0 引言

    LFMCW(線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá))具有CW雷達(dá)發(fā)射功率小的特點，更兼有脈沖雷達(dá)測距的能力，廣泛應(yīng)用于導(dǎo)航、測量等領(lǐng)域^[1]?；?a class="innerlink" href="http://theprogrammingfactory.com/tags/多播" title="多播" target="_blank">多播機(jī)制對其組網(wǎng)，可以實現(xiàn)多臺雷達(dá)掃描終端與多臺顯示終端同步相連。顯示終端的主要功能包括控制雷達(dá)狀態(tài)和顯示雷達(dá)圖像兩個部分。采用多線程編程，可以讓不同的顯示終端有不同的功能，比如一部分顯示終端只具有顯示雷達(dá)圖像的功能，而另一部分顯示終端同時具有控制和顯示兩個功能（這部分顯示終端可以提供給管理員使用）。由于顯示單元是基于單播機(jī)制，為了提高顯示單元的可移植性，屏蔽雷達(dá)掃描單元和顯示單元通信接口的不同，可以用中間件負(fù)責(zé)兩部分的通信。

    DM3730是TI公司生產(chǎn)的雙核（ARM+DSP）架構(gòu)處理器。其低功耗、高性能、低價格的特點深受廣大嵌入式開發(fā)者的喜愛。顯示終端基于DM3730平臺，掃描單元發(fā)送的雷達(dá)數(shù)據(jù)是極坐標(biāo)表示，必須通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后才能在終端上正常顯示。由于坐標(biāo)轉(zhuǎn)換計算量過大，用ARM處理器實現(xiàn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換算法會大大增加系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，并且會產(chǎn)生嚴(yán)重的丟包現(xiàn)象。所以將算法實現(xiàn)交給DSP處理。實測發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過優(yōu)化后的ARM處理器CPU使用率大大降低，雷達(dá)數(shù)據(jù)處理過程中再無丟包現(xiàn)象。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 物理結(jié)構(gòu)

    如圖1所示，雷達(dá)掃描單元由雷達(dá)天線和FPGA組成。雷達(dá)天線負(fù)責(zé)采集雷達(dá)數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA負(fù)責(zé)AD采樣，并實現(xiàn)了海雜波抑制、雨雪抑制、海浪抑制等算法。FPGA通過網(wǎng)線將處理好的數(shù)據(jù)發(fā)送至ARM端，ARM端負(fù)責(zé)將接收到的雷達(dá)數(shù)據(jù)作坐標(biāo)轉(zhuǎn)換處理并顯示雷達(dá)圖像^[2]。另外，ARM端還負(fù)責(zé)控制雷達(dá)狀態(tài)。

1.2 系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)

    系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)如圖2所示。多播使用D類地址作為IP地址，應(yīng)用程序可以通過加入一個或者多個多播組，從而僅接收所在多播組的數(shù)據(jù)^[3]。多播組1～4分別代表雷達(dá)控制信息多播組、雷達(dá)數(shù)據(jù)多播組、雷達(dá)狀態(tài)反饋信息多播組、keepalive多播組。中間件與UI顯示單元的連接方式是單播機(jī)制。加入雷達(dá)控制信息多播組的成員可以發(fā)送控制指令給該多播組的雷達(dá)掃描單元，從而控制其狀態(tài)。加入雷達(dá)數(shù)據(jù)多播組的成員可以接收到FPGA處理好的雷達(dá)數(shù)據(jù)。加入雷達(dá)反饋信息多播組的成員可以接收到雷達(dá)自身狀態(tài)的反饋信息，比如當(dāng)前量程、增益等^[4]。反饋系統(tǒng)是為了增強(qiáng)雷達(dá)顯示系統(tǒng)的實時性和健壯性。Keepalive多播組比較特殊，雷達(dá)掃描單元會定期檢查該多播組有無keepalive指令，如果10 s內(nèi)沒有收到該指令，則自動關(guān)機(jī)。所以，中間件必須加入該多播組并不斷發(fā)送keepalive指令才能保證雷達(dá)持續(xù)工作。GPS傳感器和AIS傳感器將采集和處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送至串口，中間件從串口搜集這些數(shù)據(jù)，解析打包后通過socket發(fā)送至UI?？梢?，中間件可以選擇加入這幾個多播組的一個或者全部，從而擁有不同的功能組合。在這種邏輯結(jié)構(gòu)下，中間件使得UI顯示單元抽象了所有的數(shù)據(jù)來源，它只負(fù)責(zé)接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)、顯示圖像以及響應(yīng)鼠標(biāo)鍵盤事件。

