系统工作的可靠性要求越来越高，可靠的数据通信方 式是系统可靠工作的保证。串行通信因为其诞生时间早，使用简单方便，成本低 廉，可以适应大规模长距离传输等多种原因，一直得到广泛的应用。在此基础上， 也发展出了多种规格各不相同的串行通信标准。按工作时序来分，有同步传输模 式和异步传输模式；按物理接口标准来分，有r s 2 3 2 ，r s 4 2 2 ，r s - 4 8 5 等多种不 同方式。 异步串行通信即异步传输方式是以字符为单位进行传输，其通信协议是起止 式异步通信协议。一个字符的信息由起始位、数据位、奇偶校验位和停止位组成。 每一个字符总是以起始位开始，以停止位结束，字符的前面是一位起始位，宽度 为1 位的低电平，紧跟着起始位之后的是数据位，传输时低位在前、高位在后， 字符本身由5 8 位数据位组成。数据位后面是奇偶校验位，最后是停止位，停止 位是宽度为1 位、1 5 位或者2 位高电平，标志一个字符的结束，并为下一个字符 的开始传送做准备。停止位后面是不定长度的空闲位。停止位和空闲位都规定高 电平。 同步串行通信不像异步串行通信那样一次传送一个字符，而是一次传送一个 数据帧( 如1 k 个字符) 。同步通信中的数据帧由同步字符、数据字符和校验字符 三部分组成。其中，同步字符位于帧结构开头部分，用于确认数据字符的开始( 接 收端不断对传输线采样，并把采样到的字符和双方约定的同步字符比较，只有比 较成功后才会把后面接收到的字符加以存储) ；数据字符在同步字符之后，个数 不受限制，由所需传输的数据块长度决定；校验字符有1 2 个，位于帧结构末尾， 用于接收端对接收到的数据字符的正确性进行校验f 7 】【8 】。 目前多串口通信的实现方式主要有采用可编程逻辑器件和专用串口扩展芯片 两种实现方法。国内已有不少地方高校和研究所在这方面做了研究，如：南京航 空航天大学的戴俊在论文“c p l d 与1 6 c 5 5 4 在无人机飞控计算机中的应用 中采 用专用串口扩展芯片1 6 c 5 5 4 实现了串口扩展；西北工业大学的王亮在论文“无人 机机载计算机多串口通信设计”中采用v h d l 硬件描述语言在f p g a 内实现了多 串口通信；南京航空航天大学的钟筱艳在论文“基于d s p 盼飞控计算机的研究设 计”中设计实现了基于t l l 6 c 5 5 4 a 的多串口通信方法。 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 1 2 2c p c i 总线技术 c o m p a c t p c i 是国际p i c m g 协会于1 9 9 4 年提出的一种总线标准，是一种典型 的标准总线技术，它将v m e 密集坚固的封装和大型设备的极佳冷却效果以及p c i 廉价和易采用具有最新处理能力的芯片结合在一起，这样既使系统的可靠性进一 步提高，又降低了硬件和软件的开发成本。在电气、逻辑和软件功能方面它能与 p c i 完全兼容，具有更好的稳定性，抗震性。 c p c i 总线之所以被业界所青睐，是因为其既具有p c i 总线的高性能，又具有 e u r o c a r d 结构的高可靠性，是符合国际标准的真正工业型计算机总线，适合在可靠 性要求较高的工业和军事设备上应用。其主要优点有【9 l ： ( 1 ) 与标准p c i 兼容：c o m p a c tp c i 的c p i j 及外设同标准p c i 是相同的，并 且c o m p a c tp c i 系统使用与传统p c i 系统相同的芯片、防火墙和相关软件。从根 本上说，它们是一致的，因此操作系统、驱动和应用程序都感觉不到两者的区别， 将一个标准p c t 插卡转化成c o m p a c tp c i 插卡几乎不需重新设计只要物理上重 新分布就行了 ( 2 ) 符合e u r o e a r d 工业标准：c o m p a c tp c i 板卡采用经过2 0 余年现场使用考 验的e u r o e a r d 结构，采用垂直安装、前抽取结构，提高了板卡的可靠性、散热性 和易维护性。 ( 3 ) 高传输速度：从总线速度上看，3 2 位3 3 m h z 的c p c i 总线最大传输速 度为1 3 2 m b s ，6 4 位3 3 m h z 的为2 6 4 m b s ，6 4 位6 6 m h z 时的峰值速度可达每秒 5 2 8 m b s 。 ( 4 ) 支持热插拔：所谓热插拔就是在运行系统没有断电的条件下，拔出或插 入功能模板，而不破坏系统正常工作的一种技术。c o m p a c tp c i 连接器的电源和信 号引线支持热插拔规范，这对于容错系统是非常重要的，这也是标准p c i 所不能 实现的功能。 由于雷达的控制数据流具有单向广播或者组播的特点并且带宽需求较小，基 于c p c i 总线实现主机与d s p 之间的控制数据流交互在雷达信号处理中具有独特 的优势，国内一些大学、公司和研究所都在这方面做了研究，如：西安电子科技 大学的王华强在论文“基于标准总线的通用信号处理板设计 中研究了基于桥接 芯片p c i 9 0 5 4 的总线接口设计；镭航世纪有限公司开发的l h c t s 2 8 n x 2 0 1d s p 处理板通过c p c i 总线实现与主机的数据交互，通过c p c i 总线实现对板上8 块d s p 程序的加载和实时监控；西安电子科技大学的包志强在论文“基于标准总线的多 d s p 信号处理模板设计 中研究了基于f i f o 模式的c p c i 总线接口 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 1 2 3 图像压缩技术 图像压缩就是去除图像中的冗余和不相干信息。图像压缩的研究工作从上个 世纪5 0 年代就开始了，至今已有近6 0 多年的历史。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，发起了联合图像专家组( j p e g ) ，开始研究静态图像压缩算法 的国际标准，并于1 9 9 1 年3 月提出i s o c d l 0 9 1 8 号草案，简称j p e g 标准。在视 觉效果不受严重损失的前提下，算法可以达到1 5 - - 2 0 的压缩比。如果在图像质量 上做出一定让步，压缩比可以达到4 0 甚至更高。2 0 0 0 年底，j p e g 组织又出台了 新一代的静态图像压缩标准i s o i e c1 5 4 4 4 ，即j p e g 2 0 0 0 ，已成为静态图像压缩 的主流算法。运动图像专家组( m p e g ) 的活动始于1 9 8 8 年，它与j p e g 属于i s o 的同一委员会。1 9 9 2 年1 0 月m p e g 推出第一个运动图像标准化方案( i s 1 1 1 7 2 ) ， m p e g i 。为了满足一般数字电视的压缩要求，1 9 9 3 年1 1 月，m p e g 推出了第 二个运动图像标准m p e g n1 0 l 。 目前常用的图像压缩算法有：差分脉冲调制编码( d p c m ) 方法、矢量量化( v q ) 方法、d c t 方法以及基于小波变换编码方法。其中差分脉冲调制编码( d p c m ) 方法属于无损压缩，其压缩比一般小于3 ；d c t 方法由于在d c t 变换时须对图像 数据进行分块处理，受量化误差的影响，在压缩后恢复图像中会产生块状效应； 矢量量化( v q ) 方法虽然可以获得较大的压缩比，但矢量量化方法所需计算量与 存贮量较大，难以满足s a r 图像数据的实时处理要求。同时，大压缩比情形下， 基于传统矢量量化方法的压缩图像质量也难以满足图像高保真的要求。基于小波 变换的编码方法能充分利用小波变换后各子带的系数，从而将图像质量的变化降 低到最小，在s a p , 图像压缩领域也得到了广泛的应用。本文设计根据s a r 图像数 据的特点，选用基于小波变换域编码的图像压缩算法。 1 3 论文的主要工作及内容安排 本课题主要进行了以下四个方面的工作： ( 1 ) 根据工程项目的特殊需求，设计了一种基于f p g a 和标准串口器件的多 串口通信方案，核心硬件选用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 硬件描述语言实现了多通道串行数据接收模块，有效解决 了高速d s p 与多低速串口之间的高效通信问题，为d s p 高速处理其他任务提供了 有力支持。 ( 2 ) 基于f p g a 设计实现t - i 唇 步串口模块，并对其传输速率及可靠性进行了 测试，为压缩后的图像数据下传提供了可靠的传输通道。 ( 3 ) 设计实现了p c d 6 5 6 直接从模式下主机与通信控制板通信的c p c i 接口， 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 为d s p 实现主机加载模式及主机直接访问d s p 内存，监控d s p 的运行状态提供 了硬件接口。 ( 4 ) 在d s p 内实现了基于小波变换的s a r 图像压缩算法针对s d r a m 的 结构特点提出了三维数据存储的方法，提高了图像数据的存取效率；并对算法的 性能及实时性进行了测试，完全能够满足系统对s a r 图像实时压缩的要求。 本论文共分为四章，各章的内容安排如下： 第一章是绪论，介绍了本课题的研究背景、课题中涉及到的串行通信技术、 c p c i 总线技术和图像压缩技术的发展现状，并给出了本论文各章内容的安排。 第二章主要分为三个部分，首先对通信控制板总体结构做了介绍；其次分析 多异步串口通信的实现途径，在此基础上设计实现了一种基于f p g a 和s c l 6 c 5 5 4 的多串口通信方案，对多异步串口的可靠性、通信性能进行了测试；最后基于f p g a 设计了同步串口的实现方案，并采用v e r i l o gh d l 语言进行了实现。 第三章主要完成了c p c i 和d s l 7 之间接口的设计。首先介绍了主机与d s p 之 间常用的嵌入式数据交互技术，选择c p c i 总线作为主机与t s 2 0 1 s 进行控制数据 流交互的接口，介绍了p c i 总线的协议及配置空间，分析了c p c i 总线接口的实现 方法，给出了接口模块的设计电路；最后，介绍了几种设备驱动程序开发方法并 采用w i n d d v e r 开发了系统的驱动程序。 第四章首先介绍了图像压缩技术的原理和分巍并对基于小波变换的s a r 图 像压缩算法( 口e g 2 0 0 0 ) 进行了分析；最后基于t s 2 0 1 s 实现了该压缩算法，解 决了s a r 图像实时压缩的问题。 最后对本课题的工作进行了总结，指出了目前存在的问题，并对下一步研究 的方向进行了展望。 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第二章基于f p g a 的多串行通信接口设计及实现 通信控制板作为雷达系统的通信枢纽，与其它分系统的接口繁多，其中主要 的接口包括板卡与惯性导航设备的通信接口、与g p s 的通信接口、与飞控系统的 通信接口、与稳定平台的通信接口、与加速度计的通信接口，以及下传图像数据 的通信接口。其中除了下传图像数据的通信接口为同步串行接口外，其它接口均 是采用r s 4 2 2 r s 4 8 5 标准异步串行通信方式，如何及时地处理各个串口的数据收 发，而不影响板卡内核心处理器的运算能力，并保证数据的可靠接收和发送是多 串口通信模块设计中要解决的关键问题。 本章首先对通信控制板总体结构做了介绍；然后分析了多异步串口通信的设 计方案，根据雷达系统的实际需要设计实现了一种基于f p g a 和s c l 6 c 5 5 4 的多 异步串口通信方案，并且已经在雷达系统设备联调过程中成功应用；最后介绍了 同步串口设计方案，并基于v e r i l o gh d l 语言在f p g a 中进行了实现。 2 1 通信控制板总体结构介绍 通信控制板总体结构如图2 1 所示，其核心处理器芯片为三块a d s pt s 2 0 1 s ， 三片d s p 采用分布式存储结构，每片d s p 上挂了2 5 6 m b 的s d r a m 用来作为数 据的片外存储器，d s p 之间的数据通信通过“n l 【口来实现。d s p 0 的加载方式为 f l a s h 加载，而d s p i 、d s p 2 采用l i n k 口方式加载。d s p 0 、d s p l 主要用来实现 图像压缩算法，并将压缩后的图像数据下传，d s p 2 主要甩做运动参数及系统模式 参数的处理。板上还有一片单片机用来实现系统工作状态的控制。 系统的内部逻辑接口主要采用x i l i n x 公司v i r t e x - i i 系列的两片f p g a 芯片 x c 2 v 1 0 0 0 4 f g 4 5 6 实现，f p g a l 主要实现p c i 9 6 5 6 与d s p 之间的数据通信接口 及s a r 图像数据下传需要的高速同步串口；f p g a 2 主要实现d s p 与多低速串口 之间的数据通信、单片机与d s p 之间的通信以及时序控制等。 