《電子技術應用》
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相控陣雷達天線陣面記錄回放系統(tǒng)
2014年電子技術應用第9期
叩 煉，張晉寧，沈 輝
南京電子技術研究所，江蘇 南京210036
摘要： 相控陣雷達廣泛應用，其天線陣面對記錄回放系統(tǒng)的數據速率要求提升。針對兩種傳統(tǒng)記錄回放系統(tǒng)架構的不足，結合其優(yōu)點，設計并實現了一種新型的基于FPGA的記錄回放系統(tǒng)。該系統(tǒng)設計為板卡的形式，FPGA實現對硬盤的讀寫操作，采用自定義的文件系統(tǒng)對數據進行管理。經過測試，系統(tǒng)記錄速度可以達到292 MB/s, 回放速率為340 MB/s。實驗結果表明，該記錄回放系統(tǒng)性能穩(wěn)定，通用性好，存儲速率滿足要求。
中圖分類號： TP399
文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2014)09-0072-03
Phased array radar antenna array recording system
Kou Lian，Zhang Jinning，Shen Hui
Nanjing Research Institute of Electronics Technology，Nanjing 210036，China
Abstract： As the phased array radar has been widely applied, the recording and loading system should achieve a higher data speed. For the shortage and limitation of traditional recording and loading system, a new design of the system based on FPGA has been proposed and implemented combining its advantage. This system is designed in card. Besides, FPGA is used to control the data storage and loading. Then, the data is managed by a custom file system. The speeds of data recording and loading reach 292 MB/s and 340 MB/s dividedly. Experimental result shows that the new recording and loading system works well and achieves generality.
Key words : phased array radar；recording system；FPGA；SATA；custom file system

    相控陣雷達是一種多功能、高性能的雷達，具有多功能、多目標、遠距離、高數據率、高可靠性及自適應能力強等優(yōu)點[1]。隨著計算機和集成電路等相關技術的發(fā)展，相控陣雷達在地基、?；⒖栈约疤旎玫搅藦V泛的應用。隨之而來的是，數據記錄的速率和容量也需要相應提升。

    而近年來存儲技術發(fā)展得很快，自2001年SATA1.0標準提出，如今SATA接口協(xié)議第三代已經達到了6.0 Gb/s[2]。新一代的SSD(Solid State Disk）基于Nand Flash存儲技術提供了超過了200 MB/s傳輸帶寬以及更低的功耗[3]。這些都為相控陣雷達的數據高速大容量存儲提供了支持。本文針對傳統(tǒng)記錄回放系統(tǒng)的兩種架構，設計并實現了一種通用的記錄回放系統(tǒng)，由FPGA控制SATA IP核實現相控陣雷達天線陣面數據的高速存儲。

1 問題的提出

    傳統(tǒng)典型的高速數據記錄回放系統(tǒng)一般采用兩種架構，即PCIE總線和自定義Flash存儲陣列架構。PCIE總線架構框圖如圖1所示。

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    CPU模塊通過PCIE總線接收采集模塊的數據放入內存，然后再經由PCIE總線將內存中的數據送給RAID控制模塊，完成一次記錄操作。在操作過程中，數據流兩次經過內存，采集模塊和RAID控制模塊共享PCIE總線，兩個模塊分時通過PCIE總線傳輸數據。這種架構的記錄回放系統(tǒng)有以下缺陷：(1)PCIE對于系統(tǒng)來說，只用到了50%效率；(2)系統(tǒng)記錄回放速度受限于PCIE總線的傳輸速度。

    自定義Flash存儲陣列架構框圖如圖2所示。該系統(tǒng)為一個獨立模塊，把Flash芯片分成多個組，通過擴展Flash的位寬、深度提高記錄速度和存儲容量。FPGA將數據通過Flash的數據線、地址線存到Flash陣列里。這種架構的記錄回放系統(tǒng)有以下缺陷：(1)存儲接口不是基于標準的傳輸存儲協(xié)議，而且受限于Flash芯片類型，使得系統(tǒng)的通用性與擴展性受限；(2)一般自定義接口規(guī)范用于滿足某種特定雷達的指標，一旦指標發(fā)生變化，或者不能滿足雷達系統(tǒng)性能提升的要求，硬件就需要重新設計，造成一定的資源浪費。

