基于雷達(dá)組網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：針對雷達(dá)組網(wǎng)系統(tǒng)對遠(yuǎn)端雷達(dá)站監(jiān)控的需要，提出了一種雷達(dá)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方法。采用高性能TMS320DM642處理器作為系統(tǒng)硬件平臺，應(yīng)用其高速處理性能和片上集成外設(shè)端口功能，實現(xiàn)對雷達(dá)狀態(tài)視頻信號采集及數(shù)據(jù)壓縮處哩，利用其IP端口完成遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。該系統(tǒng)嵌入遠(yuǎn)端雷達(dá)站，以視頻方式收集雷達(dá)工作狀態(tài)信息并上傳；雷達(dá)組網(wǎng)系統(tǒng)接收并顯示各雷達(dá)視頻信息，實現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控。
關(guān)鍵詞：雷達(dá)；TMS320DM642；遠(yuǎn)程監(jiān)控；IP通信

    雷達(dá)組網(wǎng)是將不同頻段、不同體制、不同功能的多部雷達(dá)進(jìn)行優(yōu)化布站綜合使用，充分發(fā)揮各單站雷達(dá)功能，達(dá)到監(jiān)測空間擴(kuò)展和情報信息融合與共享等目的。近年來雷達(dá)組網(wǎng)技術(shù)在氣象預(yù)報、航空航天、國防等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，隨著組網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的雷達(dá)站數(shù)量不斷增加，設(shè)備的分布區(qū)域隨之迅速拓展，各雷達(dá)站提供的數(shù)據(jù)和信息，越來越難以滿足發(fā)展的需要了。雷達(dá)組網(wǎng)系統(tǒng)管理需要了解更詳細(xì)的雷達(dá)工作狀態(tài)信息，另外在多源信息融合處理等方面，各雷達(dá)工作的細(xì)節(jié)情況越來越被重視。本設(shè)計旨在組網(wǎng)系統(tǒng)的各類雷達(dá)內(nèi)部嵌入遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，通過視頻方式收集雷達(dá)工作狀態(tài)信息，將包含雷達(dá)信息的視頻信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，壓縮處理后通過IP網(wǎng)絡(luò)上傳；雷達(dá)組網(wǎng)系統(tǒng)監(jiān)控中心復(fù)原并顯示各雷達(dá)現(xiàn)場視頻信息，隨時掌握所有雷達(dá)的當(dāng)前運行情況，對遠(yuǎn)端雷達(dá)實行有效的管理。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計
    雷達(dá)組網(wǎng)系統(tǒng)監(jiān)控中心既要了解遠(yuǎn)端雷達(dá)工作狀態(tài)，也要掌握雷達(dá)設(shè)備外部周邊情況。每部雷達(dá)狀態(tài)信息在其系統(tǒng)控制臺和伺服控制臺都有集中顯示，因此可直接從控制臺獲取雷達(dá)狀態(tài)視頻信息，而雷達(dá)外部周邊情況只有通過攝像方式獲取。采用視頻方法收集雷達(dá)現(xiàn)場工作信息，在信息采集過程不會對設(shè)備產(chǎn)生任何影響，獲取內(nèi)容豐富且方法簡捷高效；同時也便于監(jiān)控中心信息復(fù)原處理，可達(dá)到狀態(tài)信息顯示的一致。盡管各部雷達(dá)在體制及用途等方面有所不相同，但監(jiān)控中心對其監(jiān)管基本相同，因此設(shè)計是以不影響現(xiàn)有雷達(dá)功能為前提，滿足任何種類的雷達(dá)安裝使用。系統(tǒng)首先將雷達(dá)內(nèi)部信息和外部情況轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)模擬視頻信號，然后把包含雷達(dá)狀態(tài)信息的模擬視頻信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字視頻信號，最后將數(shù)字視頻信號壓縮處理并通過網(wǎng)絡(luò)上傳到監(jiān)控中心。
1．1 DSP平臺的選擇
