嵌入式操作系統(tǒng)在高速實時信號處理系統(tǒng)中的應用

　　現(xiàn)今的信號處理設備越來越復雜，不僅要求高速的處理能力，而且要求功能多樣化，僅僅追求速度已經不能滿足需求。尤其在復雜多變的環(huán)境中，要求信號處理機能夠完成多種處理功能，并能方便靈活地切換工作模式。因此有必要發(fā)展一種可重構和可擴展的通用信號處理系統(tǒng)，能將信號處理機多功能化、模塊化、標準化和通用化。將嵌入式操作系統(tǒng)與高速實時信號處理機結合，可以很好地實現(xiàn)這些要求。在雷達火控系統(tǒng)中，信號處理不僅需要很高的處理速度，而且要滿足控制顯示多方面的需求，如果沒有操作系統(tǒng)，實現(xiàn)起來不僅復雜而且不便于系統(tǒng)的模塊化和標準化。因此，采用實時操作系統(tǒng)VxWorks實現(xiàn)雷達系統(tǒng)的控制和顯示功能。VxWorks是一種類UNIX的高性能嵌入式實時操作系統(tǒng)，其中斷響應速度是微秒級的。它是專門為實時嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的操作系統(tǒng)，提供了高效的實時任務調度、中斷管理、實時系統(tǒng)資源及實時任務通信。VxWorks可以為各種CPU硬件平臺提供統(tǒng)一的接口和一致的運行特征，這便于以后的系統(tǒng)移植和升級?；谝陨蟽?yōu)點，VxWorks廣泛應用于航空、航天、醫(yī)療、通信、雷達和聲納等領域。

　　1 系統(tǒng)硬件設計與實現(xiàn)

　　本系統(tǒng)硬件基于6U的VME總線設計，由多個子模塊組成，包括A/D采樣板、信號處理板、定時接口板、嵌入式計算機VG4。

　　A/D采樣板作為前端采集雷達的回波信號。它采用AD10242，采樣率為32MHz，包含2個A/D變換器，可以對兩路模擬信號作模數(shù)變換，輸出2個12位的數(shù)據。由于采樣的數(shù)據率遠低于DSP的處理能力，所以通過大容量的FIFO對A/D采樣的數(shù)據緩存，再以DMA的方式發(fā)送給DSP處理。為了滿足要求，信號處理系統(tǒng)以流水的方式處理數(shù)據。通過鏈路口和總線使多片DSP進行數(shù)據傳輸，最后，由VG4顯示目標檢測結果。

　　VG4是SBS公司的一款專門針對工業(yè)控制設計的嵌入式計算機。VG4的處理器采用Motorola PowerPC 755，主頻400MHz，擁有64MB SDRAM，16MB Flash用來固化操作系統(tǒng)和應用程序，而且提供了豐富的接口。VxWorks操作系統(tǒng)及其應用程序在VG4上運行。由于目標機VG4的資源有限，程序的開發(fā)由主機的交叉開發(fā)平臺Tornado完成，通過串口和以太網下載目標代碼并調試。程序開發(fā)完成后可以固化在目標機VG4的Flash上，這樣系統(tǒng)每次啟動就從Flash加載程序。操作系統(tǒng)應用程序的開發(fā)主要采用C語言。系統(tǒng)的數(shù)據流如圖1所示。

　　1.1 定時接口板的設計

　　定時接口板對于整個系統(tǒng)實時穩(wěn)定的工作起了關鍵作用。它產生的定時脈沖信號控制著發(fā)射接收機、A/D采樣板、信號處理板和VG4。

　　定時接口板通過VME總線與VG4進行數(shù)據傳輸。VME總線是一種高性能的背板總線，由于采用高電流總線信號、嚴密的邏輯仲裁，所以具有極強的總線驅動能力及較長的信號線傳輸路徑，可支持21個VME板卡的直接相連，信號可靠性非常高。VME總線由于其信號的高穩(wěn)定性、并行性和高可靠性，被廣泛應用于多DSP系統(tǒng)中。

　　接口板上的FPGA實現(xiàn)VME橋接功能，使雙口RAM連到VME總線和TS101的總線上，以進行數(shù)據傳輸。通過軟件操作VG4控制定時接口板啟動波駐起始脈沖串T0，在每個波駐起始脈沖產生的同時產生定時中斷脈沖，作為每幀定時信號組的時間基準。中斷信號通過VME總線中斷VG4，并作為其中斷請求信號。VG4響應定時中斷脈沖，向定時接口板傳送控制參數(shù)。定時接口板據此參數(shù)控制信處、AD、收發(fā)設備，并接收信處回傳的檢測結果，傳給VG4進行處理和顯示。數(shù)據是由外部中斷驅動的，所以能滿足實時性要求。定時接口板結構如圖2所示。

　　1.2 信號處理板的設計

　　雷達信號處理的實時性和連續(xù)性要求處理系統(tǒng)應具有較高的數(shù)據處理能力。本系統(tǒng)設計時采用多片DSP構成并行處理系統(tǒng)，以提高系統(tǒng)的數(shù)據處理能力。信號處理系統(tǒng)核心單元是美國Analog Devices Inc公司生產的ADSP-TS101，其峰值運算能力可達18億次/秒。它采用了改進的靜態(tài)超標量流水結構，可以構成各種不同的并行多處理器系統(tǒng)，較好地滿足了雷達信號處理的要求。

　　為了保證系統(tǒng)的數(shù)據吞吐能力，采用數(shù)據入口與出口分開的方法，系統(tǒng)中各DSP分別接收處理位于不同時間段的雷達回波信號。為了使各DSP協(xié)調工作，DSP間的通信必不可少。本系統(tǒng)采用共享總線的分布式結構，使得各DSP之間的通信有多種途徑。為了信號處理板的通用性和靈活性，設計由四片DSP組成的共享總線結構子板，各DSP間用鏈路口點對點環(huán)形相連，將各信號線通過PMC插槽引出，與母板通信。信號處理板結構如圖3所示。