CN111722191B - 雷达复杂信号处理机的通信协议设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种雷达复杂信号处理机的通信协议设计方法，包括：定义复杂并行数字信号处理系统的通信成员；设计复杂并行数字信号处理系统的通信报文；设计复杂并行数字信号处理系统的通信协议数据类型；设计复杂并行数字信号处理系统的协议分层结构；设计复杂并行数字信号处理系统的通信模型。在雷达复杂信号处理机的通信协议设计中采用本发明方法，可容易实现协议数据的设计及扩展，将多种类型的通信节点消息通信规范化，可提高并行信号处理系统软件的适应性、项目研制的总体效率。

Description

雷达复杂信号处理机的通信协议设计方法

技术领域

本发明属于雷达信号处理技术领域，尤其涉及一种雷达复杂信号处理机的通信协议设计方法。

背景技术

自上世纪90年代以来，并行数字信号处理系统一直是各大科研院所的技术研究热点、难点，由于其具有并行、实时的数字信号处理特点，目前已经广泛应用于高端工业、武器装备、航空航天等关键领域，如脉冲多普勒雷达信号处理机、合成孔径雷达、4/5G通信基站、声音导航与测距设备等。

常见的并行数字信号处理系统一般由FPGA信号采集阵列+DSP计算阵列组成，其中FPGA信号采集阵列完成高频模拟信号到数字信号的采样，DSP计算阵列完成数字信号处理算法。为了满足客户的多种多样的技术需求及应用场景，并行数字信号处理系统一般对安装环境、实时性和可靠性要求极严，但实际产品受限于各类电磁环境干扰、电子器件稳定性和老化等因素，因此必须从设计上有力保证技术可靠性。

在并行数字信号处理系统中，存在预处理节点、计算节点、主控节点、显控节点等多种类型的通信节点，系统内的各节点均有不同类型的数据格式交换需求。因此，在信号处理系统软件研制阶段，通信协议数据格式设计、多个通信节点系统数据交换流程、更新/改进/维护协议数据格式等任务几乎占据了整个项目研发周期，如果研发设计人员经验不足，在一些系统复杂、周期较长的设计任务中，将严重影响项目的整体研制进度和团队效率。

因此，现有技术需要改进。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种雷达复杂信号处理机的通信协议设计方法，所述复杂信号处理机包括模数信号转换模块、预处理节点模块、通信主控节点模块、通信计算节点模块，所述模数信号转换模块采集多路模拟信号，并将模拟信号转换成数字信号后发送至预处理节点模块，所述预处理节点模块通过对接收的多路并行数字信号进行处理，完成数字下变频、数据抽取、脉冲压缩的信号处理过程，转发各类通信协议数据，所述通信计算节点模块接收所述预处理节点模块发送的数字信号，并完成数字波束合成DBF、杂波对消、恒虚警检测CFAR、输出目标信息；所述通信主控节点模块控制所述模数信号转换模块、预处理节点模块、通信计算节点模块工作，完成目标信息数据帧上传、控制命令下发、汇总计算结果；

所述雷达复杂信号处理机的通信协议设计方法包括：

定义复杂并行数字信号处理系统的通信成员，所述通信成员包括预处理节点模块的一个通信主节点、通信主控节点模块的一个通信主节点和通信计算节点模块四个通信从节点；

设计复杂并行数字信号处理系统的通信报文，所述通信报文由平台软件数据包头、协议解析数据包头、协议执行数据包头、可定义的用户数据载荷共四个部分组成；

设计复杂并行数字信号处理系统的通信协议数据类型，所述通信协议数据类型包括控制命令、状态数据、计算结果、调试命令；

设计复杂并行数字信号处理系统的协议分层结构，所述协议分层结构包括三个工作空间，分别为平台设备空间、协议栈空间、用户空间，所述协议栈空间包括平台抽象层、协议数据类型解析层、协议数据池、协议执行层；

设计复杂并行数字信号处理系统的通信模型，所述通信模型包括单播、组播、广播。

基于本发明的上述雷达复杂信号处理机的通信协议设计方法的另一个实施例中，所述预处理节点模块的一个通信主节点、通信主控节点模块的一个通信主节点和通信计算节点模块四个通信从节点中，预处理节点模块的一个通信主节点、通信主控节点模块的一个通信主节点组成自治式通信局域网，预处理节点模块的一个通信主节点、通信主控节点模块的一个通信主节点和通信计算节点模块四个通信从节点组成主从式通信局域网，所述定义通信成员包括：

