CN203224621U - 基于pci-e总线的天气雷达高速数据传输装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于PCI-E总线的天气雷达高速数据传输装置，包括FPGA处理器、光纤接口、驱动电路、数据存储电路和PCI-E数据总线接口，光纤接口接收来自于光纤的雷达数据，光纤接口的信号输出端与驱动电路串联后与FPGA处理器连接，FPGA处理器的存储接口与数据存储电路连接，FPGA处理器的PCI-E数据输出端与PCI-E数据总线接口的内端连接，PCI-E数据总线接口的外端用于连接PC机。本实用新型以光纤接口作为雷达系统数据传输接口，传输距离最大可达20km，并结合PCI-E接口技术实现了超大数据量的高速数据传输，为PC机终端进行数据存储和分析提供了强有力的支撑，使其可以轻松应用于各型高分辨率、高采样率、多通道天气雷达系统中。

Description

基于PCI-E总线的天气雷达高速数据传输装置

技术领域

本实用新型涉及一种天气雷达数据传输装置，尤其涉及一种基于PCI-E总线的天气雷达高速数据传输装置。

背景技术

随着天气雷达技术的快速发展，采样率和采样精度不断提高，导致数据传输量大幅增加。现有天气雷达数据传输装置多采用PCI总线或USB2.0总线作为传输接口，雷达数据经过双绞屏蔽电缆连接至传输装置，经过差分接收后送入FPGA处理器，完成数据解析和数据同步缓存，最后经数据总线上传至计算机，具体结构见图1所示。

上述传统的数据传输模式和传输链路已不能满足现代雷达系统的要求，成为了数据传输的瓶颈，具体缺陷在于：

1、数据传输方式采用双绞线传输，信号易受外部电磁干扰，并且线数多，传输速度及距离受限制；

2、以FPGA内部RAM作为数据缓存空间，存储深度小，易导致数据溢出丢失；

3、USB2.0或PCI总线速率低，限制了数据传输带宽。

实用新型内容

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PCI-E总线的天气雷达高速数据传输装置。

本实用新型通过以下技术方案来实现上述目的：

本实用新型所述基于PCI-E总线的天气雷达高速数据传输装置包括FPGA处理器、光纤接口、驱动电路、数据存储电路和PCI-E数据总线接口，所述光纤接口接收来自于光纤的雷达数据并进行光电转换，所述光纤接口的信号输出端与所述驱动电路的信号输入端连接，所述驱动电路完成数据解码和串并转换得到20位并行数据，其信号输出端与所述FPGA处理器的信号输入端连接，所述FPGA处理器的存储接口与所述数据存储电路连接，所述FPGA处理器完成数据解析、数据格式转换、数据同步存储和PCI-E接口控制，所述FPGA处理器的PCI-E数据输出端与所述PCI-E数据总线接口的内端连接，所述PCI-E数据总线接口的外端用于连接PC机。

PCI-E（即PCI-Express）总线技术大大提升了计算机总线传输带宽，提供多达16个传输通道，单通道传输速率高达2.5Gbps。本装置采用4通道PCI-E作为总线接口，结合天气雷达系统数据传输特点，实现了雷达数据格式解析和高速传输功能。

进一步，所述天气雷达高速数据传输装置还包括电平转换电路，所述电平转换电路的信号输入端与所述FPGA处理器的雷达控制参数信号输出端连接，所述电平转换电路的输出端输出控制命令至雷达分机。

作为优选，所述数据存储电路为两个，构成互为备份的乒乓操作模式。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型以光纤接口作为雷达系统数据传输接口，传输距离最大可达20km，并结合PCI-E接口技术实现了超大数据量的高速数据传输，为PC机终端进行数据存储和分析提供了强有力的支撑，使其可以轻松应用于各型高分辨率、高采样率、多通道天气雷达系统中，其应用范围大、适应性强。

附图说明

图1是传统天气雷达数据传输装置的电路结构框图；

图2是本实用新型所述基于PCI-E总线的天气雷达高速数据传输装置的电路结构框图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明：

