嵌入式操作系統在高速實時信號處理系統中的應用

　　現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。因此有必要發展一種可重構和可擴展的通用信號處理系統，能將信號處理機多功能化、模塊化、標準化和通用化。將嵌入式操作系統與高速實時信號處理機結合，可以很好地實現這些要求。在雷達火控系統中，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，實現起來不僅復雜而且不便于系統的模塊化和標準化。因此，采用實時操作系統VxWorks實現雷達系統的控制和顯示功能。VxWorks是一種類UNIX的高性能嵌入式實時操作系統，其中斷響應速度是微秒級的。它是專門為實時嵌入式系統開發的操作系統，提供了高效的實時任務調度、中斷管理、實時系統資源及實時任務通信。VxWorks可以為各種CPU硬件平臺提供統一的接口和一致的運行特征，這便于以后的系統移植和升級。基于以上優點，VxWorks廣泛應用于航空、航天、醫療、通信、雷達和聲納等領域。

　　1 系統硬件設計與實現

　　本系統硬件基于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變換，輸出2個12位的數據。由于采樣的數據率遠低于DSP的處理能力，所以通過大容量的FIFO對A/D采樣的數據緩存，再以DMA的方式發送給DSP處理。為了滿足要求，信號處理系統以流水的方式處理數據。通過鏈路口和總線使多片DSP進行數據傳輸，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用來固化操作系統和應用程序，而且提供了豐富的接口。VxWorks操作系統及其應用程序在VG4上運行。由于目標機VG4的資源有限，程序的開發由主機的交叉開發平臺Tornado完成，通過串口和以太網下載目標代碼并調試。程序開發完成后可以固化在目標機VG4的Flash上，這樣系統每次啟動就從Flash加載程序。操作系統應用程序的開發主要采用C語言。系統的數據流如圖1所示。

　　1.1 定時接口板的設計

　　定時接口板對于整個系統實時穩定的工作起了關鍵作用。它產生的定時脈沖信號控制著發射接收機、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定性、并行性和高可靠性，被廣泛應用于多DSP系統中。

　　接口板上的FPGA實現VME橋接功能，使雙口RAM連到VME總線和TS101的總線上，以進行數據傳輸。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。定時接口板據此參數控制信處、AD、收發設備，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性要求處理系統應具有較高的數據處理能力。本系統設計時采用多片DSP構成并行處理系統，以提高系統的數據處理能力。信號處理系統核心單元是美國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超標量流水結構，可以構成各種不同的并行多處理器系統，較好地滿足了雷達信號處理的要求。

　　為了保證系統的數據吞吐能力，采用數據入口與出口分開的方法，系統中各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協調工作，DSP間的通信必不可少。本系統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。