定义通信节点，包括：预处理节点模块的一个通信主节点，不开放空间数据；通信主控节点模块的一个通信主节点开放部分数据空间，起始地址 0x80000000，长度512字节给预处理节点模块传输硬件状态数据；起始地址 0x80100000，长度2M字节给预处理节点模块转发数据池；通信计算节点模块四个通信从节点开放全部数据空间，支持通信主节点的所有读写数据请求访问；

定义访问属性，包括：读数据请求和写数据请求；

定义数据属性，包括：数据地址和数据长度。

基于本发明的上述雷达复杂信号处理机的通信协议设计方法的另一个实施例中，所述设计复杂并行数字信号处理系统的通信报文包括设计通信大块数据报文和通信小量数据报文；

所述通信大块数据报文为系统中大量数据的连续传输模式，包括雷达目标帧数据、计算中间结果数据；

所述通信小量数据报文为系统中小量数据实时传输模式，包括雷达工作状态数据、调试命令数据、控制命令数据。

基于本发明的上述雷达复杂信号处理机的通信协议设计方法的另一个实施例中，所述控制命令包括：

所述控制命令为512字节小数据包，用于下发雷达工作命令，控制雷达工作模式，所述控制命令具体有：自校准模式命令、跟踪模式命令、搜索模式命令、调试模式命令。

基于本发明的上述雷达复杂信号处理机的通信协议设计方法的另一个实施例中，所述状态数据包括：

所述状态数据为512字节小数据包，用于监视雷达信号处理机硬件、数字信号处理算法程序软件、预处理节点模块的FPGA算法程序软件、天线前端、寻北仪、陀螺仪的软件或硬件工作状态。

基于本发明的上述雷达复杂信号处理机的通信协议设计方法的另一个实施例中，所述计算结果包括：

所述计算结果为3k字节大数据包，用于传输雷达信号处理机中计算节点的数字信号处理芯片的计算结果。

基于本发明的上述雷达复杂信号处理机的通信协议设计方法的另一个实施例中，所述调试命令包括：

所述调试命令为512字节小数据包，用于远程在线调试时下发给雷达信号处理机调试命令，包括在线数字信号处理芯片的程序升级、在线算法参数升级、在线bootloader升级、在线内存数据读请求、在线内存数据写请求。

基于本发明的上述雷达复杂信号处理机的通信协议设计方法的另一个实施例中，所述平台设备空间涉及硬件平台、底层驱动函数软件，用于向上层的协议栈空间提供真实的硬件数据流；

所述用户空间用于接收到经过协议栈空间处理的最终用户可使用数据；

所述协议栈空间包括平台抽象层、协议数据类型解析层、协议数据池、协议执行层；

所述平台抽象层用于与平台软件相关的接口重新封装为协议栈空间的标准接口函数；

所述协议数据类型解析层，用于实现对下层数据流的归类识别、处理无效的协议数据类型数据包、将协议数据按其类型存入各个协议缓冲池中；

所述协议数据池，用于实现协议数据解析层的输出缓冲，每个协议数据类型都拥有一个协议数据缓冲区队列；

所述协议执行层，用于实现对不同协议数据类型进一步协议填充、解析和执行，将协议数据翻译成最终的用户空间所需要的数据流。

基于本发明的上述雷达复杂信号处理机的通信协议设计方法的另一个实施例中，所述协议执行层的设计方法包括：

主从式执行层协议解析设计，所述主从式执行层协议解析设计为通信协议成员中存在通信主节点、通信从节点，由通信主节点完成对通信从节点的数据访问，通信主节点拥有通信从节点的管理员权限；

自治式执行层协议解析设计，所述自治式执行层协议解析设计为通信协议成员中不存在通信主节点，所有通信节点均高度自治，各自负责维护自身的数据访问。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

采用本发明的雷达复杂信号处理机的通信协议设计方法包括通信协议的设计准则、通用的协议数据格式、分层架构协议的软件设计方法,在并行数字信号处理系统中采用本发明方法，可容易实现协议数据的设计及扩展，将多种类型的通信节点消息通信规范化，可提高并行信号处理系统软件的适应性、项目研制的总体效率。

