CN107801107B - 虚拟时反被动测向机的上位机多数据融合接口实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的是一种虚拟时反被动测向机的上位机多数据融合接口实现方法。上位机通过CAN口与阵元接收机、钟源板和采样时钟板连接，根据反馈状态判断阵元接收机工作状况，上位机选择A/D采集时长通过网线向i7管控计算机发送采集指令启动A/D采集，判断上位机是否接收远程遥控遥测终端召回A/D采集数据指令，计算目标频率下变频所需的数字下变频频率，依据该频率选择下变频数据表，发送指令让i7管控计算机通过PCIE高速数据通道将下变频数据表传到FPGA的DDR3中，选择相应的时延补偿表将时延补偿表传到FPGA的DDR3中，上位机发送启动测向运算的命令，上位机把从DDR3中读回的测向数据交给雷达显屏模块，经过数据处理后实时显示测向结果。本发明能有效解决远程调试和观测天线阵信号的问题，构建的虚拟时反被动测向机会更加具有工程实用性和先进性。

Description

虚拟时反被动测向机的上位机多数据融合接口实现方法
技术领域
本发明涉及的是一种虚拟时反被动测向机的上位机多数据融合接口设计方法，具体地说是一种满足虚拟时反被动测向机与上位机互传数据需求的多接口设计方法。
背景技术
虚拟时反被动测向机主要由天线阵、多阵元接收机、A/D采集卡、VPX信号处理机组成。考虑到虚拟时反被动测向机需在现场控制下运行，其接收和输出的数据、控制命令、工作状态、初始设定参数等都需经由上位机收发和传递，由于数据格式和实时性需求有别，故需要将各个数据接口都融合到上位机再进行控制，从而解决全系统状态远程观测、无线遥控数据采集传回及波形显示等问题。
目前被动测向机的上位机一般只涉及单一数据接口完成简单的参数配置，没有关于多数据融合接口的设计。文献[吴沁.四元阵测向系统到达角信号模拟技术[D].西安电子科技大学,2014.]中，通过单片机的RS接口完成与上位机之间的通信，配置系统参数。文献[罗永胜,王凡,周林,孙宇祥,高火涛.阵列数字测向系统的设计与实现[J].武汉大学学报(理学版),2012,58(05):425-429.[2017-10-06].DOI：10.14188/j.1671-8836.2012.05.009]中上位机通过USB接口一次性传输配置参数。显然，上位机多数据融合接口的设计需要考虑不同数据格式的传输，通过命令对阵元接收机和VPX信号处理机控制，工作状态反馈，以及数据传回等需求。由于传输方式不同，传输协议对数据的格式要求非常严格，传输过程中上位机与阵元接收机、VPX信号处理机的连接方式各不相同。现有的测向机上位机数据接口都无法满足虚拟上位机在工程应用时与多阵元接收机的通信、多台计算机协调工作、数据召回等功能需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能有效解决远程调试和观测天线阵信号问题的虚拟时反被动测向机的上位机多数据融合接口实现方法，构建的虚拟时反被动测向机会更加具有工程实用性和先进性。
本发明的目的是这样实现的：
(1)建立上位机与远程遥控遥测终端和i7管控计算机中的网络连接；
(2)将上位机通过CAN口与阵元接收机、钟源板和采样时钟板连接，并配置阵元接收机增益、同步振荡器钟源频率、A/D采样率参数；
(3)根据反馈状态判断阵元接收机工作状况，如果正常执行步骤(4)，如果不正常，检查阵元接收机；
(4)在阵元接收机正常工作之后，上位机选择A/D采集时长，通过网线向i7管控计算机发送采集指令启动A/D采集；
(5)判断上位机是否接收远程遥控遥测终端召回A/D采集数据指令，如果是则在远程遥控遥测终端的控制下通过WIFI接口在远程遥控遥测终端上观察A/D采集数据的波形；
(6)上位机根据已知射频信源即目标的频率fc和步骤(2)中设定的同步振荡器钟源频率fL，按照公式：fL1＝fK-fd计算目标频率下变频到fd所需的数字下变频频率fL1；
