CN113611102A - 基于fpga的多通道雷达回波信号传输方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本公开提供一种基于FPGA的多通道雷达回波信号传输方法，包括：操作S1：将接收的雷达回波数据打包成不同的数据包后按设定周期依次输出；操作S2：将所述不同的数据包经判断后依次存储于不同的缓存区；操作S3：监测数据包的存储状态，根据所述存储状态改变存储位置同时读取已完成存储的缓存区中的数据包；以及操作S4：将读取的数据转换为光信号并通过光纤传输。同时本公开还提供一种基于FPGA的多通道雷达回波信号传输系统。

Description

基于FPGA的多通道雷达回波信号传输方法及系统
技术领域
本公开涉及雷达信号处理技术领域，尤其涉及一种基于FPGA的多通道传输方法及系统。
背景技术
雷达成像技术飞速发展，实时成像速度越来越快，实时成像精度越来越高，因此，在国防、土地测绘、气象预报等领域发挥着越来越重要的作用。在雷达实时成像算法开发与应用中，需要将实际采集的雷达数据输入到雷达处理单元中来验证算法的正确性。另外，成像算法经常需要经过多次迭代才能达到最终想要的结果，实际项目中不能为了单一的验证算法而进行飞行试验，这样做非常耗时耗力，因此需要将以往飞行采集的实测数据通过不同的接口，传输给处理单元进行处理，这样能够大大缩短算法验证时间，提升项目开发效率。
但是传统的数据传输系统，传输速率较低，系统性能不稳定，设备使用旧的PCI协议，无法与最新的计算机接口兼容，并且数据发送频率不可控，不能按照需求频率发送模拟信号，无法满足现有雷达信号处理的要求。
因此需要一种能够实现多通道、高速、适用范围广和较为稳定的雷达信号传输系统。
发明内容
(一)要解决的技术问题
基于上述问题，本公开提供了一种基于FPGA的多通道雷达回波信号传输方法及系统，以缓解现有技术中雷达信号数据传输速率较低、数据发送频率不可控及设备接口不兼容等技术问题。
(二)技术方案
本公开的一个方面，提供一种基于FPGA的多通道雷达回波信号传输方法，包括：操作S1：将接收的雷达回波数据打包成不同的数据包后按设定周期依次输出；操作S2：将所述不同的数据包经判断后依次存储于不同的缓存区；操作S3：监测数据包的存储状态，根据所述存储状态改变存储位置同时读取已完成存储的缓存区中的数据包；以及操作S4：将读取的数据转换为光信号并通过光纤传输。
根据本公开实施例，操作S1包括：将雷达回波数据依起始地址的不同打包成乒数据包和乓数据包；以及将所述乒数据包和乓数据包按设定周期依次通过PCIe接口输出。
根据本公开实施例，操作S2包括：通过对应的PCIe接口接收所述乒数据包和乓数据包；通过FPGA对所述乒数据包和乓数据包进行合格性判断；以及将判断合格的乒数据包和乓数据包分别依次存储于不同的缓存区中。
根据本公开实施例，操作S3包括：通过FPGA监测乒数据包的存储完成时，开始向不同的缓存区存储乓数据包同时读取已完成存储的乒数据包；以及通过FPGA监测乓数据包的存储完成时，开始向不同的缓存区存储乒数据包同时读取已完成存储的乓数据包。
根据本公开实施例，通过查询FPGA中乒乓标志寄存器的状态，获知缓存区中乒缓存区或乓缓存区的存储是否完成。
根据本公开实施例，操作S4中，根据设定周期读取的数据在通过FPGA检验正确性后，通过4路光纤进行传输。
本公开的另一方面，提供一种基于FPGA的多通道雷达回波信号传输系统，包括：上位机，用于将接收的雷达回波数据打包成不同的数据包后按设定周期依次输出；数据缓存单元，用于将所述不同的数据包经判断后依次存储于不同的缓存区；FPGA单元，一端通过PCIe接口模块与所述上位机相连，另一端与所述数据缓存模块相连，用于监测数据包的存储状态，根据所述存储状态改变存储位置同时读取已完成存储的缓存区中的数据包；以及光纤单元，用于将FPGA单元读取的数据转换为光信号并通过光纤传输。
根据本公开实施例，所述上位机包括：乒乓切换模块，用于在输出乒数据包和输出乓数据包间切换；PRF设置模块，用于设定数据输出周期；以及参数查询模块，用于查询FPGA单元中乒乓标志寄存器的状态。