附图说明

图1为本发明提出的雷达复杂信号处理机的结构示意图；

图2为本发明提出的雷达复杂信号处理机的通信协议设计方法的一个实施例的流程图；

图3为本发明提出的雷达复杂信号处理机的通信协议设计方法的通信协议数据类型格式示意图；

图4为本发明提出的雷达复杂信号处理机的通信协议设计方法的协议分层结构示意图。

图中，1模数信号转换模块、2预处理节点模块、3通信主控节点模块、4 通信计算节点模块。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例只是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图和实施例对本发明提供的一种雷达复杂信号处理机的通信协议设计方法进行更详细地说明。

图1为本发明提出的雷达复杂信号处理机的结构示意图，如图1所示，所述复杂信号处理机包括模数信号转换模块1、预处理节点模块2、通信主控节点模块3、通信计算节点模块4，所述模数信号转换模块1采集多路模拟信号，并将模拟信号转换成数字信号后发送至预处理节点模块2，所述预处理节点模块2通过对接收的多路并行数字信号进行处理，完成数字下变频、数据抽取、脉冲压缩的信号处理过程，转发各类通信协议数据，所述通信计算节点模块4 接收所述预处理节点模块2发送的数字信号，并完成数字波束合成DBF、杂波对消、恒虚警检测CFAR、输出目标信息；所述通信主控节点模块3控制所述模数信号转换模块1、预处理节点模块2、通信计算节点模块4工作，完成目标信息数据帧上传、控制命令下发、汇总计算结果；

图2为本发明提出的雷达复杂信号处理机的通信协议设计方法的一个实施例的流程图，如图2所示，所述雷达复杂信号处理机的通信协议设计方法包括：

10，定义复杂并行数字信号处理系统的通信成员，所述通信成员包括预处理节点模块2的一个通信主节点、通信主控节点模块3的一个通信主节点和通信计算节点模块4四个通信从节点；

20，设计复杂并行数字信号处理系统的通信报文，所述通信报文由平台软件数据包头、协议解析数据包头、协议执行数据包头、可定义的用户数据载荷共四个部分组成；

30，设计复杂并行数字信号处理系统的通信协议数据类型，所述通信协议数据类型包括控制命令、状态数据、计算结果、调试命令；

40，设计复杂并行数字信号处理系统的协议分层结构，所述协议分层结构包括三个工作空间，分别为平台设备空间、协议栈空间、用户空间，所述协议栈空间包括平台抽象层、协议数据类型解析层、协议数据池、协议执行层；

50，设计复杂并行数字信号处理系统的通信模型，所述通信模型包括单播、组播、广播。

所述预处理节点模块2的一个通信主节点、通信主控节点模块3的一个通信主节点和通信计算节点模块4四个通信从节点中，预处理节点模块2的一个通信主节点、通信主控节点模块3的一个通信主节点组成自治式通信局域网，预处理节点模块2的一个通信主节点、通信主控节点模块3的一个通信主节点和通信计算节点模块4四个通信从节点组成主从式通信局域网，所述定义通信成员包括：

定义通信节点，包括：预处理节点模块2的一个通信主节点，不开放空间数据；通信主控节点模块3的一个通信主节点开放部分数据空间，起始地址 0x80000000，长度512字节给预处理节点模块2传输硬件状态数据；起始地址 0x80100000，长度2M字节给预处理节点模块2转发数据池；通信计算节点模块4四个通信从节点开放全部数据空间，支持通信主节点的所有读写数据请求访问；

定义访问属性，包括：读数据请求和写数据请求；

定义数据属性，包括：数据地址和数据长度。

所述设计复杂并行数字信号处理系统的通信报文包括设计通信大块数据报文和通信小量数据报文；

所述通信大块数据报文为系统中大量数据的连续传输模式，包括雷达目标帧数据、计算中间结果数据；

所述通信小量数据报文为系统中小量数据实时传输模式，包括雷达工作状态数据、调试命令数据、控制命令数据。

图3为本发明提出的雷达复杂信号处理机的通信协议设计方法的通信协议数据类型格式示意图，如图3所示，所述控制命令包括：

所述控制命令为512字节小数据包，用于下发雷达工作命令，控制雷达工作模式，所述控制命令具体有：自校准模式命令、跟踪模式命令、搜索模式命令、调试模式命令。

所述状态数据包括：

所述状态数据为512字节小数据包，用于监视雷达信号处理机硬件、数字信号处理算法程序软件、预处理节点模块2的FPGA算法程序软件、天线前端、寻北仪、陀螺仪的软件或硬件工作状态。