如图2所示，本实用新型所述基于PCI-E总线的天气雷达高速数据传输装置包括FPGA处理器、光纤接口、驱动电路、数据存储电路SRAM、PCI-E数据总线接口和电平转换电路，光纤接口接收来自于光纤的雷达数据并进行光电转换，光纤接口的信号输出端与驱动电路的信号输入端连接，驱动电路完成数据解码和串并转换得到20位并行数据，其信号输出端与FPGA处理器的信号输入端连接，FPGA处理器的存储接口与数据存储电路SRAM连接，数据存储电路SRAM为两个，构成互为备份的乒乓操作模式，FPGA处理器完成数据解析、数据格式转换、数据同步存储和PCI-E接口控制，FPGA处理器的PCI-E数据输出端与PCI-E数据总线接口的内端连接，PCI-E数据总线接口的外端用于连接PC机，电平转换电路的信号输入端与FPGA处理器的雷达控制参数信号输出端连接，电平转换电路的输出端输出控制命令至雷达分机（图中未示出）。图2中还示出了为本装置各部件供电的电源。

如图2所示，本装置的工作原理如下：

天气雷达数字接收机通过高速光纤将雷达数据传输至本装置，本装置首先通过光纤接口进行光电转换，再经由驱动电路完成数据解码和串并转换，得到20位并行数据送入FPGA处理器，后者负责数据解析、数据格式转换、数据同步存储和PCI-E接口控制，以中断方式通知PC机发起DMA，从外部的数据存储电路SRAM中批量读取雷达数据；PC机以写寄存器方式向FPGA处理器发送雷达控制参数，并经过电平转换电路将控制命令发送至雷达各分机，实现控制雷达的目的。

实际应用中，各部件采用以下具体结构：

光纤接口：由于天气雷达数字接收机一般安装于雷达机柜或者天线仓中，而电脑终端则位于控制机房中，二者通常相距较远，为保证数据传输稳定性和可靠性，本装置采用单模光纤作为传输介质。光线接口内的光电转换模块选用FTAF-1325-xx，其具有如下特点：光波长为1310nm，传输距离20km；数据传输速率达2.5Gbps；BIDI单模收发器；LVPECL/VML电平信号输入/输出；小尺寸2*5mm引脚封装；工作温度范围-40℃to+85℃。

驱动电路：光纤接口输出电信号为串行编码数据，需经过驱动电路进行数据解码和串并转换处理，以生成后端可识别的雷达数据。本装置采用TI公司TLK2541作为驱动电路，其具有如下特点：支持数据率：1～2.6Gbps；独立的接收/发送通道；全双工异步工作方式；片载高性能PLL，支持数据时钟恢复和快速重连功能；具有热插拔保护功能；片上集成8b/10b编码/解码器；串行端电平标准LVPECL，并行端电平标准VML，实现与光纤接口无缝连接；紧凑型标准80引脚PQFP封装；工作温度范围：－40～＋85℃。

FPGA处理器：FPGA处理器用于对并行接收的雷达数据进行解析、格式转换、同步缓存、PCI-E数据交互和雷达控制参数发送等。FPGA处理器选用ALTERA公司的StratixII系列EP2S30F484芯片，其片内RAM容量1337Kbits，16个DSP块，27104个ALUTS，用户可配置I/O数342个，非常适用于高速信号处理场合。

FPGA处理器主要完成功能如下：

1、数据解析和数据格式转换：

驱动电路输出的20位并行数据流包含了编码识别标志、雷达数据头和有效雷达数据三部分，FPGA处理器需对该数据流进行解析。首先将20位数据拆分为高低各10位数据，然后分别取出高两位即为编码识别标志，并按编码类型还原出对应的8位数据，从而组合成新的16位有效数据；FPGA处理器还需对还原的16位数据流进行数据头检测，标识出数据起始位置，剔除冗余的数据头数据，形成原始的雷达数据流。

2、同步缓存：

FPGA处理器需将格式转换后的原始雷达数据流按数据起始位置进行同步缓存，缓存介质为外部SRAM，数据缓存采用乒乓模式，以保证不同时读写同一数据空间，避免数据丢失和出错。