桥接芯片p c i 9 6 5 6 用来实现c p c i 总线接口设计，主机通过桥接芯片与通信控 制板通信，e e p r o m 用来对桥接芯片的上电复位加载，在上电后对p c i 9 6 5 6 进行 配置。 第6 页 倡防科学技木大学研究生院硬士学位论文 图2l 通信控制板总体结构 2 z 基于f p g a 与s c l 6 c 5 5 4 的多异步串口通信模块设计 2 2 1 多路异步串行遗信设计方案选择 目前比较遣用舳异步串口扩展方法有两种：一种是用软件实现，一种是用硬 件实现响。软件实现就是采用软件编程模拟串口的方式，即在f p g a 内部编程 模拟多路申口来实现串口扩展。这种方法的优势是成本较低但模拟串口存在的 缺点有：一是每个b i t 的采样次数低，一般只能做到2 次，b i t ，这样就难以保证数据 的正确性；二是不鸵实现高波特率通讯，软件模拟串口一般不能实现高于4 8 0 0 印b 的波特率，不能满足本系统韵要求；三是f p g a 内部同时处理多路串司的收发， 开发难度也较大，开发周期较长，尤其是当多串口同时工作，无法确保通信的实 时性和可靠性。 硬件实现异步串口扩展的方法包括使用多串口单片机和专用串口扩展苍片两 种。采用多串口单片机实现异步串口扩展，具有成本较低开发比较简单等优点； 但是一般单片机只含两个异步串口数量有硪无法满足系统设计要求。采用专九 的串口扩展芯片：现在可供选择的串口扩展芯片有口、p h l l i p s 、e x a r 等多家公 司开发的一系列专用串口芯片( 如1 6 c 2 8 5 2 、1 6 ( ：5 5 4 ) ，该系列芯片实现的功能 是通过并行口扩展串行佃功能比较强大、通信速度高。采用这种方法实现多串 口通信，虽然成本较高，但是开发比较简单，可靠性可以得到保证 本雷达通信控制扳包含了五路异步串行通信接口。其中，为了实现对系统上 电、工作模式和参数设置莳单独控制，将飞控系统的串口直接连到一单片机上。 第7 页 国防科学技术大学研究生院硬士学位论文 而雷达与惯性导航设备、g p s 、稳定平台、加速度计的四路异步通信接口通过 p h i l i p s 公司的s c l 6 c 5 5 4 串口扩展芯片来实现。 基于通用的异步串口扩展芯片实现多串口扩展，通常采用c p l d 实现d s p 与 异步串口扩展芯片之间的逻辑控制，完全基于d s p 接收和发送数据。这种方法虽 然控制简单，缺点也根明显：当数据量较大、多串口同时工作时数据的收发占用 d s p 的时间较长，会大大影响d s p 的工作效率，且当外部中断频繁时，有可能造 成数据丢失。针对以上问题本文提出了一种新的实现方法基于f p g a 和通用 异步通信芯片实现d s p 与多异步串口的通信。在不进行硬件改动的基础上，通过 在f p g a 内建立一个缓存机制，实现接收串口芯片的数据，达到一定量时向d s p 发送中断读取数据。该设计能极大减少对d s p 的占用时间，提高了d s p 的工作效 率：同时提高了对串口芯片中断请求的响应速度，解决了数据丢失的问题。 不 2 22 串r a 扩展芯片s c l 6 c 5 5 4 介绍【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 公司生产的异步串行通信芯片。其内部结构如图2 2 所 , v a l l x t d l 2 c u 眦 图2 2s c l 6 c 5 5 4 内部结构框图嗍 s c l 6 c 5 5 4 是4 通道通用异步串行收发器( q u a r t ) 。它的基本功能是将串 行数据转换成并行数据，反之亦然。u a r t 可处理高达5 m b i t s 的串行数据速率。 第8 页 i 一 噌 面惑 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 串行数据流的同步通过在发送的数据上添加起始位和停止位形成一个数据字符来 实现。 