CN202083795U - 基于cpci的雷达数据采集卡 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于CPCI的雷达数据采集卡，包括A/D采样及数字下变频单元、逻辑功能单元、PCI桥芯片、电平转换单元，其中，所述A/D采样及数字下变频单元的信号输入端输入回波信号，所述A/D采样及数字下变频单元的输出端与所述逻辑功能单元的输入端连接，所述逻辑功能单元的输出端与所述PCI桥芯片的输入端连接，所述PCI桥芯片的输出端与CPCI计算机之间双向通讯连接，所述逻辑功能单元的控制信号端与所述电平转换单元的控制信号端连接，所述电平转换单元的控制信号输出端输出控制/状态信号。本实用新型提高了系统的稳定性、可靠性和集成度，降低了系统的复杂度；控制灵活、散热性好、扩展性强，并满足雷达系统抗震和热插拔的要求。

Description

基于CPCI的雷达数据采集卡

技术领域

本实用新型涉及一种雷达数据采集卡，尤其涉及一种高稳定、高集成的基于CPCI的雷达数据采集卡，属于雷达数据采集卡的生产领域。

背景技术

在通用天气雷达系统中，天气数据信息采集卡通常采用的是普通PCI卡，而主机都是采用的商用计算机。雷达系统作为一个具有极高稳定性的控制系统，要求主机及接口采用更为安全可靠的连接，从外部的结构到内部的电气特性都具严格的技术等级要求。

20世纪90年代，PCI总线作为台式机系统的业界标准被千百万台计算机采用，但是它无法提供高度的可靠性，也不能满足高可用性系统对正常运行时间的要求。而且，其主板很难散热，主板边缘接头可靠性低，在更换主板时极易受到损伤。

Compact PCI(Compact Peripheral Component Interconnect，简称CPCI，中文又称紧凑型PCI，是国际工业计算机制造者联合会于1994提出来的一种总线接口标准)特别汲取了VME的精髓(密集坚固的封装，大型设备的极佳冷却效果)，并与PC的优势(廉价、易于采用最新互连和处理能力的快速芯片)巧妙地结合在一起。目前CPCI已经取代VME以及STD工业标准，成为工业界领域的新一代标准。

现有S波段多普勒天气雷达数据采集方案，包括用户定义的接口的PCI卡和普通商用计算机作为终端数据处理机，存在以下缺点：(1)商用计算机可靠性不高；(2)商用计算机维护不便；(3)板卡无法很好的散热；(4)不支持热插拔；(5)板卡个数及空间的限制，扩充性不足。而要解决上述问题，应用CPCI计算机作为终端数据处理机成为不错的选择，为了适应CPCI计算机，必须对采集卡做出改进。

发明内容

本实用新型的目的就在于为了解决上述问题而提供一种基于CPCI的雷达数据采集卡。

本实用新型通过以下技术方案来实现上述目的：

本实用新型包括A/D采样及数字下变频单元、逻辑功能单元、PCI桥芯片、电平转换单元，其中，所述A/D采样及数字下变频单元的信号输入端输入回波信号，所述A/D采样及数字下变频单元的输出端与所述逻辑功能单元的输入端连接，所述逻辑功能单元的输出端与所述PCI桥芯片的输入端连接，所述PCI桥芯片的输出端与CPCI计算机之间双向通讯连接，所述逻辑功能单元的控制信号端与所述电平转换单元的控制信号端连接，所述电平转换单元的控制信号输出端输出控制/状态信号。

A/D采样及数字下变频单元的具体功能主要体现在降低数据率和滤除干扰噪声。数字下变频主要由NCO混频、CIC梳状滤波、FIR抽取滤波器级联的结构构成，通过调整抽取配数来改变数据速率，通过使用不同的FIR滤波器系数，达到良好滤波的性能。

逻辑功能单元的功能主要是实现IQ数据打包、缓存和CPCI接口互连。

PCI桥芯片实现PCI总线到局部总线的高速桥接，该芯片还支持电源管理，完全满足CPCI总线热插拔的要求，提高稳定性、可靠性的同时降低了系统设计难度，并很好的实现了与PCI总线接口的兼容。

为了提高传输距离，降低电磁干扰，控制接口电平协议采用RS422标准，由电平转换单元实现LVTTL到RS422电平的转换，差分传输距离可达10米以上。

作为最佳选择，所述A/D采样及数字下变频单元和所述逻辑功能单元采用FPGA芯片(FPGA即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点)。数字下变频处理在独立的FPGA内实现，FPGA逻辑单元丰富，芯片内嵌的DSP处理模块功能强大，支持多位乘加运算，非常适合数字下变频中的CIC滤波器和FIR滤波器等大运算量处理。IQ数据率最大可达160Mbps，由前端数字下变频FPGA并行输出，逻辑功能单元通过外部同步信号将IQ数据进行分片缓存，缓存深度达到16K*32位。缓存器采用FPGA内部存储器，乒乓操作模式，待一帧数据缓存完成后产生中断INT信号，从而保证了实时高速IQ数据传输，防止数据溢出等情况出现。

所述PCI桥芯片的信号端与CPCI计算机之间通过6U CPCI接口连接。这种接口操作简便，实现从PCI总线到局部总线的高速桥接，并完全满足CPCI总线热插拔的要求，提高稳定性、可靠性的同时降低了系统设计难度，并很好的实现了与PCI总线接口的兼容。

本实用新型的有益效果在于：

由上可知，本实用新型提高了系统的稳定性、可靠性和集成度，降低了系统的复杂度；控制灵活、散热性好、扩展性强，并满足雷达系统抗震和热插拔的要求，而且传输距离远、抗干扰能力强。

