基于USB的雷達目標檢測及數(shù)據(jù)采集設(shè)計研究

摘    要：本文介紹了一種通過USB接口與主機實現(xiàn)通訊的雷達目標檢測與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和工作原理，闡述了檢測與采集的關(guān)鍵技術(shù)，重點說明了使用AN2131QC芯片的USB設(shè)備的開發(fā)流程。
關(guān)鍵詞：USB接口；目標檢測；數(shù)據(jù)采集

引言
在雷達數(shù)據(jù)信息的現(xiàn)場處理中，往往要求能迅速、可靠地完成設(shè)備之間的連接。而對于傳統(tǒng)的插口，即使是PNP的，也必須打開機箱進行采集卡、檢測卡的安裝，同時要進行驅(qū)動程序的裝載。此外，外設(shè)的安裝還受到I/O口數(shù)量的限制。本文針對這種情況設(shè)計了基于USB接口的雷達目標檢測及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，闡明了其基本工作原理。同時，對USB協(xié)議的實現(xiàn)以及USB設(shè)備的開發(fā)過程進行了較為詳細的闡述。

工作原理
基于USB接口的雷達目標檢測及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括：目標檢測模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和USB接口模塊。其中，目標檢測模塊由8位A/D轉(zhuǎn)換芯片、雙端口RAM、TMS320C31處理器以及FPGA構(gòu)成，而TMS320C31的存儲空間又包括雙端口RAM、FLASH、SRAM、FIFO、以及在FPGA內(nèi)構(gòu)造的FIFO。數(shù)據(jù)采集模塊由12位A/D轉(zhuǎn)換芯片、FPGA、及兩路乒乓存儲器組成。USB模塊由AN2131QC、CPLD、輔助差分輸入電路、8位FIFO組成。目標檢測模塊與數(shù)據(jù)采集模塊通過FPGA聯(lián)接，與USB接口模塊之間通過FIFO聯(lián)接。系統(tǒng)基本工作原理如圖1所示。
一路信號首先通過8位A/D轉(zhuǎn)換芯片，進入雙端口RAM進行數(shù)據(jù)緩存。A/D轉(zhuǎn)換頻率由TMS320C31的時鐘輸出通過FPGA組合確定，而采樣信號將在雷達有效作用距離內(nèi)對回波信號進行采集，目的是檢測目標是否存在，以及確定目標的個數(shù)。TMS320C31對雙端口RAM的數(shù)據(jù)進行讀取和檢測分析后，得到目標的方位和距離信息，并同時提供給FIFO和數(shù)據(jù)采集模塊中FPGA內(nèi)的FIFO，以便分別進行主機顯示和形成采集波門。數(shù)據(jù)采集模塊在該采集波門下對目標回波進行鎖定精密采集，采集后的數(shù)據(jù)進入“乒乓內(nèi)存”(其特點是等待時間少，傳輸速度快)。USB接口模塊把主機命令提供給TMS320C31，以及將乒乓內(nèi)存中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C中，前者使用中斷傳輸方式，后者使用同步傳輸方式。