所述计算结果包括：

所述计算结果为3k字节大数据包，用于传输雷达信号处理机中计算节点的数字信号处理芯片的计算结果。

所述调试命令包括：

所述调试命令为512字节小数据包，用于远程在线调试时下发给雷达信号处理机调试命令，包括在线数字信号处理芯片的程序升级、在线算法参数升级、在线bootloader升级、在线内存数据读请求、在线内存数据写请求；

还包括调试数据，所述调试数据为3k字节小数据包，用于远程在线调试时请求雷达信号处理机的中间计算结果、程序统计信息。

图4为本发明提出的雷达复杂信号处理机的通信协议设计方法的协议分层结构示意图，如图4所示，所述平台设备空间涉及硬件平台、底层驱动函数软件，用于向上层的协议栈空间提供真实的硬件数据流；

所述用户空间用于接收到经过协议栈空间处理的最终用户可使用数据；

所述协议栈空间包括平台抽象层、协议数据类型解析层、协议数据池、协议执行层；

所述平台抽象层用于与平台软件相关的接口重新封装为协议栈空间的标准接口函数；

所述协议数据类型解析层，用于实现对下层数据流的归类识别、处理无效的协议数据类型数据包、将协议数据按其类型存入各个协议缓冲池中；

所述协议数据池，用于实现协议数据解析层的输出缓冲，每个协议数据类型都拥有一个协议数据缓冲区队列；

所述协议执行层，用于实现对不同协议数据类型进一步协议填充、解析和执行，将协议数据翻译成最终的用户空间所需要的数据流。

所述协议执行层的设计方法包括：

主从式执行层协议解析设计，所述主从式执行层协议解析设计为通信协议成员中存在通信主节点、通信从节点，由通信主节点完成对通信从节点的数据访问，通信主节点拥有通信从节点的管理员权限；

自治式执行层协议解析设计，所述自治式执行层协议解析设计为通信协议成员中不存在通信主节点，所有通信节点均高度自治，各自负责维护自身的数据访问。

对于本领域技术人员而言，显然本发明实施例不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明实施例的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明实施例。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明实施例的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本发明实施例内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。系统、装置或终端权利要求中陈述的多个单元、模块或装置也可以由同一个单元、模块或装置通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

最后应说明的是，以上实施方式仅用以说明本发明实施例的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明实施例的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本发明实施例的技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种雷达复杂信号处理机的通信协议设计方法，所述复杂信号处理机包括：模数信号转换模块、预处理节点模块、通信主控节点模块和通信计算节点模块，所述模数信号转换模块采集多路模拟信号，并将模拟信号转换成数字信号后发送至预处理节点模块，所述预处理节点模块通过对接收的多路并行数字信号进行处理，完成数字下变频、数据抽取、脉冲压缩的信号处理过程，转发各类通信协议数据，所述通信计算节点模块接收所述预处理节点模块发送的数字信号，并完成数字波束合成DBF、杂波对消、恒虚警检测CFAR、输出目标信息；所述通信主控节点模块控制所述模数信号转换模块、预处理节点模块、通信计算节点模块工作，完成目标信息数据帧上传、控制命令下发、汇总计算结果；

