微波成像系统中高速数据采集系统的设计与实现【精品论文】 .pdf

瑚全国第主墨昙莩嚣麓联合学术会议论文集 微波成像系统中高速数据采集 系统的设计与实现 李剑黄智刚万国龙 北京航空航天大学电子信息工程学院，北京，1 0 0 0 8 3 摘要 为解决被动式毫米波成像系统数据采集速率高的问题，本文提出了一种基于计算机p c i 总线结 构的数据采集系统方案，采样率这2 0 0m s p s ，存储量迭3 2m b 。该方案采用f p g a 技术实现系统的逻辑控制， 具有结构简洁，尺寸小和灵活可控的特点。经实际测试表明，该方案可行，系统运行可靠，满足被动式毫米波成 像系统的要求。 关键词高速a d ，f p g a ，p c i 总线 i 引言 在被动式毫米波成像系统中，数据采集系统是其重要组成部分。模数转换之后可进行数字相关，数字相 关相对于模拟相关具有结构简单，方便灵活的特点。为得到高质量的图像，须接收宽带物体辐射信号，因此，须 进行高速采集。同时，成像算法要对每两个天线做相关，故至少需要两个采集通道。最后，为了提高温度灵敏 度，可采用延长积分时间的方法，因此，需长时间采集，进行海量缓存。 p c i 作为计算机高速总线，具有存取时间短( 3 0n s ) ，数据位宽( 3 2 位) ，可同步触发，传输可靠等特点；f p g a 为大规模可编程逻辑芯片，通过更换外部的e 2 p r o m ，可方便地改动内部结构，实现对系统的灵活控制。 本文介绍的高速数据采集系统在上述两种技术基础上，辅以高速f i f o 和高速a d 技术，对模拟信号进行采 集。实验运行结果证明，该采集系统性能可靠，可实现模拟信号的数字化，并进行存储和传输，满足被动式毫米 波成像系统的要求。 2 系统总体结构 被动式毫米波成像系统使用孑l 径综合的方法得到高分辨率图像，因此需要多个接收通道，每个接收通道包 括接收机和高速a d ( 如图1 所示) 。在原理验证阶段，为了降低成本，仅用两个接收通道接收静止场景信息， 将接收机安装在天线架上，通过电机移动接收机的位置模拟天线阵列，接收机通过传输线接人数据采集系统 中。数据采集系统由以下几部分组成：高速a d 、缓冲器、f p g a 、f i f o 和p c i 接口芯片。系统框图如图2 所示。 高速a d ：由于接入高速a d 的信号是一带宽 为3 0 8 0m h z 的带限信号，所以根据采样定理用 采样率为2 0 0m s p s 的a d 9 0 5 4 可实现信号的无混 叠采集。a d 9 0 5 4 内含两个输出寄存器，将转换的数 据通过两个寄存器交替输出，每个输出通道的速率 可降为1 0 0m s p s t “。 缓冲器：a d 9 0 5 4 的分辨率为8 位，但为了满足 系统要求( 3 位) 又不浪费缓存空间，只对a d 转换 结果的高4 位进行缓存。因为1 、2 两路转换结果均 是双通道输出，且a 通道与b 通道有5r l s 的相位 成像 圈i 被动式毫米波成像系统框图 差，所以通过一个缓冲器将1 、2 两路的a 通道拼在一起，再通过另一个缓冲器将1 、2 两路的b 通道拼在一起， 两个缓冲器均是8 位输出。 f p g a ：系统的主控制器，管理整个系统的时钟，实现采集、缓存、传输的控制。采集部分的控制包括a d 的启动停止，双输出通道同步l 缓存部分的控制包括存储器的复位、读和写；传输部分的控制是本地逻辑的实 现。f p g a 还实现了将两个缓冲器的1 6 位、1 0 0m s p s 输入整合为3 2 位、5 0m s p s 输出，再次降低了速率。 第四篇d s p 在图像处理领域中的应用 1 9 9 l 2 b 9 0 5 4 b刮缓冲器 p c i p c i 9 0 5 4 一接口。 a d 9 0 5 仁 、厅磊习z f o 总线控制器 y k r i l r 。 川7j ej e f p g a 逻辑控制电路 外时钟f 外触发f 内时钟f 瓮要妒i 哩基l 鐾釜- 线 图2 数据采集系统结构框图 存储器：存储f p g a 输出的3 2 位、5 0m s p s 数据，由于连续采集时间为2 0m s ，则总共存储空间需3 2m b ， 用8 片容量为4 5m h 的f i f o ( i d t 7 2 v 3 6 1 1 0 ) 级联实现。 p c i 接口芯片：实现本地侧与p c i 侧的通信，将采集数据传输到计算机中，或通过软件将控制指令数据传 递到f p g a 中，实现对系统的控制。 3实现途径 系统上电后，加载f p g a 程序，配置p c i 9 0 5 4 ，实现对系统各部分的初始化。此时，通过软件设置系统参数 并复位硬件，启动硬件工作，包括a d 转换、数据缓存以及d m a 传输开始。由f p g a 对整个系统进行控制， 硬件按时序控制a d 转换，接收d m a 中断申请，接收新数据，实现对模拟信号的数字化，将采集数据以文本 文件的方式保存在计算机中。