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利用FPGA及其片上32位微處理器內(nèi)核MicroBlaze,構(gòu)建雷達(dá)目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)，硬件實(shí)現(xiàn)的高速并行性保證了多目標(biāo)跟蹤的實(shí)時(shí)性，微處理器CPU強(qiáng)大的控制協(xié)調(diào)功能保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。針對多目標(biāo)波門排序這一難點(diǎn)，本文提出了利用頂層軟件排序的方法，降低了難度和運(yùn)算量，提高了靈活性，很好的解決了問題。
1 引言
隨著集成電路的不斷發(fā)展,可編程邏輯器件FPGA因其功能強(qiáng)大,設(shè)計(jì)靈活,開發(fā)周期短等特點(diǎn),受到越來越廣泛的應(yīng)用.目前在信號處理領(lǐng)域應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,廣泛采用的是“FPGA+DSP”的體系結(jié)構(gòu),其中FPGA完成控制簡單,運(yùn)算量大的算法處理工作,DSP作為系統(tǒng)的處理器進(jìn)行系統(tǒng)控制,任務(wù)協(xié)調(diào)等工作.然而這種系統(tǒng)需要處理DSP與FPGA之間的通信和數(shù)據(jù)交換,增加了系統(tǒng)體積和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度,如果能利用FPGA的邏輯資源來完成這些控制功能,不但提高了系統(tǒng)集成度,也提高了系統(tǒng)的性能.目前FPGA不斷朝著實(shí)現(xiàn)更高密度,更大容量的千萬門級系統(tǒng)發(fā)展,同時(shí)MCU,DSP,MPU等嵌入式微處理器以IP核的形式嵌入到FPGA中，使得在FPGA上實(shí)現(xiàn)算法和控制功能的集成即可編程片上系統(tǒng)(System on Programmable Chip)成為可能.
本文介紹了利用Xilinx最新推出的Spartan 3E系列XC3S500E芯片,及其支持的微處理器軟核MicroBlaze構(gòu)建雷達(dá)目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)，完成了對多目標(biāo)的跟蹤，波門排序和信息管理存儲(chǔ)以及與主機(jī)的通信．
2 MicroBlaze簡介
MicroBlaze 處理器內(nèi)核是針對FPGA器件而優(yōu)化的功能強(qiáng)大的標(biāo)準(zhǔn)32位RISC處理器，運(yùn)行速度高達(dá)150MHz,采用哈佛體系結(jié)構(gòu)，具有獨(dú)立的３２位指令總線和３２位數(shù)據(jù)總線．這兩種總線又分為局部存儲(chǔ)器總線(Local Memory Bus,LMB)和IBM的片上外圍總線（On-chip Peripheral Bus,OPB）兩類．LMB總線可提供對片上雙端口Block RAM的高速訪問，OPB總線可提供對片上外設(shè)，存儲(chǔ)器，以及基于硬件描述語言編寫的算法模塊的訪問，MicroBlaze可以響應(yīng)軟件和硬件中斷，進(jìn)行異步處理．
3 MicroBlaze的開發(fā)環(huán)境和開發(fā)流程
應(yīng)用EDK(嵌入式開發(fā)套件)可以進(jìn)行MicroBlaze IP核的開發(fā)。工具包中集成了硬件平臺(tái)產(chǎn)生器、軟件平臺(tái)產(chǎn)生器、仿真模型生成器、軟件編譯器和軟件調(diào)試工具等。EDK中提供一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境XPS(Xilinx 平臺(tái)工作室)，以便使用系統(tǒng)提供的所有工具，完成嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的整個(gè)流程.EDK中還帶有一些外設(shè)接口的IP核，如LMB、OPB總線接口、外部存儲(chǔ)控制器、SDRAM控制器、UART、中斷控制器、定時(shí)器等。利用這些資源，可以構(gòu)建一個(gè)較為完善的嵌入式微處理器系統(tǒng)。
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圖1 MicroBlaze 內(nèi)核結(jié)構(gòu)圖
MicroBlaze的開發(fā)流程大致有以下四步：
1利用微處理器硬件規(guī)范文件(MHS)和微處理器軟件規(guī)范文件(MSS),定義軟件和硬件系統(tǒng)。
2利用系統(tǒng)庫生成器，建立相關(guān)的庫函數(shù)和驅(qū)動(dòng)函數(shù)，并利用gcc編譯器編譯編寫的C程序源代碼。
