基于WinPcap的船用雷達顯示系統的設計及實現

伍家香 潘 偉 李 洋

(電子科技大學 成都 610054)

0 引言

船用雷達是裝在船上用于船舶定位、避讓、狹水道導航的雷達設備。船用雷達顯示系統是雷達的重要組成部分，其主要任務包括:雷達原始數據處理及顯示、目標及其相關信息顯示、雷達狀態控制及人機交互等［1］。在其研制、驗證過程中，大量數據需要從采集卡傳輸到PC 機用于顯示、分析船用雷達系統性能。目前，主要的快速數據傳輸方法有:PCI采集卡、SATA 接口、USB 接口以及千兆以太網接口［2］。采用PCI總線方式，通用性好、設備量不大，能夠達到較高的采集速率，但需要將采集卡插在機箱內部，使用欠靈活。SATA 接口優點是能快速可靠的進行傳輸，但很多PC 機沒有引出SATA 接口，它和PCI總線方式一樣，使用欠靈活。USB 接口體積小且接口通用性好，但協議開銷很大，不適宜遠距離數據傳輸。千兆以太網接口優點是協議開銷小、傳輸距離長。為了保證傳輸通用性及可靠性，本系統采用千兆以太網來實現數據傳輸。采集卡數據通過以太網發送出來后，到達PC 機網卡，如何把數據從網卡取出用于顯示系統顯示成為本系統要解決的一個重要難題。在網絡應用技術中，網絡監聽技術可以抓取網絡上傳輸的數據包［3］。因此，本系統利用網絡監聽技術實現數據包的捕獲和存儲。

1 總體設計

由雷達接收機接收雷達回波信號，經轉換電路處理后，送入信號處理板進行處理，再傳輸到終端計算機進行顯示。如圖1所示，是基于PC 機的雷達顯示系統總體框圖，該系統總共有四個部分:雷達接收機、信號采集轉換電路、信號處理電路、終端計算機顯示部分。

在雷達工作時，雷達天線接收和發射的模擬信號，經過A/D 轉換進入信號處理板，再經過FPGA對雷達的原始信號進行處理，處理后的數據通過千兆以太網發送至PC 機，PC 機完成后期的雷達數據處理任務，將最終的目標方位、目標距離、目標速度以及目標航向等信息記錄并顯示，以便于人工觀測。同時接收鍵盤、鼠標等外設的控制信息，產生雷達控制指令實現對雷達的控制。

在PC 端，因所傳輸數據速率很高且具有較為固定的格式，所以不采用套接字服務(SOKET)，改為在WinPcap 驅動基礎上發送或接收自定義的數據包。該數據包格式繞過TCP 和IP 協議，對傳統的格式進行大量簡化，它只需設計數據物理層與鏈路層，極大地降低了FPGA 端協議解析的復雜度［4］。

1.1 WinPcap 簡介

WinPcap 是應用于Windows 平臺的一種可以實現數據包捕獲與網絡分析的體系結構。Windows 平臺的應用程序可以通過WinPcap 直接訪問網絡中的“原始”數據包，即沒有被網絡協議處理、操作系統使用過的數據包［5］。WinPcap 可以提供的功能有:捕獲原始數據包，即在共享網絡上各主機發送和接收的數據包;在網絡上發送自定義的數據包;在接收到數據包發送到應用程序之前按自定義規則過濾某些特殊的數據;收集網絡通信中的統計信息。由于具有上述功能，WinPcap 在網絡信息內容掃描、網絡安全工具、流量控制、通信安全日志記錄、網絡信息監控、協議分析及網絡技術等方面有著非常廣泛的應用。目前主流的數據包捕獲軟件如Sniffit 嗅探器、Ethereal、Windump 以及ARPSniffer 等都采用了WinPcap 技術。

由于WinPcap 獨立于主機協議來發送和接收原始數據包。它不能阻塞、過濾和控制其他應用程序數據包的發送與接收，僅僅只是監聽共享網絡上的數據包。因此利用WinPcap 驅動程序發出的數據包不含有TCP 頭和IP 頭，只含有MAC 地址及數據，簡化了FPGA 硬件上的數據幀格式解析。

1.2 自定義數據幀格式

所有類型的以太網都有統一的幀結構:前同步碼、幀首界定符、目的MAC 地址、源MAC 地址、類型/長度、數據和填充、幀校驗序列。采用WinPcap驅動編程，FPGA 端數據幀格式類似802.3 協議的以太網格式，但沒有TCP 頭和IP 頭等協議開銷，具體如表1所示。

表1 自定義數據幀格式

PC 端收發網口數據包時，前同步碼、幀首界定符、幀校驗由網卡自行處理。FPGA 端處理網口數據包，則要按表1 格式處理。

2 雷達顯示系統的實現

2.1 基于WinPcap 的數據收發過程

2.1.1 數據接收過程

雷達顯示系統的界面是在VC 環境下進行的。雷達接收機收到雷達信號，經過信號轉換電路處理后，經A/D 轉換送到采集板的FPGA 中，在FPGA 中經過信號預處理后通過網線發送到PC 機網卡。本系統一周雷達數據分為2048 個方位，每個方位768 個距離點。WinPcap 對數據鏈路層進行監聽，當有符合用戶要求的數據包到達時，WinPcap 接收數據包提交給用戶的應用程序，其接收數據流程如圖2所示。