(7)依据fL1选择下变频数据表，发送指令给i7管控计算机的有线终端，通过PCIE高速数据通道将下变频数据表传到FPGA的DDR3中供FPGA使用；
(8)选择相应的时延补偿表，按照步骤(7)的方式将时延补偿表传到FPGA的DDR3中；
(9)上位机确定已经完成虚拟时反被动测向机所有设置之后，发送启动测向运算的命令，i7管控计算机响应该命令，监测是否有测向数据更新，如果没有继续查询，如果有，则通过PCIE高速数据通道将虚拟时反数据取回，并上传至上位机；
(10)上位机将数据交给雷达显屏模块，经过数据处理后实时显示测向结果。
本发明提出了一种虚拟时反被动测向机的上位机多数据融合接口设计方法，给出了具体的设计方案和方法。本发明提出的设计方法能有效解决远程调试和观测天线阵信号的问题，由此构建的虚拟时反被动测向机会更加具有工程实用性和先进性。
本发明的设计模型：
上位机的数据接口包括通过CAN通信协议对阵元接收机和A/D采集卡的采样速度进行参数配置；通过有线网口对VPX信号处理机进行命令发送、数据传递；通过无线网口与远程遥控遥测终端连接实现由管控计算机监测与配置虚拟时反被动测向机(以下简称测向机)；上位机对网口接收数据直接处理后，用雷达显屏实时显示测向机对目标的测向结果。整体设计模型如图1所示，接口间连接关系如图2所示。
下面将根据每个接口的数据特点给出数据融合接口设计方法及各接口之间的关系。
虚拟时反被动测向机的上位机多数据融合接口设计实现步骤是：
1、按照虚拟时反被动测向机的工程应用需求设计上位机数据接口功能模块，如图3所示。
网络传输连接分为有线传输和无线传输，上位机与远程遥控遥测终端之间采用点对点无线连接，上位机和VPX信号处理机之间采用RJ45网口连接。
2、CAN总线通信接口主要对16路阵元接收机、1块16路同步振荡器钟源板和1块2路采样时钟板进行通信，故涉及到多节点传输问题，即使用一个上位机与多个CAN节点进行数据交换。数据通信采用CAN2.0标准帧格式(本发明对CAN通信协议不伸张权利)，如图4所示，每帧为11个字节。其中前三个3字节为信息部分，包含帧信息和报文识别码；后面8个字节为数据部分，主要包括阵元接收机工作频率、系统增益、信道号、阵元接收机的配置状态和电源状态等。
在设计中可以使用一个CAN适配器将多个节点并联起来，上位机采用广播的方式进行传输。下位机按照设定的ID号判断是否应该对数据包解析，若ID号匹配未成功，则解析函数返回error状态，同时，在中断中检测到该error状态时，即结束中断函数，重新进入总线监听状态。由此实现多节点传输。数据融合接口工作流程图，如图5所示。
这里设定的两次延时是为了保证数据发送的完整性，正确配置信道化接收机的信道号、本振频率、增益等信息，并将反馈信息完整传回。
3、VPX信号处理机的内部控制和状态控制都通过RJ45网口由上位机进行管控。有线网络终端根植于VPX机i7管控计算机上，上位机确定与VPX信号处理机的i7管控计算机连接后，向i7管控计算机发送数据采集指令，下推时延补偿数据表和下变频数据表命令，并向它发布召回采集数据命令，接收测向数据命令。测向数据为虚拟时反被动测向算法(运行在FPGA上)测得的能量数据(以下简称虚拟时反数据)，上位机要保证可以实时接收到更新的虚拟时反数据，并进行归一化、峰值搜索和完成对目标的测向。有线网络进行数据传输时采用TCP/IP协议[王超.基于TCP连接的嵌入式车载设备网络传输模块的实现[D].厦门:厦门大学,2009.]。
下推时延补偿数据表和下变频数据表时，分为表单的选择和数据格式变换两个步骤，首先给出下变频数据表选择的理论公式，
下变频后的信号：
Figure GDA0001526245440000031
经低通滤波后：
Figure GDA0001526245440000032
式中，fK为目标的视频信号频率(通过阵元接收机中频放大电路的信号频率)，显然，fK＝fc-fL,其中：fc为射频信源(目标)频率，fL为同步振荡器钟源板的设定频率；fd为目标信号经两次下变频后的最终频率；