3利用平臺(tái)生成器，生成系統(tǒng)網(wǎng)表，HDL代碼，片上塊存儲(chǔ)器初始化代碼。
4利用系統(tǒng)硬件模型，綜合后的ELF文件和用戶約束文件，應(yīng)用FPGA綜合實(shí)現(xiàn)工具生成比特流，并利用JTAG接口下載到硬件上進(jìn)行調(diào)試和實(shí)現(xiàn)。
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圖2 MicroBlaze 開發(fā)流程圖
4.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案
系統(tǒng)總體框圖如圖三所示，多目標(biāo)跟蹤模塊是基于硬件描述語言的底層算法中心，完成多目標(biāo)的識別，跟蹤和預(yù)測，它按照OPB總線協(xié)議掛在總線上與MicroBlaze通信，MicroBlaze通過配置寄存器，完成對它的控制；A/D轉(zhuǎn)換器采用TLC5540，完成對回波信號的數(shù)字化；鎖相環(huán)CD4046完成對方位脈沖的分頻鎖相；串口模塊完成與主機(jī)的通信和交互；中斷控制器實(shí)現(xiàn)對多中斷的協(xié)調(diào)管理，配置優(yōu)先級；FLASH采用SST25LF080A,完成最終程序的固化和上電初始化；片上塊RAM完成程序的存儲(chǔ)和雷達(dá)多目標(biāo)相關(guān)信息的存儲(chǔ)，基于MicroBlaze的頂層軟件算法完成對這些模塊的控制和協(xié)調(diào)，同時(shí)完成多目標(biāo)波門的排序。
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圖3 系統(tǒng)總體實(shí)現(xiàn)方案
5.MicroBlaze在波門排序中的應(yīng)用
當(dāng)進(jìn)行多目標(biāo)跟蹤時(shí)，需要對多個(gè)目標(biāo)信息進(jìn)行存儲(chǔ)，同時(shí)必須保證多目標(biāo)波門數(shù)據(jù)，按其方位和和距離的大小順序排列，這樣才能保證隨著雷達(dá)方位和距離的掃描，依次對各個(gè)目標(biāo)進(jìn)行連續(xù)的自動(dòng)跟蹤．完全基于硬件的排序，不但時(shí)序復(fù)雜，而且靈活性很差，在實(shí)際中很難實(shí)現(xiàn)，一直是全自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)，而本文通過MicroBlaze頂層算法實(shí)現(xiàn)，利用C語言強(qiáng)大的指針功能，很好的克服這些困難．下面就這個(gè)問題進(jìn)行詳細(xì)的介紹．
為了避免目標(biāo)錄取后由于波門的調(diào)整而干擾下一個(gè)波門的讀取，采用不同雷達(dá)掃描周期(2.5s)兩張波門表交替存儲(chǔ)波門數(shù)據(jù)(指針Xuint32 *b1為波門表一的首地址指針，Xuint32 *b2為波門表二的首地址指針), 當(dāng)從波門表1中順序讀取波門數(shù)據(jù)送入跟蹤模塊時(shí)，將通過雷達(dá)目標(biāo)跟蹤模塊跟蹤濾波得到的下一次探測周期的波門數(shù)據(jù)存入波門表2中，并進(jìn)行排序。將片上RAM中的8KB空間掛到OPB總線上用來存儲(chǔ)兩張波門表，并供CPU調(diào)度和訪問。
//為兩張波門表分配RAM存儲(chǔ)空間
b1=(Xuint32*)XPAR_OPB_BRAM_CNTLR_BASEADDR;
b2=(Xuint32*)(XPAR_OPB_BRAM_CNTLR_BASEADDR+0x00000060);
每個(gè)32位二進(jìn)制數(shù)存儲(chǔ)一個(gè)目標(biāo)的波門信息，具體分配如下：高12位為目標(biāo)的4096方位脈沖計(jì)數(shù)，中間16位用來存儲(chǔ)目標(biāo)波門距離計(jì)數(shù)，最低四位為目標(biāo)編號。
當(dāng)正北脈沖信號到來時(shí)，表明新一個(gè)雷達(dá)探測周期開始，觸發(fā)上升沿中斷，在中斷程序中，將當(dāng)前指向波門表一的指針*b1指向波門表二，同時(shí)將波門表二的首個(gè)目標(biāo)波門信息送入跟蹤模塊的寄存器中，并使b1指向下一個(gè)目標(biāo)波門信息，將指向波門表2的指針*b2指向波門表1:
//實(shí)現(xiàn)兩張波門表的交迭
Temp=b2; b2=b1; b1=temp;
//將當(dāng)前指針指向的目標(biāo)波門數(shù)據(jù)送入底層跟蹤模塊的寄存器中，同時(shí)將指針指向下一個(gè)目標(biāo)波門數(shù)據(jù)
track_mWriteSlaveReg (baseaddr,*(b1++));