設(shè)計與實現(xiàn)
目標檢測(結(jié)合USB接口寫)
目標檢測模塊原理圖如圖2所示。FPGA+RAM的非相干積累能夠提高雷達系統(tǒng)檢測的性能，其實現(xiàn)原理圖如圖3所示。
采樣率相關(guān)的目標檢測算法的基本思想是設(shè)置兩個門限。第一個門限用來在較高虛警、高檢測概率的前提下檢測信號的有無；第二個門限根據(jù)雷達分辨率與采樣率的相對關(guān)系，降低虛警率并判斷實際目標是否存在。其實質(zhì)是利用雷達目標視頻回波與噪聲視頻輸出在幅度和連續(xù)寬度分布上所呈現(xiàn)的差異，采用基于數(shù)據(jù)信息的距離段聯(lián)合檢測方法來抑制噪聲，確定目標的存在。利用FPGA+RAM實現(xiàn)的恒虛警門限檢測原理圖參考圖4所示。
在進行完檢測后，還要進行目標的點跡凝聚和目標的跟蹤。所謂的點跡凝聚就是在方位上確定目標所在中心方位值的大小，其基本思想是：由于利用門限檢測，在相鄰多幀的相應(yīng)位置都將檢測出目標。但是，不能簡單地將每幀中超過門限值的每一點都當作單個目標來處理，而只能作為目標的某個散射點。根據(jù)距離分辨率和相鄰幀目標位置的相關(guān)性，應(yīng)當把處于一定空間范圍內(nèi)地點作為同一個目標點來處理。當有目標出現(xiàn)時，在當前幀中檢測。先將目標位置記錄下來，然后進行下一幀的檢測。將記錄下的目標數(shù)據(jù)與下一幀檢測目標數(shù)據(jù)進行比較，若有相關(guān)(也就是在一定范圍內(nèi))，則說明下一幀檢測到的目標即為上一幀檢測到的目標。若無相關(guān)，則表示該目標消失，這時可以確定目標所在的中心位置。把在下一幀中檢測到所有的目標與以前保存的檢測到的所有目標進行比較，若有相關(guān)，則仍然保持以前的相關(guān)目標位置數(shù)據(jù)。若無相關(guān)，則表示一個新的目標出現(xiàn)，記錄下該目標的位置所在，將保留的數(shù)據(jù)再與下一幀的檢測數(shù)據(jù)進行比較。跟蹤是指雷達系統(tǒng)能連續(xù)不斷地測量目標的某些特定的參數(shù)值，要對多個目標進行跟蹤。首先，要完成對目標回波信號的檢測、目標空間位置參數(shù)的估計和預(yù)處理，即進行點跡錄取。然后，對由信號處理得到的測量值，進行航跡起始、相關(guān)互聯(lián)、航跡預(yù)測、濾波及航跡消亡。此外，在跟蹤過程中，還需要識別要跟蹤的目標個數(shù)，以及目標的動態(tài)特性。本系統(tǒng)采用的是在目標運動的連續(xù)性原理下的多目標跟蹤算法，該算法允許跟蹤過程中目標丟失，它可以在目標再次出現(xiàn)時重新對其進行跟蹤。算法的基本思路如下：目標的運動軌跡是連續(xù)的，各階導(dǎo)數(shù)也是連續(xù)的，由采樣定理可知，只要雷達對目標運動采樣的頻率足夠高，利用目標位置結(jié)合目標的運動參數(shù)特征和目標軌跡，就能外推、擬合出目標的運動軌跡，實現(xiàn)雷達多目標的邊掃描、邊跟蹤。
主機通過USB口給檢測模塊中的DSP發(fā)送工作命令，而DSP發(fā)檢測結(jié)果發(fā)給主機。這部分數(shù)據(jù)量少，但是要求準確。USB的中斷傳輸方式雖準確，但是不能進行大量數(shù)據(jù)的實時傳輸。因此本設(shè)計采用中斷傳輸方式對這部分數(shù)據(jù)傳輸。
數(shù)據(jù)采集
檢測模塊中，數(shù)據(jù)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，經(jīng)鎖存進入雙端口RAM；數(shù)據(jù)采集模塊中，數(shù)據(jù)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，經(jīng)鎖存進入SRAM。這些數(shù)據(jù)在保存之前需加數(shù)據(jù)頭，數(shù)據(jù)頭可保證DSP和主機正確讀取一幀數(shù)據(jù)。具體實現(xiàn)的電路原理圖如圖5所示。
保存精確采集數(shù)據(jù)的存儲器采用了兩路乒乓存儲技術(shù)。這樣使得采集數(shù)據(jù)與傳輸數(shù)據(jù)得以同時進行使系統(tǒng)能不間斷地采集數(shù)據(jù)，從而滿足長時測距的要求。其硬件實現(xiàn)的框圖如圖6所示。
USB接口部分使用的芯片是AN2131QC。該芯片內(nèi)部包括兩大部分。一部分是一個在USB1.1協(xié)議基礎(chǔ)上對信號進行編碼譯碼的EZUSB內(nèi)核，稱為SIE；另外一部分是一個增強的8051單片機，內(nèi)含8K大小的RAM。設(shè)計的思路是利用該芯片的自裝載特性，把8051程序從PC機下載到8051內(nèi)的RAM中，然后8051運行該程序，設(shè)備實現(xiàn)再次枚舉，以后就由EZUSB內(nèi)核自動進行數(shù)據(jù)的傳輸和發(fā)送。命令由主機應(yīng)用程序發(fā)出，通過驅(qū)動程序取得設(shè)備的句柄，從而實現(xiàn)對設(shè)備的讀寫控制。讀寫的傳輸方式用到同步傳輸和中斷傳輸。同步傳輸方式把存儲在乒乓存儲器中的精采數(shù)據(jù)傳往PC主機，為此在采集FPGA內(nèi)部形成與EZUSB芯片數(shù)據(jù)線連接的接口電路。EZUSB芯片的數(shù)據(jù)線為8位，存儲器數(shù)據(jù)線為24位，F(xiàn)PGA實現(xiàn)了24位到8位的轉(zhuǎn)變。USB芯片將讀出的數(shù)據(jù)自動放入SIE內(nèi)核的2K大小的FIFO緩存區(qū)內(nèi)，由SIE內(nèi)核自動與主機進行傳輸。中斷傳輸方式將主機的命令發(fā)給DSP以及將DSP保存在FIFO內(nèi)的檢測結(jié)果發(fā)送給主機。
驅(qū)動程序的編寫
在Windows內(nèi)執(zhí)行的USB設(shè)備驅(qū)動程序，必須符合Microsoft定義的Win32驅(qū)動程序模型(Win32 Driver Model，WDM)規(guī)格。CYPRESS公司提供了一個通用設(shè)備驅(qū)動程序(EZUSB.SYS)，對于使用AN2131Q的設(shè)備，可以利用該程序來實現(xiàn)應(yīng)用程序?qū)υO(shè)備的讀寫。應(yīng)用程序的編寫可以使用VB、Delphi等工具。應(yīng)用程序利用CREATFILE()取得訪問設(shè)備驅(qū)動程序的句柄，然后又使用DEVICEIO CONTROLL()提交I/O控制碼，并為CREATFILE函數(shù)返回的設(shè)備句柄設(shè)置I/O緩沖區(qū)。

結(jié)語
本系統(tǒng)速率能夠達到1MB/S，能較好地完成數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。但是，對于要求更高數(shù)據(jù)傳輸速率的設(shè)備而言，必須采用能實現(xiàn)USB2.0協(xié)議的芯片，下一步工作將進一步對USB2.0芯片的應(yīng)用以及驅(qū)動程序、固件對傳輸速率的影響進行研究。■

參考文獻
1 顏榮江. EZ-USB 2100系列單片機原理、編程及應(yīng)用. 北航出版社