Figure GDA0001526245440000033
为数字下变频频率，这里初相默认为0，幅值统一为1，由式(1)和式(2)得，所需要的数字下变频频率：
Figure GDA0001526245440000041
根据式(3)可得下变频数据表的计算公式为：
Figure GDA0001526245440000042
A/D采集的数据为16通道每通道16位位宽，下变频数据若要和A/D采集的数据在FPGA中进行运算，需要将数据转为二进制补码。首先将公式(4)中数据进行采样，量化，设采样频率为fs，采样时长为t，
则采样时间间隔为
Figure GDA0001526245440000043
采样点数
Figure GDA0001526245440000044
下变频数据表单中采样数据为：
Figure GDA0001526245440000045
表单量化后的数据范围为-32767～+32767，对采样数据量化公式为：
Figure GDA0001526245440000046
对式(6)中数据只保留整数部分，并转为16位二进制补码，以文本方式存入txt文件中。
关于时延补偿表表单数据的计算过程参照文献[Yongqing Fu,Wei Liu,RuijieBai,Jingrui Li,Jinlin Wang.A Novel Virtual Time Reversal Method for PassiveDirection of Arrival Estimation,Mathematical Problems in Engineering,Volume2015(2015).]中的虚拟时反算法这里不做权利伸张，数据格式转换同下变频数据表单。
在VPX信号处理机的i7管控计算机中，数据表单按byte存放数据，i7映像的位宽为16bit，A/D采集卡的每一采样点为16通道每通道16bit，FPGA的DDR3中每个存储单元的数据位宽为64bit，根据数据流向设计接口如图6所示。数据的符号位和高低位对齐后，在数据读写过程中要根据每个模块存储单元的位宽进行数据拼接或拆分。
4、PCIE高速数据接口连接VPX信号处理机中i7管控计算机和FPGA板。按照上位机指令发送数据或命令以及从FPGA中召回测向数据或A/D采集数据。这里涉及到时序协调，数据包，命令包格式解析。参照报文传递方式，在每次指令传输和数据传输时加入“报头”，并将报头内容集合和VPX信号处理机的反馈一一对应。接口工作流程如图7所示。
5、考虑到对测向机的遥测遥控需设计远程遥控遥测终端。该终端通过无线网络通讯接口与上位机连接，实现对测向机工作状态的远程实时监控，并将A/D采集的数据回传到远程遥控遥测终端，提供实时查看采集数据波形的功能。根据TCP/IP协议设计的无线网络通讯接口，通过点对点无线网络与上位机保持网络通讯，并在完成监听、握手、连接后，使远程遥控遥测终端实时显示上位机即主控台的各部分参数。无线网络数据接口设计如图8所示。
A/D数据回传采用文本的方式，远程遥控遥测终端发送A/D采集时长和采集指令。信号接收采集指令并按照相应时长进行数据采集，并根据指令选择是否进行数据存储和波形显示。
6、雷达显屏是虚拟时反被动测向机测向结果的智能显示模块，为上位机的子模块。当i7管控计算机查询到虚拟时反被动测向机中虚拟时反数据更新后，经由PCIE高速数据通道定时取回，并自动上传至上位机，上位机自动将该数据交给雷达显屏模块，对数据进行归一化、多次平均和峰值搜索等处理，最终在雷达显示屏上实时更新目标位置。
下面给出归一化、多次平均的公式。
假设虚拟时反数据为Xi,i＝1,2…N，通过冒泡法可找到最大值为Xmax，最小值为Xmin，于是，归一化之后的数据为：
Figure GDA0001526245440000051
多次平均采用滑动窗平均算法，这有助于提高数据精度。多次平均的计算公式为：
Figure GDA0001526245440000052