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2 問題的解決思路

    根據以上的對比，可以將兩者優(yōu)點結合起來，提出一種新的記錄回放系統(tǒng)結構。最直接的方式就是在自定義Flash存儲陣列系統(tǒng)中，選用標準的存儲協(xié)議接口代替自定義接口。目前，主流的存儲協(xié)議有IDE、SCSI、SATA等。IDE和SCSI屬于并行接口，在高速的數據傳輸存儲中，并行傳輸的碼間串擾等問題會使誤碼率大大提高，而串行接口協(xié)議就很好地解決了這些問題，該協(xié)議已經相對成熟；SATA二代支持3 Gb/s的傳輸帶寬，并且其結構簡單，易于開發(fā)[2]。圖3為SATA陣列記錄回放系統(tǒng)框圖。

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    本設計中，在FPGA內部實現SATA硬盤的讀寫操作。為了提高記錄回放速度，在FPGA里還實現了RAID0功能，對多個硬盤并行讀寫。系統(tǒng)的存儲容量和記錄速度可根據配置硬盤的數量靈活調整，大大增強了通用性和可擴展性。

3 實現

    FPGA內部的SATA硬盤控制設計是記錄回放系統(tǒng)的核心。系統(tǒng)選用Xilinx公司的Viretx-5的FPGA芯片，芯片型號為XC5VSX50T。芯片內部集成的GTP可以滿足SATA2.0協(xié)議中要求的3.0 Gb/s的數據傳輸速率。本系統(tǒng)實現了兩路SATA硬盤的并行讀寫，下面對該設計進行詳細闡述。

3.1 SATA硬盤控制

    使用SATA IP核實現硬盤的讀寫操作。IP符合SATA協(xié)議要求，采用3層設計，即物理層、鏈路層和傳輸層。應用層邏輯開發(fā)基于傳輸層。傳輸層包含兩個接口，控制接口和數據接口?？刂平涌趯崿F對IP內部的寄存器操作；數據接口采用FIFO技術，為用戶提供讀寫數據通道。應用層對IP核的寄存器進行控制，實現對硬盤的DMA數據傳輸，表1列出了寄存器的詳細信息。

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    系統(tǒng)采用DMA傳輸對硬盤進行數據讀寫。圖4給出了應用層中一次DMA操作的流程圖。圖5和圖6分別為在DMA操作過程中寄存器讀寫和數據傳輸時序圖。

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3.2 RAID0控制

    為了提高記錄回放速度，需要使用多個硬盤組成陣列。本系統(tǒng)在FPGA內部開發(fā)了兩個硬盤并行讀寫的RAID0控制功能模塊，設計原理如圖7所示。通過擴展位寬的方式實現兩個硬盤的同步讀寫。

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3.3 數據管理

    傳統(tǒng)的數據記錄回放系統(tǒng)直接以文件形式記錄數據，文件形式的數據可以在操作系統(tǒng)下方便靈活地訪問，但受到文件系統(tǒng)對文件的管理約束，記錄過程中的數據不一定連續(xù)存儲在硬盤的連續(xù)邏輯塊地址上[7]。在該記錄系統(tǒng)中，數據是順序存儲到硬盤中的，可以在一定程度上提高記錄系統(tǒng)的帶寬。因此采用了自定義的文件系統(tǒng)，將磁盤的存儲空間分為管理區(qū)、標識區(qū)和數據區(qū)。數據區(qū)存放實際的數據；管理區(qū)存放的是記錄的文件的信息，一般包括數據的存儲位置信息、長度信息及數據到文件的映射信息；標識區(qū)是標記磁盤的空間使用情況。圖8為自定義文件系統(tǒng)結構示意圖。