根据本公开实施例，所述FPGA单元，包括：电源模块；FPGA芯片，用于对乒数据包和乓数据包进行合格性判断，监测数据包的存储状态，根据所述存储状态改变存储位置同时读取已完成存储的缓存区中的数据包；以及时钟管理模块，用于提供100MHz、125MHz的差分时钟。
根据本公开实施例，所述数据缓存单元包括乒缓存区和乓缓存区，每个缓存区包括4片DDR3颗粒。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开的基于FPGA的多通道雷达回波信号传输方法及系统至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)能够实现高速和多通道并行传输数据；
(2)适用于带有PCIe插槽的计算机设备，通用性较好，适用范围较广，能够实现计算机与数据处理板卡之间的高速数据传输功能；
(3)FPGA可重构硬件易于升级和二次开发，可满足不同用户的需求。
附图说明
图1为本公开实施例的基于FPGA的多通道雷达回波信号传输方法的流程图；
图2为本公开实施例的基于FPGA的多通道雷达回波信号传输系统的组成架构示意图；
图3为本公开实施例的基于FPGA的多通道雷达回波信号传输系统的时钟供给示意图。
具体实施方式
本公开提供了一种基于FPGA的多通道雷达回波信号传输方法及系统，充分发挥FPGA灵活重构和高速并行的优点，将PC上位机传输的数据通过PCIe接口发送到板卡的高速缓存上，再利用乒乓操作将数据读取到FPGA，然后通过FPGA对数据进行预处理，最后将处理完成的数据通过4路光纤进行传输。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
本公开实施例提供的技术方案，可以实现数据的高速和多通道并行传输，通用性较好，提高了数据传输效率。
在本公开实施例中，提供的一种基于FPGA的多通道雷达回波信号传输方法，参见图1所示，所述传输方法包括：
操作S1：将接收的雷达回波数据打包成不同的数据包后按设定周期依次输出；
操作S2：将所述不同的数据包经判断后依次存储于不同的缓存区；
操作S3：监测数据包的存储状态，根据所述存储状态改变存储位置同时读取已完成存储的缓存区中的数据包；以及
操作S4：将读取的数据转换为光信号并通过光纤传输。
根据本公开实施例，操作S1中，PC上位机通过PCIe接口将数据周期性的传输给FPGA，操作S2是指FPGA芯片判断数据正确性后，将数据按照乒乓的顺序存入DDR3中，操作S3是指FPGA监测数据输出完成后，改变乒乓标志寄存器，PC上位机监测到乒乓标志寄存器发生改变后，切换起始地址发送不同的数据包，同时FPGA读取已完成存储的缓存区中的数据包；操作S4是指将读取的数据通过光纤接口模块转换为光信号并通过光纤进行传输。
根据本公开实施例，操作S1中，PC上位机中设置有PRF设置模块(例如可以通过软件实现设置任意数值PRF)，该PRF模块用于设置接收的雷达回波数据传输时的周期参数。在PC上位机界面上设置需要传输的雷达回波数据的周期参数和要传输的数据起始地址，然后进行数据打包生成一数据包。
根据本公开实施例，例如当下传输的数据起始地址是乒的地址，则该数据包即为乒数据包，可存入对应的乒缓存区中；如传输的数据起始地址是乓的地址，则该数据包即为乓数据包，可存入对应的乓缓存区中。
根据本公开实施例，生成数据包后，例如生成乒数据包后，按照PRF设置的周期参数，乒数据包通过PCIe接口进行输出；操作S2中，乒数据包传输给板卡上FPGA单元的FPGA中，FPGA芯片判断乒数据包的合规性、正确性后，将乒数据包存入数据缓存单元(例如DDR3)一个乒存储区域中。