當(dāng)?shù)讓幽繕?biāo)跟蹤模塊完成對當(dāng)前波門區(qū)域目標(biāo)的探測，會(huì)向CPU發(fā)出一個(gè)探測結(jié)束信號，觸發(fā)上升沿中斷，并將當(dāng)前目標(biāo)經(jīng)過α-β外推得到的下一次目標(biāo)探測周期的波門數(shù)據(jù)寫入指定的寄存器中。在中斷程序中，將b1指向的目標(biāo)波門數(shù)據(jù)寫入跟蹤模塊的寄存器中，同時(shí)b1指向下一個(gè)目標(biāo)波門；將接收到的外推波門數(shù)據(jù)寫入b2指向的波門表中，并與之前得到的多目標(biāo)外推信息進(jìn)行距離方位比較排序。這里采用插入排序，因?yàn)橹暗哪繕?biāo)波門數(shù)據(jù)已經(jīng)按照掃描周期先后的順序進(jìn)行存儲(chǔ)了，所以新進(jìn)入的波門數(shù)據(jù)遞推的與上面的波門數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，若上一個(gè)波門數(shù)據(jù)大于本波門數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行相互交換，并向上遞推比較，如果上一個(gè)波門數(shù)據(jù)小于本波門數(shù)據(jù)，則本存儲(chǔ)位置正好對應(yīng)目標(biāo)的掃描順序，排序結(jié)束。
具體中斷程序如下：
//將當(dāng)前指針指向的目標(biāo)波門數(shù)據(jù)送入底層跟蹤模塊的寄存器中，同時(shí)將指針指向下一個(gè)目標(biāo)波門數(shù)據(jù)
track_mWriteSlaveReg (baseaddr,*(b1++));
//將從底層跟蹤模塊寄存器中得到的下一周期目標(biāo)外推波門數(shù)據(jù)，按照大小排序，插入寄存器中相應(yīng)的位置
for(i=b2;i>XPAR_OPB_BRAM_CNTLR_BASEADDR;)
{ j=i-1;
If (*i<*j)
{
temp=i; i=j; j=temp;
}
else
exit;
}
當(dāng)需要增加或刪除目標(biāo)時(shí)，我們通過串口模塊UART與主機(jī)進(jìn)行命令交互，對串口的操作，
//初始化串口，設(shè)置波特率等
XUartLite_Initialize(&UART,XPAR_UARTLITE_DEVICE_ID) ;
//發(fā)送和接收數(shù)據(jù)
XUartLite_Send(&UART,&send_data,1) ;
XuartLite_Recv(&UART,&recv_data,1) ;
當(dāng)需要增加一個(gè)探測目標(biāo)時(shí)，給目標(biāo)分配新的編號，同時(shí)將波門信息存入b2指向的波門表，并如前插入排序，待下一次掃描周期到來時(shí)，按順序進(jìn)入跟蹤寄存器，進(jìn)行目標(biāo)的跟蹤。
當(dāng)需要?jiǎng)h除某個(gè)目標(biāo)時(shí)，在b2指向的波門表中查詢目標(biāo)的編號，并記錄下它的存儲(chǔ)位置，在下一次掃描周期中，當(dāng)b1指針指到這個(gè)位置時(shí)，直接跳過，讀取下一個(gè)目標(biāo)的波門數(shù)據(jù)，這種方法，既取到了效果，又避免了大量數(shù)據(jù)的移動(dòng)操作。
6 結(jié)束語
利用MicroBlaze微處理器，搭建雷達(dá)目標(biāo)跟蹤的嵌入式系統(tǒng)，有效的實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的控制，多任務(wù)的協(xié)調(diào)處理?；陧攲覥程序算法實(shí)現(xiàn)的多目標(biāo)波門排序，既利用了軟件實(shí)現(xiàn)的靈活性和方便性，又兼具嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，有效的解決了問題。隨著嵌入式操作系統(tǒng)VxWorks，uc/OSII，uclinux的廣泛應(yīng)用，通過擴(kuò)充外部存儲(chǔ)器，可將這些實(shí)時(shí)的嵌入式操作系統(tǒng)移植到MicroBlaze軟核上，將會(huì)在系統(tǒng)多任務(wù)，實(shí)時(shí)性處理的性能上有很大提高，相信將來也會(huì)得到廣泛的應(yīng)用。
本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：本論文基于FPGA及其片上微處理器軟核MicroBlaze構(gòu)建了雷達(dá)多目標(biāo)跟蹤的嵌入式系統(tǒng)，并提出了頂層軟件排序的方法，有效的解決了多目標(biāo)波門排序的難點(diǎn)。
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工商網(wǎng)監(jiān)
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