2 中間件功能設(shè)計與實現(xiàn)

    中間件是連接兩個獨立應(yīng)用程序的橋梁。兩個或多個具有不同通信接口的應(yīng)用程序通過中間件依然可以正常通信。所以，中間件能屏蔽不同的接口，幫助用戶靈活、高效地開發(fā)應(yīng)用程序，并大大提高應(yīng)用程序的可移植性^[5]，這在嵌入式應(yīng)用中意義重大。

    基于以上分析，本中間件軟件主要實現(xiàn)5個功能：(1)控制雷達(dá)狀態(tài)；(2)接收處理雷達(dá)掃描數(shù)據(jù)；(3)接收處理雷達(dá)反饋信息；(4)發(fā)送keepalive指令；(5)提供其他功能接口，如GPS和AIS。采用多線程編程來實現(xiàn)這些功能。下面重點介紹雷達(dá)狀態(tài)控制和雷達(dá)數(shù)據(jù)接收處理的實現(xiàn)流程。

2.1 雷達(dá)狀態(tài)控制

    雷達(dá)控制流程如圖3所示。協(xié)議1是UI顯示單元和中間件控制命令協(xié)議，協(xié)議2是中間件與掃描單元控制命令協(xié)議。

    ARM端可以將雷達(dá)掃描單元視為一個通過網(wǎng)絡(luò)控制的移位寄存器組，通過設(shè)置這些寄存器就可以改變雷達(dá)的狀態(tài)。

    雷達(dá)控制命令包括開關(guān)機(jī)、增益調(diào)節(jié)、量程調(diào)節(jié)、海雜波抑制調(diào)節(jié)、雨雪抑制調(diào)節(jié)、掃描單元轉(zhuǎn)速等。UI顯示單元通過響應(yīng)鼠標(biāo)或觸摸屏事件發(fā)送命令給中間件；中間件解析并根據(jù)協(xié)議2重新合成報文發(fā)送至多播組1；掃描單元接收并解析多播組的命令，設(shè)置移位寄存器，從而改變雷達(dá)運行狀態(tài)。

2.2 數(shù)據(jù)接收處理流程

數(shù)據(jù)處理流程如圖4所示。其中，協(xié)議3為雷達(dá)與中間件的數(shù)據(jù)協(xié)議，協(xié)議4為中間件與UI顯示單元的數(shù)據(jù)協(xié)議。雷達(dá)掃描原始數(shù)據(jù)預(yù)先已經(jīng)經(jīng)過FPGA處理，這里的雷達(dá)數(shù)據(jù)是極坐標(biāo)雷達(dá)掃描線數(shù)字信號。中間件通過加入多播組2從而接收到完整的掃描數(shù)據(jù)。由于UI顯示直角坐標(biāo)數(shù)據(jù)較為通用和方便，所以中間件一個重要功能是坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

2.3 數(shù)據(jù)處理過程中單核ARM性能的不足

    如圖5所示是FPGA發(fā)送至ARM端的雷達(dá)數(shù)據(jù)格式，ns代表線號，a代表掃描線角度。每包雷達(dá)數(shù)據(jù)由32條掃描線構(gòu)成，每條線536 bit，每包數(shù)據(jù)17 160 bit，雷達(dá)掃描單元轉(zhuǎn)速V為2.4 s/rad，每一圈數(shù)據(jù)包含64個包。所以，必須在37 ms內(nèi)處理完一個數(shù)據(jù)包，否則將產(chǎn)生丟包現(xiàn)象。實測發(fā)現(xiàn)，ARM處理每包的時間是100 ms左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)未達(dá)到要求，并且中間件CPU占有率高達(dá)40%，進(jìn)行雷達(dá)控制操作時甚至出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象。為了解決丟包問題和降低中間件CPU占有率，將坐標(biāo)轉(zhuǎn)換算法實現(xiàn)交給DPS處理是一個非常好的選擇。

3 算法移植

    DM3730微處理器由1 GHz的ARM Cortex-A8 Core和800 MHz的TMS320C64x+ DSP Core兩部分組成，并提供了一整套完整的開發(fā)套件。