根据本公开实施例，操作S3中，当FPGA监测到该乒数据包传输完成后，对乒乓标志寄存器取反；在传输数据包的同时，通过参数查询模块查询FPGA中的乒乓标志寄存器，，当PC上位机监测到乒乓标志寄存器发生改变后，将切换数据包的起始地址，开始生成并传输下一乓数据包，FPGA芯片判断乒数据包的合规性、正确性后，将乒数据包存入数据缓存单元中的第一缓存区(也可称为乒缓存区)。同样的，传输乓数据包的同时，通过参数查询模块查询FPGA中的乒乓标志寄存器，当FPGA监测到乓数据包输出完成后，对乒乓标志寄存器取反，PC上位机监测到乒乓标志寄存器发生改变后，再次将起始地址切换成乒的起始地址，如此交替循环进行数据包的存储。
根据本公开实施例，操作S3中，例如当FPGA监测到乒数据包传输完成后对乒乓标志寄存器取反、进行乓数据包存储的同时，FPGA开始读取已完成存储的乒数据包，根据PRF设置的PRF周期参数，开始一帧一帧的从DDR3第一缓存区中往外读取数据。在操作S4中，在检验数据包的正确性后，将数据包传输给光纤单元的光纤接口，最后通过4路光纤接口将数据传输出去。当乒数据包读完后，FPGA切换乒乓地址，从DDR3第二缓存区(也可以称为乓缓存区)中读取乓数据包，在检验数据的正确性后，也是将数据传输给光纤接口，最后通过4路光纤接口将数据传输出去，如此循环读取传输。
根据本公开实施例，基于同样的发明构思，本公开提供的一种基于FPGA的多通道雷达回波信号传输系统，参见图2所示，所述传输系统包括：
上位机，用于将接收的雷达回波数据打包成不同的数据包后按设定周期依次输出；
数据缓存单元，用于将所述不同的数据包经判断后依次存储于不同的缓存区；
FPGA单元，一端通过PCIe接口与所述上位机相连，另一端与所述数据缓存模块相连，用于监测数据包的存储状态，根据所述存储状态改变存储位置同时读取已完成存储的缓存区中的数据包；以及
光纤单元，用于将FPGA单元读取的数据转换为光信号并通过光纤传输。
根据本公开实施例，所述PC上位机可以为计算机，包括：乒乓切换模块，用于在输出乒数据包和输出乓数据包间切换；PRF设置模块，用于设定数据输出周期；以及参数查询模块，用于查询FPGA中乒乓标志寄存器的状态。
所述PCIE接口模块分别位于所述上位机和所述FPGA单元，通过PCIe x8金手指连接器与PC上位机主板上和FPGA单元上的PCIe插槽连接，能够达到单向传输速率为12Gbps。PCIE接口模块需插入PCIe插槽中，从而实现FPGA与PC上位机数据交换的功能。
所述数据缓存单元包括第一缓存区和第二缓存区，每个缓存区含有4片DDR3颗粒，单片颗粒容量为512MB，总容量为4GB。
所述的乒乓切换模块能够对数据缓存单元中第一缓存区和第二缓存区的数据读写进行分开操作，实现传输乒数据包和传输乓数据包间的切换，例如存储乓数据包时读取乒数据包，存储乓数据包时读取乒数据包，提高系统传输的效率。
所述的PRF设置模块，是PC上位机周期产生的一个数据发送标志，设定数据输出周期，模拟真实的雷达发射周期，其中发送周期可根据不同的需求调节大小。
所述参数查询模块，用于查询FPGA单元中乒乓标志寄存器的状态。
所述FPGA单元，包括：电源模块；FPGA芯片，用于对乒数据包和乓数据包进行合格性判断，监测数据包的存储状态，根据所述存储状态改变存储位置同时读取已完成存储的缓存区中的数据包；以及时钟管理模块，用于提供100MHz、125MHz的差分时钟。
所述所述FPGA单元一端通过PCIe接口模块与PC上位机相连，另一端与数据缓存模块相连，能够监测数据包的存储状态，根据所述存储状态改变存储位置，同时读取已完成存储的缓存区中的数据包，例如监测到乒数据包存储完成后，开始存储乓数据包同时读取已存储完成的乒数据包；本实施例选用的FPGA单元中的FPGA芯片的具体型号为XC7K325TFFG900-2。
所述的时钟管理模块由差分晶振分别提供100MHz、125MHz差分时钟和PCIe接口模块提供的100MHz差分时钟组成。由时钟管理模块差分晶振产生的100MHz差分时钟输入给FPGA内部的MMCM(Mixed-Mode Clock Manager，混合模式时钟管理器)模块做主时钟源，由所述差分晶振产生的125MHz差分时钟输入给FPGA内部的数据缓存单元和光纤通信模块做参考时钟，由PCIe接口模块产生的100MHz输入给FPGA内部的PCIe通信模块做参考时钟。