s c l 6 c 5 5 4 的主要特性如下： ( 1 ) 有a 、b 、c 、d 四个通道独立收发数据； ( 2 ) 5 v 和3 3 v 电压下的数据传输速率高达5 m b i t s ，2 5 v 电压下的数据传 输速率为3 m b i t s ； ( 3 ) 具有1 6b y t e 的收发f i f o 缓冲器； ( 4 ) 可通过编程设置传输数据的格式：字符长度( 5 ，6 ，7 ，8 位字符) ， 校验模式( 偶校验，奇校验或无校验) ，停止位( 1 、l 或2 位) 和波特率； ( 5 ) 有l 、4 、文1 4 字节4 种可选的接收f i f o 中断触发深度； ( 6 ) 充分分级的中断系统控制； ( 7 全面的线路状态报告功能。 2 2 2 2s c l 6 c 5 5 4 芯片内部寄存器 s c l 6 c 5 5 4 有丰富的寄存器资源，每个通道都包含1 2 个内部寄存器。这些寄 存器分别用于实现通信参数的设置、对线路及m o d e m 的状态访问、数据发送和 接收以及中断管理等功能。可通过a o 、a 1 、a 2 三条片内寄存器选择线、i o r 和 i o w 一起访问或控制s c l 6 c 5 5 4 的任何一个寄存器。这些寄存器如表2 1 所示。 表2 1s c l 6 1 2 5 5 4 内部寄存器 船l a 1 fa 0 读模式写模式 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 )发送保存寄存器( t h r ) oo1 中断使能寄存器( r )中断使能寄存器( r ) ol 。 o 中断状态寄存器( i s r )f i f o 控制寄存器( f c r ) 01l 线路控制寄存器( l c r )线路控制寄存器( 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 线性状态寄存器( l s r ) n a 110 m o d e m 状态寄存器( m s r ) n a 1l1 暂存寄存器( s p r )暂存寄存器( s p r ) 波特率设置寄存器集( d l l d l m ) 000 除数l s b 锁存( d l l )除数l s b 锁存l l ) o01 除数m s b 锁存( d l m )除数m s b 锁存( d l m ) 注：通用寄存器集在线路控制寄存器l c r 7 为0 时才能访问；波特率设置寄 第9 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 存器只有在线路控制寄存器l c r 7 为l 时才能访问。 其中与串口通信相关的寄存器主要有接收发送保存寄存器，中断使能寄存器， f i f o 控制寄存器，线路控制寄存器，波特率设置寄存器。 接收发送保存寄存器主要用来存放接收和要发送的数据，中断使能寄存器主 要实现中断使能的设置，包括发送空中断、接收数据准备好中断、超时中断等。 f o 控制寄存器，用于选择串口的工作模式和接收f i f o 触发电平，如表2 2 所示。 线路控制寄存器( l c r ) 用来定义通信数据格式，它包括字符长度、奇偶校 验和停止位位数的设定。b i t1 和b i t0 决定字符长度( 见表2 3 ) ；b i t 2 决定对应 于字符长度的停止位位数( 见表2 5 ) ；b i t3 决定是否存在奇偶校验( 0 表示无奇 偶校验，1 表示在传输过程中会产生1 位奇偶校验) ；b i t4 是在存在检验的情况 下决定奇偶校验的格式( o 表示奇校验，1 表示偶校验)；b i t5 是结合b i t4 强 制决定奇偶比特位的格式( 见表2 4 ) ； b i t7 表示内部波特率设置寄存器打开与 关闭( 0 表示关闭寄存器，1 表示打开寄存器) 。 表2 2r x f i f o 触发电平设置 表2 3 数据长度设置 表2 4 校验模式设置 表2 5 停止位长度设置 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 = = = = = = = = = i i ii- m i i i = = = = = = 墨旨 2 2 2 3 可编程波特率发生器 s c l 6 c 5 5 4 的每个通道收发共用一个波特率发生器，允许波特率发生器对每个 通道进行单独控制。可编程波特率发生器可接收高达8 0 m h z 的输入时钟( ，3 v 和 5 v 工作环境下) ，此时数据率最高达5 m b i t s 。s c l 6 c 5 5 4 可配置成内部或外部时 钟工作模式。对于内部时钟振荡器，在x t a l i 和x t a l 2 管脚之间外部连接一个 工业标准的