附图说明

图1为本实用新型的电路结构框图；

图2为传统雷达数据采集系统的结构框图；

图3为本实用新型所属雷达数据采集系统的结构框图；

图4为本实用新型中逻辑功能单元的信号流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步具体描述：

如图1所示，本实用新型包括A/D采样及数字下变频单元、逻辑功能单元、PCI桥芯片、电平转换单元，其中，A/D采样及数字下变频单元的信号输入端输入回波信号，A/D采样及数字下变频单元的信号输出端与逻辑功能单元的信号输入端连接，逻辑功能单元的信号输出端与PCI桥芯片的信号输入端连接，PCI桥芯片的信号端与CPCI计算机之间双向通讯连接，逻辑功能单元的控制信号端与电平转换单元的控制信号端连接，电平转换单元的控制信号输出端输出控制/状态信号。图1中，所述A/D采样及数字下变频单元和所述逻辑功能单元采用FPGA芯片；所述PCI桥芯片的信号端与CPCI计算机之间通过6U CPCI接口连接。

如图2所示，图2为传统雷达数据采集系统的结构框图。如图3所示，图3为本实用新型所属雷达数据采集系统的结构框图。由图2和图3对比可知，传统雷达数据采集系统包括用户定义的接口的PCI卡和普通商用计算机作为终端数据处理机，本实用新型所属雷达数据采集系统中以CPCI计算机作为终端数据处理机，CPCI计算机机箱结构，不再需要打开机箱，直接可以对单个扩展卡进行独立插拔，板卡的面积足够能放置更多的功能模块。

如图1所示，雷达接收机将接收到的微弱电磁波放大混频处理，得到中频回波信号，所述A/D采样使用AD6645芯片，使采集到的回波数字量化。由于采样后的数据率过高，计算机无法实时的处理，需要进行高精度实时数字下变频处理，以获得一定带宽的IQ数据，并滤除其他干扰噪声数字下变频具体功能主要体现在降低数据率和滤除干扰噪声。数字下变频处理在独立的FPGA内实现，FPGA采用ALTERA公司的STRATIX II系列，逻辑单元丰富，芯片内嵌的DSP处理模块功能强大，支持多位乘加运算，非常适合数字下变频中的CIC滤波器和FIR滤波器等大运算量处理。

图4是本实用新型中逻辑功能单元的信号流程图。如图4所示，IQ数据率最大可达160Mbps，由前端数字下变频FPGA并行输出，逻辑功能单元通过外部同步信号将IQ数据进行打包和分片缓存，缓存深度达到16K*32位。缓存器采用FPGA内部存储器，乒乓操作模式，待一帧数据缓存完成后产生中断INT信号，从而保证了实时高速IQ数据传输，防止数据溢出等情况出现。逻辑功能单元通过解析PCI桥芯片的局部总线协议，产生与之匹配的PCI通信信号，完成FPGA内部总线与PCI局部总线的接口。FPGA向PCI传输IQ数据采用DMA传输方式，以减少终端计算机CPU的负荷，提高数据传输速率。逻辑功能单元经过对控制参数信号进行缓存和打包处理后输出控制参数。

结合图1，本实用新型提供了雷达控制接口，终端软件可通过CPCI总线向其他组件发出控制指令。为了提高传输距离，降低电磁干扰，控制接口电平协议采用RS422标准，由电平转换单元完成转换，电平转换单元采用AM26C31/32芯片，实现LVTTL到RS422电平的转换，差分传输距离可达10米以上。PCI桥芯片采用PCI9054，该芯片支持32位、33M/66MHz PCI接口，操作简便，实现从PCI总线到局部总线的高速桥接。该芯片还支持电源管理，完全满足CPCI总线热插拔的要求，提高稳定性、可靠性的同时降低了系统设计难度，并很好的实现了与PCI总线接口的兼容。PCI桥芯片的信号端与CPCI计算机之间的连接接口采用标准6U CPCI插卡结构，其中J1为PCI总线接口，J4和J5为自定义接口，用于传输控制命令和扩展数据。

结合图1，回波中频信号经高速高精度AD采样转化为数字信号，并进行数字下变频和滤波处理生成基带IQ信号，逻辑功能单元按照一定帧格式将其打包缓存在内部存储器中，并按照CPCI接口时序产生中断信号；CPCI计算机响应该中断，发起DMA数据传输，将基带数据帧接收并进行后续信号处理。同时，CPCI计算机还通过CPCI接口向本实用新型发送控制指令，通过电平转换单元转换为标准RS422电平的控制信号以控制雷达系统。

Claims (3)

1.一种基于CPCI的雷达数据采集卡，其特征在于：包括A/D采样及数字下变频单元、逻辑功能单元、PCI桥芯片、电平转换单元，其中，所述A/D采样及数字下变频单元的信号输入端输入回波信号，所述A/D采样及数字下变频单元的输出端与所述逻辑功能单元的输入端连接，所述逻辑功能单元的输出端与所述PCI桥芯片的输入端连接，所述PCI桥芯片的输出端与CPCI计算机之间双向通讯连接，所述逻辑功能单元的控制信号端与所述电平转换单元的控制信号端连接，所述电平转换单元的控制信号输出端输出控制/状态信号。

2.根据权利要求1所述的基于CPCI的雷达数据采集卡，其特征在于：所述A/D采样及数字下变频单元和所述逻辑功能单元均采用FPGA芯片。

3.根据权利要求1所述的基于CPCI的雷达数据采集卡，其特征在于：所述PCI桥芯片的输出端与CPCI计算机之间通过6U CPCI接口连接。

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