3.1 內(nèi)存劃分

    如圖6所示，將物理內(nèi)存的前120 MB劃分給ARM處理器用于Linux操作系統(tǒng)；CMEM是ARM和DSP用于數(shù)據(jù)通信的內(nèi)存區(qū)域，大小為10 MB；Dsplink是用于ARM與DSP底層通信的區(qū)域，大小為1 MB；Heaps是DSP運行算法時的堆。ARM處理器和DSP處理器共享256 MB內(nèi)存，ARM端運行Linux操作系統(tǒng)，DSP端運行實時操作系統(tǒng)。ARM端把這段內(nèi)存通過MMU映射成虛擬內(nèi)存，而DPS端直接使用物理地址。由于Linux的內(nèi)存管理機(jī)制，程序員只能通過malloc()函數(shù)來為應(yīng)用程序分配內(nèi)存。程序員不僅不能控制這段內(nèi)存在物理內(nèi)存上的位置，甚至不知道這些被分成4 KB每頁的內(nèi)存是否是物理連續(xù)的^[6]。相反，DPS端的實時操作系統(tǒng)可以直接操作物理地址。所以，為了使ARM進(jìn)程（應(yīng)用控制）和DSP（算法加速）的內(nèi)存共享，必須從DDR3嚴(yán)格劃分出一塊內(nèi)存供其共享。這塊內(nèi)存的大小是可以指定并且是物理連續(xù)的，這段內(nèi)存不會被Linux系統(tǒng)直接管理，通過指定的方法，ARM端應(yīng)用程序可以訪問這段內(nèi)存。

    TI公司的DVSDK開發(fā)套件提供模塊cmemk.ko為ARM和DSP通信提供連續(xù)的內(nèi)存。

3.2 實現(xiàn)流程

    如圖7所示是ARM+DSP雙核工作原理，ARM端將DSP視為一個標(biāo)準(zhǔn)API接口，可以直接調(diào)用DSP處理數(shù)據(jù)，DSP負(fù)責(zé)實際的算法實現(xiàn)。實現(xiàn)步驟分為以下4步：

    (1)完成Codec庫的開發(fā)。將坐標(biāo)轉(zhuǎn)換算法按照xDM標(biāo)準(zhǔn)封裝成Codec庫。

    (2)將Codec庫集成到Codec Engine中，使用gmake命令生成擴(kuò)展名為*.X64P的庫，此庫即為DSP被調(diào)用時直接加載運行的算法庫。

    (3)調(diào)用gmake生成和*.X64P相對應(yīng)的*.so庫，在中間件程序中動態(tài)加載該庫即可調(diào)用DSP進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

    (4)編譯和加載CMEM模塊和Dsplink模塊，完成物理內(nèi)存劃分。

4 實驗與測試

    實驗效果圖如圖8、圖9所示，圖8(a)和8(b)分別為不調(diào)用DSP核和調(diào)用DSP核的雷達(dá)顯示圖像，可以看出調(diào)用DSP核時解決了丟包現(xiàn)象，雷達(dá)圖像左下再無空數(shù)據(jù)。圖9(a)和9(b)分別為不調(diào)用DSP核和調(diào)用DSP核時的CPU占有率，rd_demeon即為中間件軟件?？梢钥闯觯徽{(diào)用DSP核時中間件的CPU占有率高達(dá)近40%，而調(diào)用DSP核后將中間件的CPU占有率降低到20%，節(jié)約了寶貴的CPU資源。

5 結(jié)論

    本文通過設(shè)計和實現(xiàn)一個中間件軟件，屏蔽了基于多播機(jī)制的雷達(dá)掃描單元和基于單播機(jī)制的雷達(dá)顯示單元通信接口的不同，實現(xiàn)了多個掃描單元和多個顯示單元同步相連，并可以通過裁剪中間件軟件功能，讓不同的顯示單元有不同的功能。ARM端通過標(biāo)準(zhǔn)的API接口調(diào)用DSP核處理數(shù)據(jù)，不僅解決了單核ARM處理器處理數(shù)據(jù)時性能不足而產(chǎn)生的丟包現(xiàn)象，而且節(jié)約了寶貴的CPU資源，解決了由于硬件資源的限制而產(chǎn)生的頓卡現(xiàn)象。測試結(jié)果表明，加入中間件后雷達(dá)顯示系統(tǒng)運行效果良好，達(dá)到了預(yù)期的效果。

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