其特征在于，所述雷达复杂信号处理机的通信协议设计方法包括：

定义复杂并行数字信号处理系统的通信成员，所述通信成员包括预处理节点模块的一个通信主节点、通信主控节点模块的一个通信主节点和通信计算节点模块四个通信从节点；

设计复杂并行数字信号处理系统的通信报文，所述通信报文包括：平台软件数据包头、协议解析数据包头、协议执行数据包头和可定义的用户数据载荷；

设计复杂并行数字信号处理系统的通信协议数据类型，所述通信协议数据类型包括：控制命令、状态数据、计算结果和调试命令；

设计复杂并行数字信号处理系统的协议分层结构，所述协议分层结构包括三个工作空间，分别为：平台设备空间、协议栈空间和用户空间；

其中，所述平台设备空间涉及硬件平台、底层驱动函数软件，用于向上层的协议栈空间提供真实的硬件数据流；

所述用户空间用于接收到经过协议栈空间处理的最终用户可使用数据；

所述协议栈空间包括平台抽象层、协议数据类型解析层、协议数据池、协议执行层；

所述平台抽象层用于与平台软件相关的接口重新封装为协议栈空间的标准接口函数；

所述协议数据类型解析层，用于实现对下层数据流的归类识别、处理无效的协议数据类型数据包、将协议数据按其类型存入各个协议缓冲池中；

所述协议数据池，用于实现协议数据解析层的输出缓冲，每个协议数据类型都拥有一个协议数据缓冲区队列；

所述协议执行层，用于实现对不同协议数据类型进一步协议填充、解析和执行，将协议数据翻译成最终的用户空间所需要的数据流；

设计复杂并行数字信号处理系统的通信模型，所述通信模型包括：单播、组播和广播。

2.根据权利要求1所述的雷达复杂信号处理机的通信协议设计方法，其特征在于，所述预处理节点模块的一个通信主节点、通信主控节点模块的一个通信主节点和通信计算节点模块四个通信从节点中，预处理节点模块的一个通信主节点、通信主控节点模块的一个通信主节点组成自治式通信局域网，预处理节点模块的一个通信主节点、通信主控节点模块的一个通信主节点和通信计算节点模块四个通信从节点组成主从式通信局域网，定义通信成员包括：

定义通信节点，包括：预处理节点模块的一个通信主节点，不开放空间数据；通信主控节点模块的一个通信主节点开放部分数据空间，设置第一预定起始地址，第一预定长度给预处理节点模块传输硬件状态数据；设置第二预定起始地址，第二预定长度给预处理节点模块转发数据池；通信计算节点模块四个通信从节点开放全部数据空间，支持通信主节点的所有读写数据请求访问；

定义访问属性，包括：读数据请求和写数据请求；

定义数据属性，包括：数据地址和数据长度。

3.根据权利要求1所述的雷达复杂信号处理机的通信协议设计方法，其特征在于，所述设计复杂并行数字信号处理系统的通信报文包括设计通信大块数据报文和通信小量数据报文；

所述通信大块数据报文为系统中大量数据的连续传输模式，包括雷达目标帧数据和计算中间结果数据；

所述通信小量数据报文为系统中小量数据实时传输模式，包括雷达工作状态数据、调试命令数据和控制命令数据。

4.根据权利要求1所述的雷达复杂信号处理机的通信协议设计方法，其特征在于，所述控制命令包括：

所述控制命令为第三预定长度的小数据包，用于下发雷达工作命令，控制雷达工作模式，所述控制命令具体有：自校准模式命令、跟踪模式命令、搜索模式命令、调试模式命令。

5.根据权利要求1所述的雷达复杂信号处理机的通信协议设计方法，其特征在于，所述状态数据包括：

所述状态数据为第三预定长度的小数据包，用于监视雷达信号处理机硬件、数字信号处理算法程序软件、预处理节点模块的FPGA算法程序软件、天线前端、寻北仪、陀螺仪的软件或硬件工作状态。

6.根据权利要求1所述的雷达复杂信号处理机的通信协议设计方法，其特征在于，所述计算结果包括：

所述计算结果为3k字节大数据包，用于传输雷达信号处理机中计算节点的数字信号处理芯片的计算结果。

7.根据权利要求1所述的雷达复杂信号处理机的通信协议设计方法，其特征在于，所述调试命令包括：

所述调试命令为512字节小数据包，用于远程在线调试时下发给雷达信号处理机调试命令，包括在线数字信号处理芯片的程序升级、在线算法参数升级、在线bootloader升级、在线内存数据读请求、在线内存数据写请求。

8.根据权利要求1所述的雷达复杂信号处理机的通信协议设计方法，其特征在于，所述协议执行层的设计方法包括：

主从式执行层协议解析设计，所述主从式执行层协议解析设计为通信协议成员中存在通信主节点、通信从节点，由通信主节点完成对通信从节点的数据访问，通信主节点拥有通信从节点的管理员权限

自治式执行层协议解析设计，所述自治式执行层协议解析设计为通信协议成员中不存在通信主节点，所有通信节点均高度自治，各自负责维护自身的数据访问。

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