基于DSP的合成孔徑雷達成像系統(tǒng)的設(shè)計

1．引言
　　
合成孔徑雷達成像系統(tǒng)是一種全天時、全天候的高分辨率主動微波遙感成像系統(tǒng)，在地理遙感、地形測繪、災(zāi)情預(yù)測和軍事偵察等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。逆存儲轉(zhuǎn)置器（ICTM）是合成孔徑雷達成像系統(tǒng)的一個重要模塊，它需要將上位機方位壓縮模塊輸出的圖像數(shù)據(jù)以方位線的形式依次寫入外部存儲器，通過數(shù)據(jù)的逆轉(zhuǎn)置處理，以距離線的形式將圖像數(shù)據(jù)依次輸出。此外，ICTM的輸出數(shù)據(jù)將經(jīng)過數(shù)據(jù)I/O節(jié)點發(fā)送到下位機圖像顯示模塊，使圖像顯示模塊能實時的以距離線形式滾動顯示雷達圖像。ICTM以TI的一款高性能定點DSP芯片TMS320C6415為核心處理器，兩條大容量SDRAM作為外部存儲器，實現(xiàn)輸入數(shù)據(jù)的逆存儲轉(zhuǎn)置操作，同時其強大的處理能力也為今后處理更多的數(shù)據(jù)提供了升級空間。

2．TMS320C6415芯片簡介
　　
TMS320C6415是TI公司生產(chǎn)的高性能定點DSP C6000系列中的一款，該系列的DSP都是基于VelociTITM架構(gòu)的VLIW DSP，在每個時鐘周期內(nèi)可以執(zhí)行8條32bit的指令。C6415的核心工作頻率最高可以達到720MHz，峰值工作速率為5.76GIPS。C6415提供與SDRAM的無縫接口，可以有效的簡化硬件設(shè)計開發(fā)難度，利用C6415的片選空間映射管理SDRAM，最多可以支持1GB的外部存儲空間，完全可以滿足逆存儲轉(zhuǎn)置處理所需的192M存儲要求。
　　
TMS320C6415的CPU結(jié)構(gòu)具有2個通道，每個通道有4個功能單元（1個乘法器和3個算術(shù)邏輯單元），16個32位通用寄存器，每個通道的功能單元可以隨意訪問本通道的寄存器。CPU還有2個交叉單元，通過它們，一個通道的功能單元可以訪問另一個通道的寄存器。另外，CPU還具有256bit寬的數(shù)據(jù)和程序通道，可以使程序寄存器在每個時鐘周期提供8條并行執(zhí)行指令，這種CPU結(jié)構(gòu)是DSP具有VLIW結(jié)構(gòu)的基本條件。
　　
DSP的存儲空間映射為內(nèi)部存儲器、內(nèi)部外設(shè)及外部擴展存儲器，其中內(nèi)部存儲器由64KB內(nèi)部程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器構(gòu)成。內(nèi)部程序存儲器可以映射到CPU地址空間或者作為Cache操作。內(nèi)部和外部數(shù)據(jù)存儲器均可以通過CPU、DMA或HPI（Host Interface）方式訪問，HPI接口使上位機可以訪問DSP的存儲空間。

3．ICTM工作原理
　　
ICTM模塊的主要功能是將上位機方位壓縮模塊輸出的數(shù)據(jù)重新排列順序，使得依次沿方位向排列的數(shù)據(jù)變換成沿距離向排列，使下位機圖像顯示模塊能實時滾動顯示圖像。

圖1 ICTM模塊工作原理示意圖
　　
ICTM模塊的工作原理可用圖1來表示。整個SDRAM存儲空間劃分為BANKA和BANKB兩塊存儲區(qū)，兩塊BANK的列深度為輸入的方位向點數(shù)2048點，行深度為輸出的距離向點數(shù)4096點，為使兩塊BANK的讀/寫數(shù)據(jù)量平衡，需要在每個工作周期內(nèi)輸入兩條方位線（2×2048點）數(shù)據(jù)，同時輸出一條距離線（1×4096點）數(shù)據(jù)。兩塊存儲區(qū)采用“乒乓”操作的讀寫方式，即如果等間隔讀BANKA區(qū)域，則連續(xù)寫B(tài)ANKB區(qū)域，反之如果連續(xù)寫B(tài)ANKA區(qū)域，則等間隔讀BANKB區(qū)域，讀完一塊存儲區(qū)的同時，另一塊存儲區(qū)也剛好寫滿。這樣兩塊存儲區(qū)交替工作，充分節(jié)約了讀/寫SDRAM的時間開銷，有利于滿足整個系統(tǒng)的實時性要求。

4．ICTM硬件電路設(shè)計

圖2 ICTM模塊硬件電路結(jié)構(gòu)示意圖

ICTM模塊的硬件電路設(shè)計框圖如圖2所示。根據(jù)ICTM模塊的工作需要，主存儲器采用兩頁式工作結(jié)構(gòu)，每頁集成256MBytes大小的SDRAM，分別配置在C6415的兩個CE空間。SDRAM和作為輸入/輸出緩存的同步FIFO都連接在C6415 64Bit位寬的EMIFA接口，以保證較高的數(shù)據(jù)傳輸帶寬。

