PowerPC+FPGA視頻傳輸設備設計方法

夏寧 連錦波 何桃桃 何明雪

摘要：文章研究的場面監視雷達回波數據用于錄取終端的數據處理，通過對回波數據的處理，實現目標的識別、跟蹤、顯示等。該設計方法，實現場面監視雷達的視頻網絡化傳輸，將雷達數據傳輸至塔臺中心，并配合專用顯示軟件實現回波數據的展示，便于操縱人員觀察及數據的處理。

關鍵詞：場面監視雷達；PowerPC系統；可編程邏輯器件

中圖分類號：TN791；TP393.11? 文獻標志碼：A

0 引言

場面監視雷達主要用于監視機場飛機、車輛等運動物體的雷達、是保障機場在低能見度及視線遮擋情況下正常運行的基礎設施［1］。場面監視雷達一般安裝于機場塔臺，通過雷達天線發射的電磁波，其中，目標產生的二次反射被接收機接收后進行回波處理，從而發現目標。通常，場面監視雷達將回波信號發送至配備的錄取終端［2］，實現雷達回波的顯示、目標跟蹤、觀察等功能。

1 視頻傳輸設計工作流程

場面監視雷達視頻傳輸設計流程如圖1所示。前端雷達將方位信號（ACP＼ARP）、數據使能信號（data-en）、觸發脈沖信號（syn）、8 bit視頻信號以及同步時鐘信號接入到電平轉換電路，將差分LVDS信號轉換成TTL信號，TTL信號接入FPGA系統內部進行上述數據的重組。重組后的數據通過FPGA與PowerPC之間的傳輸總線傳輸至PowerPC后，進行數據的網絡化處理，將其送至錄取終端進行跟蹤、錄取、顯示處理。錄取終端將目標信息提供給機場高級地面活動引導控制系統，供機場交通管制使用［3］。

2 系統設計

2.1 FPGA數據包設計

為保護FPGA的IO口免受外部信號的不穩定而導致的損壞，將TERMA雷達輸出的雷達方位信號（ACP＼ARP）、數據使能信號，觸發脈沖信號以及視頻數據信號經過LVDS轉TTL芯片后接入FPGA的IO端口。使用電平變換芯片DS90LV032A，該芯片可實現4路cmos差分信號接收轉換為TTL電平，200 MHz轉換速率，各通道間偏差小于0.1 ns，可滿足要求。在實際工程應用中，雷達信號通過線纜傳輸至設備端可能存在干擾信號，為保障信號的有效處理，在接入FPGA內部后，需對數據使能信號、方位信號進行消除毛刺處理。消除干擾“毛刺信號”原理是將信號分別向后延遲一個時鐘節拍和兩個時鐘節拍，將延后的兩個信號與原始信號進行與操作，得到的信號作為后級數據包重組輸入信號。

數據包重組，實現方位信號、觸發信號、視頻信號的重組，便于將前端的流數據進行緩存處理后，寫入FPGA內部2個RAM空間，實現乒乓操作。流數據進行重組數據格式如下：數據使能（觸發）對應的數據格式，按照如下參數進行設計，信息單元標識、觸發信息單元長度、時戳、觸發長度、采樣頻率、方位碼位數、視頻位數、視頻起始單元、視頻信號數據個數以及N個視頻信號數據。其中，信息單元標識為每一個數據使能（觸發）數據開始標志（02A4）表示，觸發信息單元長度表示該數據使能包含的所有信息的長度（字節表示），時戳表示該數據觸發數據獲取的時間，精度0.1 ms；觸發長度通過內部時鐘計算出該數據使能（觸發）信號的時間信息，單位μs，方位碼表示該acp/arp表示360°分成4 096或8 192個方位，即12位或13位。視頻位數表示每一個數據是bit數據，視頻起始單元表示后面的視頻信號數據第一個數據的起點位置，視頻信號數據個數表示后續的視頻信號數據的個數；視頻信號數據表示采集的視頻數據。

一個網絡包設計為不大于64 kB，故一個網絡包可以包含多個觸發數據格式。其網絡包數據格式如下：網絡包長度、目的地址、源地址、網絡包種含觸發個數N、網絡包順序、觸發數據格式1、觸發數據格式2……觸發數據格式N。

上述設計的一種網絡數據包格式，為便于UDP數據包最優效率，網絡包大小不大于64 kB。在FPGA接收外部數據按照網絡包格式存儲在內部2個64 KBRAM存儲器中，并通過實時存儲器地址，判斷剩余空間是否滿足下一觸發數據存儲。當64 kB剩余空間不足以存儲下一個觸發數據時，結束該網絡包的觸發數據寫入，并將網網絡包中的網絡包長度，目的地址、源地址以及網絡包中觸發個數和該網絡包的包序。根據上述設計，FPGA內部的邏輯設計狀態機如圖2所示。