3、PCI-E数据交互：

本装置与终端的数据通信以PCI-E为总线，采用PCI-E桥芯片PI7C9X130作为物理连接。该芯片实现PCI-E总线到64位133MHzPCI总线的桥接，FPGA处理器按照PCI总线协议进行时序控制和数据交互，控制简便、稳定可靠。FPGA处理器与终端PC机的雷达数据传输采用DMA方式。当完成一帧雷达数据缓存后，FPGA处理器向PCI-E总线发出数据缓存完毕中断，PC机响应该中断后发起DMA读操作，FPGA处理器控制选取外部SRAM作为数据源，同时将存数据指针指向另一片SRAM，保证在PC机读取雷达缓存数据时可以同时接收雷达数据，从而实现连续无错误数据传输。

4、雷达控制参数发送：

PC机终端通常需要对雷达工作模式、发射脉宽、数据精度等进行控制，以配合完成雷达各种扫描要求本装置提供了雷达控制通道，PC机终端通过向PCI-E特定地址写参数，PCI-E桥芯片将该操作映射到PCI局部总线，并生成寄存器写时序，FPGA处理器配合写时序要求对控制参数按地址进行数据缓存，缓存空间为FPGA片内RAM，缓存深度1Kbytes，待接收到写参数完成指令后将缓存的控制命令通过制定接口发送至雷达各分机。

数据存储电路SRAM：本装置选用外部数据存储电路SRAM作为雷达数据缓存器，两片SRAM构成互为备份的乒乓操作模式，操作简单、访问快速、封装小巧，在保证数据连续性和正确性的同时降低了设计难度和复杂度。选用的SRAM型号为IS61WV102416BLL，该器件访问时间8ns，单片存储深度为1M×16bit，总存储深度为2M×16bit。

PCI-E数据总线接口：即PCI-Express数据总线接口，采用点对点串行连接，采用独特的双通道传输模式，大大提高了数据传输速度，每个信道单方向的传输速率是2.5Gbps，最多支持16信道，总数据传输速率高达10Gbps；支持设备热插拔和热交换，具有低电源消耗和电源管理功能，非常适用高速数据传输系统。

电平转换电路：本装置与各雷达分机采用低压差分（LVDS）进行控制参数传输，该接口比传统的TTL/CMOS单端传输方式更强的共模噪声抑制能力，特别适用于高速、低抖动及对共模特性要求较高的雷达系统。本装置中选用SN65LVDS31/SN65LVDS32作为差分发送/接收电平转换电路的芯片，3.3V单电源供电，差分接收端采用120欧电阻匹配，电路简单，稳定可靠，单通道最大传输速率可达400Mbps。

Claims (3)

1.一种基于PCI-E总线的天气雷达高速数据传输装置，包括FPGA处理器，其特征在于：还包括光纤接口、驱动电路、数据存储电路和PCI-E数据总线接口，所述光纤接口接收来自于光纤的雷达数据并进行光电转换，所述光纤接口的信号输出端与所述驱动电路的信号输入端连接，所述驱动电路完成数据解码和串并转换得到20位并行数据，其信号输出端与所述FPGA处理器的信号输入端连接，所述FPGA处理器的存储接口与所述数据存储电路连接，所述FPGA处理器完成数据解析、数据格式转换、数据同步存储和PCI-E接口控制，所述FPGA处理器的PCI-E数据输出端与所述PCI-E数据总线接口的内端连接，所述PCI-E数据总线接口的外端用于连接PC机。

2.根据权利要求1所述的基于PCI-E总线的天气雷达高速数据传输装置，其特征在于：所述天气雷达高速数据传输装置还包括电平转换电路，所述电平转换电路的信号输入端与所述FPGA处理器的雷达控制参数信号输出端连接，所述电平转换电路的输出端输出控制命令至雷达分机。

3.根据权利要求1或2所述的基于PCI-E总线的天气雷达高速数据传输装置，其特征在于：所述数据存储电路为两个，构成互为备份的乒乓操作模式。

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