圖2 WinPcap 捕獲數據包流程

首先是獲取連接的網絡設備列表。WinPcap 通過pcap_findalldevs()函數實現，獲取網絡設備信息后，再使用pcap_open()函數來打開選定的網絡設備，用戶可以根據實際要求設定限定條件捕獲符合要求的數據包。WinPcap 編譯并設置過濾規則，然后就可以對數據包進行捕獲，當捕獲動作結束后，需要釋放設備和關閉庫。

2.1.2 數據發送過程

發送流程如圖3所示，流程前兩步與接收數據包相同，第三步初始化數據包，用戶根據自己需要定義和封裝數據包。封裝完成后調pcap_sendpacket()函數將該數據發送出去，然后釋放網絡設備。FPGA 收到指令后對數據包進行解析，然后根據設定指令對雷達進行控制。

2.2 圖像顯示模塊及顯示界面設計

當應用程序收到雷達回波數據，由于回波數據量大并且圖像刷新頻率很高，采用Windows 的GDI繪圖往往達不到速度要求，而且會出現閃爍及丟幀現象［7］。因此采用直接對顯存進行操作的方法，本設計我們采用圖形硬件的軟件接口OpenGL 來完成雷達圖像實時顯示。

本系統不僅要顯示雷達圖像，同時還要對雷達圖像進行處理、對雷達狀態進行控制。考慮到實際航海雷達界面布局，我們將主窗口分為兩部分:圖像顯示區、圖像處理與控制區。圖像顯示區基于CView 類，顯示雷達原始視頻信號、目標船舶信息，以及方位線、刻度盤、距離環等輔助信息。圖像處理與控制區基于CFormView 類，實現對雷達圖像的顯示控制，慢累積、濾波，偏心、余輝顯示、雷達狀態控制等，如圖4、圖5、圖6所示。

圖3 WinPcap 發送數據包流程

圖4 船用雷達顯示系統界面

圖5 船用雷達原始回波圖

圖6 信號處理后船用雷達回波圖

2.3 關鍵技術

2.3.1 WinPcap 性能優化

提高基于WinPcap 的雷達顯示系統性能是充分發揮該系統功能的必要條件。從應用開發的角度考慮，系統結構設計、緩沖區的運用、多線程的運用、編程代碼的優化等都會一定程度上提高系統整體性能。本系統采用多線程設計，單獨開辟一個線程用于實時讀取網卡數據存入內存，主線程用于圖像顯示及人機交互。同時通過調整用戶級緩存來緩解應用程序讀取緩沖區的數據和網絡數據到來之間的速度差異。

2.3.2 坐標轉換

雷達回波信號為極坐標形式，顯示器顯示信號是通過直角坐標來顯示的。極坐標到直角坐標的轉換過程實際上是映射關系。直角坐標點數在固定大小平面內是固定的，而極坐標由于角度與半徑不同卻存在很大的差異，因此這種映射不能一一對應，于是就產生了漏點和重點［8］。本系統采用優化查表法來去除漏點和重點，其核心思想是一次尋址得到一個或多個直角坐標的值。同時查找表只記錄了0° ～45°極坐標到直角坐標的轉換，其他轉換通過映射、查表法和轉換處理完成，極大地縮減了查找表存儲空間。

3 結束語

本文重點研究了船用雷達顯示系統中采集卡和PC 機之間高速數據傳輸的實現，有效降低了船用雷達硬件成本。文中所設計的顯示系統選擇Windows 7 作為系統平臺，利用Visual Studio2010 進行開發，已經成功應用于某型船用雷達設備研發、測試。能夠實時、動態地顯示雷達探測范圍內的所有目標，系統穩定。

［1］劉玉和.高分辨率雷達顯控系統設計［D］.西安:西安電子科技大學，2011.

［2］田聰.雷達信號采集存儲與傳輸系統設計［D］.西安:西安電子科技大學，2012.

［3］王力超.基于Winpcap 和Visual C++的局域網監聽實驗［J］.實驗室研究與探索，2006，12:189-190.

［4］王勝杰，王建.基于千兆以太網的PC 機與FPGA 的高速數據傳輸［J］.信息技術，2011(8):156-158.

［5］呂雪峰，彭文波，宋澤宇.網絡分析技術揭秘原理、實踐與WinPcap 深入解析［M］.北京:機械工業出版社，2012.

［6］張偉，王韜，潘艷輝.基于WinPcap 的數據包捕獲及應用［J］.計算機工程與設計，2008，(7):1649-1651.

［7］張鑫.雷達圖像顯示處理［D］.大連:大連海事大學，2011.

［8］李宏波，李浩，張可.基于FPGA 的脈沖雷達成像研究與實現［J］.火控雷達技術，2011，40(3):61-64.