4.1 SDRAM存儲電路
　　
主存儲器類型選擇為SDRAM，即標(biāo)準(zhǔn)的144pin筆記本內(nèi)存條(標(biāo)準(zhǔn)SODIMM封裝)，目前選用256M容量大小。由于ICTM模塊的SDRAM接口采用可擴充接法，因此可以擴充到512MB容量。即如果SDRAM Module的容量為256MB，則列地址為A0～A8 ，如果SDRAM Module容量為512MB，則列地址為A0～A9。DSP的EMIFA口CE0、CE1輸出信號分別接SDRAM的BANK選擇管腳S0、S1。即如果SDRAM的BANK只有一個，則只有S0有效，這樣SDRAM只占用DSP的EMIFA口CE0空間，如果SDRAM的BANK有兩個，則占用DSP的EMIFA口CE0、CE1空間。

4.2 輸入/輸出FIFO
　　
DSP的EMIFA口CE2/CE3空間分別控制輸入FIFO和輸出FIFO。輸入FIFO采用IDT公司的IDT72V3670（8K×36Bit），輸出FIFO采用IDT公司的IDT72V3680（16K×36 Bit），封裝形式為TQFP，128pin。FIFO的設(shè)計采用同步方式讀寫，但是利用0Ω電阻等效的短接線設(shè)計方式，也可以工作在異步模式下，F(xiàn)IFO控制信號通過CPLD做譯碼。
　　
ICTM模塊用于讀寫操作的64bit FIFO采用用兩個32bit的FIFO并連實現(xiàn)，利用FIFO深度來做等效的輸入、輸出“乒乓”操作。其中輸出只用到一片F(xiàn)IFO，另外一片為將來大數(shù)據(jù)量的處理預(yù)留空間。

4.3 CPLD和HPI
　　
ICTM模塊各功能單元的電路狀態(tài)、時序控制以及I/O接口控制都由CPLD完成。此外，通過C6415的主機接口（HPI）可以直接訪問DSP映射管理下的所有片內(nèi)和片外存儲單元。因此，在電路設(shè)計中將DSP的HPI接口通過CPLD與系統(tǒng)控制總線相連，從而使主控能夠直接訪問DSP的HPI接口，進而滿足處理程序?qū)崟r下載和指令數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)囊蟆?
　　
ICTM模塊的硬件設(shè)計充分考慮了結(jié)構(gòu)化的設(shè)計要求，為合成孔徑雷達實時成像處理系統(tǒng)提供了高性能的逆存儲轉(zhuǎn)置硬件平臺，結(jié)合配置的控制軟件就可以實現(xiàn)實時成像處理所需的逆存儲轉(zhuǎn)置功能。

5．軟件設(shè)計與實現(xiàn)
　　
TMS320C6415是面向C結(jié)構(gòu)的DSP芯片，支持標(biāo)準(zhǔn)C/C++編程，其開發(fā)工具Code Composer Studio（CCS2.21）內(nèi)嵌C編譯器的編譯效率可達匯編的85%。另外，C編程可提高DSP程序的可維護性、可移植性、可繼承性，便于縮短軟件開發(fā)周期，因此本DSP程序選擇采用C語言編寫。

圖3 程序?qū)哟谓Y(jié)構(gòu)和模塊劃分

5.1軟件模塊劃分
　　
軟件層次結(jié)構(gòu)和模塊劃分如圖3所示。DSP軟件的主要部分是底層的四個功能模塊，這四個功能模塊分別完成以下操作：1. 從輸入FIFO中讀取兩條方位線數(shù)據(jù)（每條方位線2048點，每點數(shù)據(jù)類型為短整型）到DSP內(nèi)存中；2. 將讀入的數(shù)據(jù)按順序存儲到SDRAM中；3. 把SDRAM中的數(shù)據(jù)沿距離線順序讀到DSP內(nèi)存中，即完成轉(zhuǎn)置操作；4. 把轉(zhuǎn)置后的數(shù)據(jù)送至輸出FIFO。

5.2軟件各模塊間關(guān)系

l 上電初始化模塊：在DSP上電后，完成與硬件工作有關(guān)的各控制寄存器的初始化，以及與軟件工作有關(guān)的各內(nèi)部變量和存儲區(qū)的初始化；
l 主處理模塊：調(diào)用其它功能模塊，完成整個逆存儲轉(zhuǎn)置流程；
l 數(shù)據(jù)輸入模塊：受主處理模塊調(diào)用，利用EDMA完成數(shù)據(jù)輸入；
l 寫SDRAM模塊：受主處理模塊調(diào)用，利用EDMA完成數(shù)據(jù)寫操作；
l 讀SDRAM模塊：受主處理模塊調(diào)用，利用EDMA完成數(shù)據(jù)讀操作；
l 數(shù)據(jù)輸出模塊：受主處理模塊調(diào)用，利用EDMA完成數(shù)據(jù)輸出。