所述的光纤单元包括4通道的光纤接口，能够完成数据的电信号到光信号的转换，然后将转换后的信号通过光纤进行传输，光纤接口模块能提供20Gbps的数据传输速率。
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开一种基于FPGA的多通道雷达回波信号传输方法及系统有了清楚的认识。
综上所述，本公开提供了一种基于FPGA的多通道雷达回波信号传输方法及系统，基于FPGA+PCIe的结构，实现高速和多通道并行传输数据，适用于带有PCIe插槽的计算机设备，通用性较好，适用范围较广，能够实现计算机与数据处理板卡之间的高速数据传输功能，数据传输效率可达12Gbps，可以满足各种带宽要求下的高速数据传输，极大地提高了数据传输效率，并且FPGA可重构硬件易于升级和二次开发，可满足不同用户的需求。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于FPGA的多通道雷达回波信号传输方法，包括：
操作S1：将接收的雷达回波数据打包成不同的数据包后按设定周期依次输出；
操作S2：将所述不同的数据包经判断后依次存储于不同的缓存区；
操作S3：监测数据包的存储状态，根据所述存储状态改变存储位置同时读取已完成存储的缓存区中的数据包；以及
操作S4：将读取的数据转换为光信号并通过光纤传输。
2.根据权利要求1所述的基于FPGA的多通道雷达回波信号传输方法，操作S1包括：
将雷达回波数据依起始地址的不同打包成乒数据包和乓数据包；以及
将所述乒数据包和乓数据包按设定周期依次通过PCIe接口输出。
3.根据权利要求1所述的基于FPGA的多通道雷达回波信号传输方法，操作S2包括：
通过对应的PCIe接口接收所述乒数据包和乓数据包；
通过FPGA对所述乒数据包和乓数据包进行合格性判断；以及
将判断合格的乒数据包和乓数据包分别依次存储于不同的缓存区中。
4.根据权利要求1所述的基于FPGA的多通道雷达回波信号传输方法，操作S3包括：
通过FPGA监测乒数据包的存储完成时，开始向不同的缓存区存储乓数据包同时读取已完成存储的乒数据包；以及
通过FPGA监测乓数据包的存储完成时，开始向不同的缓存区存储乒数据包同时读取已完成存储的乓数据包。
5.根据权利要求4所述的基于FPGA的多通道雷达回波信号传输方法，通过查询FPGA中乒乓标志寄存器的状态，获知缓存区中乒缓存区或乓缓存区的存储是否完成。
6.根据权利要求1所述的基于FPGA的多通道雷达回波信号传输方法，操作S4中，根据设定周期读取的数据在通过FPGA检验正确性后，通过4路光纤进行传输。
7.一种基于FPGA的多通道雷达回波信号传输系统，包括：
上位机，用于将接收的雷达回波数据打包成不同的数据包后按设定周期依次输出；
数据缓存单元，用于将所述不同的数据包经判断后依次存储于不同的缓存区；
FPGA单元，一端通过PCIe接口模块与所述上位机相连，另一端与所述数据缓存模块相连，用于监测数据包的存储状态，根据所述存储状态改变存储位置同时读取已完成存储的缓存区中的数据包；以及
光纤单元，用于将FPGA单元读取的数据转换为光信号并通过光纤传输。
8.根据权利要求7所述的基于FPGA的多通道雷达回波信号传输系统，所述上位机包括：
乒乓切换模块，用于在输出乒数据包和输出乓数据包间切换；
PRF设置模块，用于设定数据输出周期；以及
参数查询模块，用于查询FPGA单元中乒乓标志寄存器的状态。
9.根据权利要求7所述的基于FPGA的多通道雷达回波信号传输系统，所述FPGA单元，包括：
电源模块；
FPGA芯片，用于对乒数据包和乓数据包进行合格性判断，监测数据包的存储状态，根据所述存储状态改变存储位置同时读取已完成存储的缓存区中的数据包；以及
时钟管理模块，用于提供100MHz、125MHz的差分时钟。
10.根据权利要求7所述的基于FPGA的多通道雷达回波信号传输系统，所述数据缓存单元包括乒缓存区和乓缓存区，每个缓存区包括4片DDR3颗粒。
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