此时，如不进行暂停结束操作，则不断地进行采集一保存操作；若进行暂停操作， 则系统复位；若进行结束操作，则系统停止工作。 整个系统的数据整合过程如图3 所示，1 路的a 通道和2 路的a 通道进入一个缓冲器，1 路的b 通道和2 路的b 通道进入另一个缓冲器，两个缓冲器输出到f p g a 中，f p g a 将一时刻与二时刻的缓冲器中的数据进 行拼凑，输出到f i f o 中。 圈3 数据的整合 4关键技术 4 1 高速a d 转换器 a d 9 0 5 4 既可以选择单通道输出，也可以选择双通道输出。虽然双通道输出比单通道输出控制逻辑复杂， 但其使得数据输出速率从2 0 0m s p s 下降到1 0 0m s p s ，此时不论是对后续的处理速度，还是对系统的高频效 应，都有了大幅改善。 高速a d 是整个系统包含模拟电路的部分，因此，在设计过程中应多加注意。在电路板表面a d 模拟部 分铺模拟地，数字部分铺数字地，模拟地与数字地在一点用磁珠相连，保证模拟与数字隔离 到两路a d 的时 ：。全国第主竺篙嚣捻联合学术会议论文集 钟走线应尽量一致，减小采样时钟的相位差；输入到a d 的两路模拟信号应加以保护，防止串扰。 4 2 存储器 因为要缓存的数据量非常大，如用s d r a m ，虽然单片存储量很大，但是控制逻辑复杂；如用s r a m ，则单 片存储量小，要用多片，则会有很多地址线和数据线，不利于布线。因此选用f i f o ，虽然单片存储量不大，但是 可以通过级联的方式扩展存储深度，且没有地址线，接口的数据线也不多，因此可减少布线的麻烦。 i d t 7 2 v 3 6 1 1 0 的级联是采用了其f w f t 模式的特点，即输入到f i f o 中的数据会在3 个读时钟后自动出 现在输出端口上“ 。8 片f i f o 的连接方式如图4 所示。 f w f t 图4f i f o 级联方式 4 3p c i 高速总线接口技术 p c i 9 0 5 4 是p c i 侧3 2 位、3 3m h z ，本地侧3 2 位、最高5 0m h z 的p c i 接口芯片，相对于其他的传输方式要 快得多，可满足数据传输的实时性要求。为得到最大的平均传输速率，专门设计了数据通信伺服逻辑电路，及 时响应p c i 9 0 5 4 的状态变化，以最快的速度完成数据的读取、传输和存储。 p c i 传输采用d m a 方式，此时9 0 5 4 既是p c i 总线的主设备，又是l o c a l 。侧的控制者，通过在读写操作 时对d m a 目标地址、源地址、传输数据个数、d m a 方式、d m a 的启动和d m a 状态等信息进行设置，实现两 总线问的数据传输h 。 用到的9 0 5 4 结构框图如图5 所示。 图5 用到的9 0 5 4 结构框图 4 4 系统控制器f p g a f p g a 采用x i l i n x 公司的x c 2 s 3 0 0 e 。f p g a 包括系统时钟管理及采集、存储与传输三部分逻辑控制。 f p g a 的关键技术之一体现为对从a d 到f i f o 的高速动态数据流的控制，其时序关系要求严格，逻辑结 第四篇d s p 在图像处理领域中的应用 2 0 1 构复杂，在传输过程中既不能丢失一个数据，也不允许多产生一个数据。 f p g a 的关键技术之二是数据从f i f o 到p c i 本地侧的传输采用有限状态机的方法实现，图6 表示状态 转换图。其中，s o 。是初始状态，s 1 是预读f i f o 状态；s 2 是f i f o 数据猝发传输状琴。棚。 圈6 状态转换图 5结论 p c i 总线由于具有高速传输和使用方便的特点。而广泛应用于数据采集系统。本文介绍的基于p c i 9 0 5 4 的2 0 0m h z 数据采集系统，解决了被动式毫米波成像系统中数据采集速率高的问题，采样率达2 0 0m s p s ，存 储量达3 2m b ，且数据的采集、缓存及传输灵活、可控。 此系统将被动式毫米波成像系统中的模拟信号数字化，并传递到计算机中用成像反演算法进行成像处理。 经实际测试表明，该方案可行，可满足被动式毫米波成像系统的要求。 参考文献 1 彭杰，汪国有，张天序p c i 9 0 5 4 本地总线控制可编程逻辑设计2 0 0 3 2 戴紫杉，孙万忠，张永福p c i 9 0 5 4 局部总线设计及应用2 0 0 3 3 a n a l o gd e v i c e s a d 9 0 5 4 ad a t a s h e e t 2 0 0 1 4 i n t e g r a t e dd e v i c et e c h n o l o g y 7 2 v 3 6 1 1 0d a t a s h e e t 。2