5.3 C6415的EDMA控制寄存器
　　
EDMA是C621x/671x/641x特有的數(shù)據(jù)存取方式。在C621x/671x/641x中，EDMA控制寄存器負(fù)責(zé)片內(nèi)二級存儲器與其它外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳輸。EDMA控制寄存器和DMA控制寄存器在結(jié)構(gòu)上有很大不同。其增強之處包括：

l 提供了64個傳輸通道；
l 通道間優(yōu)先級可設(shè)置；
l 支持不同結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)傳輸?shù)逆溄印?
　　
EDMA控制寄存器主要由事件（中斷）處理寄存器、事件編碼器、參數(shù)RAM以及硬件地址發(fā)生器構(gòu)成。其中，事件（中斷）處理寄存器負(fù)責(zé)對EDMA事件進行捕獲。一個事件相當(dāng)于一個同步信號，由它觸發(fā)一個EDMA通道開始數(shù)據(jù)傳輸。如果多個事件同時發(fā)生，則由事件編碼器對它們進行分辨，將同時發(fā)生的事件進行排序，并決定事件的處理順序。EDMA的參數(shù)RAM中存放了有關(guān)的傳輸參數(shù)，這些參數(shù)會被送往硬件地址發(fā)生器，進而產(chǎn)生讀寫操作所需的地址。

5.4 ICTM軟件設(shè)計流程

圖4 ICTM軟件設(shè)計流程
　　
ICTM模塊軟件設(shè)計流程可用圖4來表示。首先完成上電復(fù)位，初始化EMIFA和EMIFB配置寄存器、中斷控制寄存器和EDMA控制寄存器，之后在主程序中完成各常量和變量的定義及初始化。完成上述初始化定義后就可以使能外部中斷控制寄存器和EDMA控制寄存器，等待外部中斷INT4的觸發(fā)。INT4的觸發(fā)源來自脈沖PRF，該脈沖的到來說明兩條待輸入的方位線數(shù)據(jù)已送至輸入FIFO，此時CPU可以將這兩條方位線數(shù)據(jù)讀到DSP內(nèi)存，并送至SDRAM的相應(yīng)存儲區(qū)。
　　
由于輸入/輸出數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相對簡單，讀輸入FIFO、寫SDRAM、讀SDRAM以及寫輸出FIFO四個過程可以采用“EDMA鏈（EDMA Chain）”的方式進行。即第一個EDMA傳輸完成后，緊接著啟動第二個EDMA傳輸，直到最后一個EDMA傳輸完成，這樣可以在不受CPU干預(yù)的情況下完成數(shù)據(jù)的搬移，有利于提高數(shù)據(jù)傳輸效率。

5.5 軟件并行設(shè)計問題
　　
由于EDMA不受CPU干預(yù)，因此在使用EDMA傳輸數(shù)據(jù)的同時，CPU可并行執(zhí)行其它指令，這樣可極大提高代碼的執(zhí)行效率。舉例如下：

if(EDMA_intTest(22))
{
*ifoeoff=0;
EDMA_intClear(22);
EDMA_setChannel(hEdmaCha25);// trigger EDMA to reading data from SDRAM
#pragma MUST_ITERATE(32,,8);
for(i=0;i {
headwriteaddr[ i]=inputa[ i];
}
WORD_ALIGNED(inputb);
WORD_ALIGNED(inputc);
WORD_ALIGNED(inputa);
#pragma MUST_ITERATE(64,,8);
for(i=0;i {
inputb[ i]=inputa[2*i+64];
inputc[ i]=inputa[2*i+65];
}
}

其中EDMA_setChannel(hEdmaCha25)語句用來啟動EDMA25通道的傳輸，完成從SDRAM讀取轉(zhuǎn)置數(shù)據(jù)的任務(wù)。EDMA在進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r，CPU則繼續(xù)執(zhí)行之后的三條語句headwriteaddr[ i]=inputa[ i]、inputc[ i]=inputa[2*i+65]、inputb[ i]=inputa[2*i+64]，直到EDMA傳輸完成并發(fā)出中斷，CPU才響應(yīng)EDMA中斷。

顯然，采用上述并行處理的方式，CPU工作周期得到充分利用，提高了代碼的執(zhí)行效率，有利于滿足系統(tǒng)的實時性要求。

6．結(jié)束語
　　
逆存儲轉(zhuǎn)置器（ICTM）是合成孔徑雷達（SAR）實時成像處理系統(tǒng)的一個重要模塊。本文選擇TI的一款高性能定點DSP芯片TMS320C6415為核心處理器，兩條大容量SDRAM作為外部存儲器，實現(xiàn)輸入數(shù)據(jù)的逆存儲轉(zhuǎn)置操作。軟件編程采用并行處理方式，提高了代碼執(zhí)行效率。單板測試和系統(tǒng)聯(lián)調(diào)表明，設(shè)計的逆存儲轉(zhuǎn)置器滿足各項性能指標(biāo)，已通過項目組驗收，即將投入