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    該記錄回放系統(tǒng)的數據管理可以分為三個步驟，首先要劃分好硬盤中管理區(qū)、標識區(qū)和數據區(qū)的容量，構建好文件系統(tǒng)的框架；然后把經過記錄的數據順序地存放在數據區(qū)；最后在一個文件記錄結束后，把文件的位置、大小、文件的標識符等相關信息添加到管理區(qū)和標識區(qū)。

    在每次記錄開始前要先遍歷管理區(qū)中的標識區(qū)，根據標識區(qū)的值來獲得記錄的起始地址。根據系統(tǒng)的設計，記錄的數據都是放在數據區(qū)的，如果標識區(qū)表明數據區(qū)為空，那這次記錄的起始地址就是數據區(qū)的起始地址，一般情況下是要緊接著上一個文件的結束地址來存儲。如果數據區(qū)被寫滿，會提示是否要清空磁盤的數據，包括數據區(qū)中存儲的數據和管理區(qū)中存儲的文件的相關信息。記錄時，數據被順序存放到數據區(qū)。記錄結束時，要將文件的信息寫到管理區(qū)相應的位置，當然管理區(qū)也是順序讀寫的，同時要更新標識區(qū)的標識，以便下次記錄時計算數據記錄的起始地址。

4 系統(tǒng)性能測試

    在對該記錄回放系統(tǒng)進行測試時，選用兩塊Intel 公司的固態(tài)硬盤作為存儲介質，型號為SSDSA2SH064G1GC，單盤標稱的讀速率為250 MB/s，寫速率為170 MB/s，容量為64 GB，在Xilinx ISE 14.6中的Chip Scope來觀察波形。在實際測試中，每個盤一次讀寫256個扇區(qū)，最后測得平均記錄速率為292 MB/s，回放速率為340 MB/s。同時經過數據比對，記錄回放的數據沒有出現錯誤。圖9和圖10分別為讀寫硬盤時的波形圖。

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    針對相控陣雷達天線陣面?zhèn)鹘y(tǒng)記錄回放系統(tǒng)的不足，實現了一種通用性好、集成度高的SATA陣列記錄回放系統(tǒng)。系統(tǒng)基于FPGA實現對SATA硬盤的讀寫，既滿足了對數據存儲速率帶寬的要求，而且不用重新繪制電路板，就可以應用在不同型號的雷達上。本系統(tǒng)實現了RAID0功能，兩個硬盤并行讀寫，平均記錄速率為292 MB/s，回放速率為340 MB/s。同時，采用自定義的文件管理系統(tǒng)，結構簡單，便于管理。為了實現更高的速率，可以在目前實現的兩路硬盤并行讀寫擴展為8路硬盤同時讀寫，這也是本文的下一步工作。

參考文獻

[1] 胡善清，劉峰，龍騰.相控陣雷達光纖傳輸系統(tǒng)的設計與實現[J].光通信技術，2006(5)：27-30.

[2] 唐純杰.SATA協(xié)議分析及其FPGA實現[D].長沙：湖南大學，2009. 

[3] 王超，劉偉，張德聰.基于SATA的嵌入式直接存儲系統(tǒng)[J].計算機工程，2012，38（12）：232-235.

[4] 王超，劉偉.基于文件系統(tǒng)的高速數據記錄系統(tǒng)[J].北京理工大學學報，2010，30（5）：543-547.

[5] 張樂峰，徐安林，胡衛(wèi)東.一種通用的雷達回波記錄系統(tǒng)設計方法[J].數據采集與處理，2009(24)：272-276.

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[7] 張昆帆.高速數據采集和存儲[J].現代雷達，2004，26(4)：14-16.

[8] 周雙喜.基于FPGA的高速數據記錄系統(tǒng)的研究[D].成都電子科技大學，2010.

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