式中，K为平均次数，Xmax[i]为每次接收到虚拟时反数据后搜索到的最大值。将每次找到的峰值做多次平均后作为最终显示的测向结果，显示在雷达显示屏扫描界面上，至此完成虚拟时反被动测向机的测向过程。
附图说明
图1 整体设计模型。
图2 上位机多数据接口设计模型结构框图。
图3 上位机多数据接口结构框图。
图4 CAN2.0标准帧格式。
图5 CAN总线数据融合接口工作流程图。
图6 数据流向接口设计。
图7 PCIE高速数据融合接口工作流程图。
图8 远程遥控遥测终端无线网络数据接口。
图9 总体流程图。
具体实施方式
下面举例对本发明做更详细的描述。
1)建立上位机与远程遥控遥测终端和i7管控计算机中的网络连接；
2)将上位机通过CAN口与阵元接收机、钟源板和采样时钟板连接，并配置阵元接收机增益、同步振荡器钟源频率、A/D采样率参数；
3)根据反馈状态判断阵元接收机工作状况，如果正常执行步骤4，如果不正常，检查阵元接收机；
4)在阵元接收机正常工作之后，上位机选择A/D采集时长，通过网线向i7管控计算机发送采集指令启动A/D采集；
5)判断上位机是否接收远程遥控遥测终端召回A/D采集数据指令，如果是则在远程遥控遥测终端的控制下通过WIFI接口在远程遥控遥测终端上观察A/D采集数据的波形；
6)上位机根据已知射频信源(目标)频率fc和步骤2)中设定的同步振荡器钟源频率fL，按照公式：fL1＝fK-fd计算目标频率下变频到fd所需的数字下变频fL1；
7)选择数据表，发送指令给i7管控计算机的有线终端，通过PCIE高速数据通道将数据传到FPGA的DDR3中供FPGA使用；
8)选择相应的时延补偿表，按照步骤7)的方式将时延补偿表传到FPGA的DDR3中；
9)上位机确定已经完成虚拟时反被动测向机所有设置之后，发送启动测向运算的命令，i7管控计算机响应该命令，监测是否有测向数据更新，如果没有继续查询，如果有，则通过PCIE高速数据通道将虚拟时反数据取回，并上传至上位机；
10)上位机将数据交给雷达显屏模块，经过数据处理后实时显示测向结果。
根据上述步骤，给出按照本发明设计的虚拟时反被动测向机的上位机多数据融合接口工作流程如图9所示。

Claims (1)

1.一种虚拟时反被动测向机的上位机多数据融合接口实现方法，其特征是：
(1)建立上位机与远程遥控遥测终端和i7管控计算机中的网络连接；
(2)将上位机通过CAN口与阵元接收机、钟源板和采样时钟板连接，并配置阵元接收机增益、同步振荡器钟源频率、A/D采样率参数；
(3)根据反馈状态判断阵元接收机工作状况，如果正常执行步骤(4)，如果不正常，检查阵元接收机；
(4)在阵元接收机正常工作之后，上位机选择A/D采集时长，通过网线向i7管控计算机发送采集指令启动A/D采集；
(5)判断上位机是否接收远程遥控遥测终端召回A/D采集数据指令，如果是则在远程遥控遥测终端的控制下通过WIFI接口在远程遥控遥测终端上观察A/D采集数据的波形；
(6)上位机根据已知射频信源即目标的频率fc和步骤(2)中设定的同步振荡器钟源频率fL，按照公式：fL1＝fK-fd计算目标频率下变频到fd所需的数字下变频fL1，fK为目标的视频信号频率，fd为目标信号经两次下变频后的最终频率；
(7)依据fL1选择下变频数据表，发送指令给i7管控计算机的有线终端，通过PCIE高速数据通道将下变频数据表传到FPGA的DDR3中供FPGA使用；
(8)选择相应的时延补偿表，按照步骤(7)的方式将时延补偿表传到FPGA的DDR3中；
(9)上位机确定已经完成虚拟时反被动测向机所有设置之后，发送启动测向运算的命令，i7管控计算机响应该命令，监测是否有测向数据更新，如果没有继续查询，如果有，则通过PCIE高速数据通道将虚拟时反数据取回，并上传至上位机；
(10)上位机将数据交给雷达显屏模块，经过数据处理后实时显示测向结果。
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