（1）idel狀態：每個數據使能或觸發的使能開始狀態，保存觸發或數據參數信息至寄存器，如視頻采樣位數、視頻個數、觸發長度、觸發個數等。

（2）S0狀態：寫入按照順序地址保存的參數信息，當寫入的觸發個數滿足數據包封包大小，狀態跳轉至S1，否則狀態跳轉至S2，進行內部存儲器空間容量判斷與地址處理。

（3）S1狀態：當s1寫入數據滿足封包大小，寫入數據包的頭部網絡參數，內容如表2所示，封包結束跳轉至狀態S2進行內部存儲器空間容量判斷與地址處理。

（4）S2狀態：獲取當前觸發的IDEL狀態下的參數信息；判斷該數據封包是否滿足64 kB大小，如不滿足進行地址遞增，用于后續雷達數據寫入。

（5）S3狀態：進行數據記錄處理，并統計記錄數據個數信息、地址信息，用于S0狀態參數寫入以及回寫地址計算。

2.2 數據包通信設計

數據包設計后，通過內部的SRAM存儲空間進行數據的存儲，當64 KB的存儲空間滿足條件后需將其發送至PowerPC系統。FPGA與PowerPC之間通過本地局部總線進行數據傳輸，同時通過該總線PowerPC可對FPGA內部的功能模塊進行控制。FPGA主要設計軟件版本寄存器、復位寄存器、模擬測試寄存器、數據包源地址＼目的地址寄存器、雷達信號故障告警等。本地局部總線包含讀信號、寫信號、片選信號、方向控制信號、時鐘信號等。經測試局部總線帶寬20MB/s，滿足雷達視頻數據接入、輸出能力。寄存器控制及數據讀取控制模塊，如圖3所示。數據封包模塊，如圖4所示。該設計所消耗的資源，從中可以看出FPGA資源充分，滿足要求，如圖5所示。

2.3 PowerPC系統設計

PowerPC包含一顆主處理芯片MPC8377E［4］，該芯片接口豐富，含有2個RGMII/RMII/MII/RTBI接口，2個PCIE接口、2個SATA接口，1個32/64位DDR2控制器，32位加強型局部總線，最高頻率133 MHz，串口、IIC接口等。芯片主頻最高可達800 MHz，32 kB指令Cache，32 kB數據Cache，支持浮點運算。同時，主芯片具備低功耗特性，典型功耗為4 W。NorFlash，NandFlash掛載在局部總線eLBC上，NorFlash選用S29GL256P101系列，用于存儲uboot、內核、文件系統等固件；NandFlash選用K9F5608U0D系列，作為用戶存儲接口，用于存放業務程序，每次系統運行后將業務程序讀取至內存運行。4片DDR2內存顆粒，位寬為16，容量為1GB，內存總容量為512 MB。MPC8377E通過RGMII接口與網絡PHY芯片88E1111進行網絡通信；同時，CPU自帶GPIO、串口等低速接口用于狀態指示與調試。

PowerPC系統通過本地eLBC總線實現與FPGA系統數據通信，PowerPC系統將FPGA的打包數據讀取至系統內存，并通過網絡接口發送至遠端的錄取終端。系統采用雙網口冗余設計，當某一網絡發生故障時，可通過另一網絡進行數據傳輸，切實有效保障設備的穩定可靠運行。

局部總線讀寫數據時序，如圖6所示。因數據線和地址線為復用，通過LALE進行地址鎖存，即LALE高有效，LAD輸出數據為地址數據，對應FPGA邏輯控制模塊中ppcaddr地址，LBCTL作為LAD總線的方向控制信號，高低代表讀和寫，故使用LBCTL作為讀寫控制型號。

3 設備實裝效果

該設備已配備在南京祿口機場，鄭州機場、浦東機場、蕭山機場、廈門機場等塔臺控制系統中。祿口機場通過該設備傳輸的視頻與機場地圖疊加顯示。

4 結語

本文設計的設備已廣泛應用在機場雷達的視頻傳輸系統中。在實際使用中，遇到部分機場網絡條件有限，不能實現現有網絡化視頻的傳輸，在設備的PowerPC系統中加入lz4壓縮算法，極大地減少網絡數據量，降低網絡帶寬占用，提升設備的適應能力。同時，該設備的設計思想已成功應用在其他傳感器視頻傳輸領域。

參考文獻

［1］張睿，孔金鳳．機場場面監視技術的比較及發展［J］．中國西部科技，2010（1）：34-35，52.

［2］趙海波，董昀．場面監視雷達系統在浦東國際機場的應用［J］．中國民用航空，1999（2）：48-50.

［3］嵇亮亮，郝延剛，葉玲，等．雜波圖在場面監視雷達錄取終端中的應用［J］．江蘇科技信息，2015（19）：57-58.

［4］孫東亞，張亞棣，李亞輝，等.一種PowerPC和FPGA結構的遠程接口單元設計方法［J］．航空計算技術，2015（2）：118-121.

（編輯 姚 鑫）

PowerPC + FPGA video transmission equipment design method

Xia? Ning， Lian? Jinbo， He? Taotao， He? Mingxue

（Nanjing Rice Electronic Equipment Co.， Ltd.， Nanjing 210007， China）

Abstract：? The surface surveillance radar echo data studied in this article is used for data processing in the acquisition terminal. By processing the echo data， target recognition， tracking， display， etc. are achieved. This design method achieves video network transmission of surface surveillance radar， transmits radar data to the center of the tower， and cooperates with dedicated display software to display echo data， facilitating observation and data processing by operators.

Key words： scene surveillance radar; PowerPC system; programmable logic device