    由于系統(tǒng)采集的視頻數(shù)據(jù)量較大，同時需要對其進(jìn)行實時處理，且還要完成數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸，因此選擇能夠滿足系統(tǒng)要求的、速度快、功能強(qiáng)大的數(shù)字信號處理器是十分重要的。TMS320DM642是TI推出的一款面向數(shù)字多媒體應(yīng)用的32位定點高性能DSP，有3種時鐘頻率可選，最高處理速度達(dá)720 MIPS；它是在TI的C64xDSP內(nèi)核的基礎(chǔ)上，集成了完備的視頻／音頻的輸入／輸出接口、以太網(wǎng)接口、PCI-66總線等片上外設(shè)。該處理核為VelociTI．2結(jié)構(gòu)，采用高級的超長指令字(VLIW)結(jié)構(gòu)和多級流水線機(jī)制，8個獨立高速處理單元，使得在一個指令周期能夠并行處理8條32位的指令。應(yīng)用該DSP處理器不僅會極大地提高視頻圖像處理的速度，而且使算法的選擇更為靈活和多樣化。
    TMS320DM642處理器有利于系統(tǒng)構(gòu)成五個主要特點：超長指令字VelociTI．2體系結(jié)構(gòu)、增強(qiáng)的并行處理機(jī)制及二級緩存結(jié)構(gòu)，保障數(shù)據(jù)處理運行高效率；3個可編程視頻端口，可與視頻編解碼芯片無縫連接，簡化接口設(shè)計且增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性；外部存儲器接口64位EMIF可與SDRAM，SB-SRAM和SRAM等同步／異步存儲器的直接連接，便于存儲空間的擴(kuò)展和大量數(shù)據(jù)的存??；集成10 Mb／s／100 Mb／s自適應(yīng)模式以太網(wǎng)接口，可為系統(tǒng)構(gòu)建一條100 Mb／s的高速以太網(wǎng)接口；提供了多通道DMA／EDMA控制器和通用GPIO輸入／輸出端口等，便于系統(tǒng)管理與控制。
1．2 系統(tǒng)組成
    遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)由DSP處理器、攝像機(jī)、信號轉(zhuǎn)換器、視頻解碼器、CPLD控制器、圖像存儲器SDRAM、程序存儲器FLASH、網(wǎng)絡(luò)傳輸接口等部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    每部雷達(dá)至少需要向監(jiān)控中心提供4路視頻信息，才能較全面反映雷達(dá)現(xiàn)場工作情況。系統(tǒng)利用視頻采集的方式收集雷達(dá)工作狀態(tài)信息，視頻信息主要包括雷達(dá)系統(tǒng)內(nèi)部信息和工作環(huán)境外部情況。設(shè)備內(nèi)部信息由2路信號轉(zhuǎn)換器從雷達(dá)系統(tǒng)監(jiān)控臺和伺服控制臺的顯示設(shè)備上錄??；設(shè)備外部情況由安裝在雷達(dá)站的2路攝像機(jī)直接攝取，主要是人員操作與設(shè)備周邊等情況。由于DSP不能直接處理模擬視頻信號，必須將采集的模擬視頻信號轉(zhuǎn)換成為符合ITU-R BT．656標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字信號，4片TVP5150高性能視頻解碼器承擔(dān)模擬視頻信號的數(shù)字轉(zhuǎn)換處理工作。
    TMS320DM642主頻配置為600 MHz，處理能力為4 800 MIPS，滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理需要。為了滿足數(shù)據(jù)處理要求，通過EMIFA在CE0空間外擴(kuò)2片SDRAM存儲器，系統(tǒng)的存儲空間擴(kuò)展為32 MB。同時通過EMIFA在CE1空間外擴(kuò)展了一片4MB FLASH作為程序存儲器，當(dāng)系統(tǒng)上電或復(fù)位啟動時，自動從程序存儲器上加載程序代碼。應(yīng)用片內(nèi)部的以太網(wǎng)控制器外設(shè)使用外擴(kuò)物理層器件，構(gòu)建一條100Mb／s的高速以太網(wǎng)接口。采用CPLD搭建系統(tǒng)控制電路，避免了復(fù)雜的硬件設(shè)計，集中管理系統(tǒng)內(nèi)的控制信號，主要包括總線控制、地址譯碼、同步控制信號、使能及中斷信號等。
1．3 主要工作流程
    系統(tǒng)上電后，首先初始化DSP處理器，然后初始化PLL、GPIO、相關(guān)中斷寄存器、設(shè)置視頻端口及視頻解碼器，等待中斷信號。4路現(xiàn)場采集的PAL制式視頻信號，經(jīng)過對應(yīng)的視頻解碼器TVP5150處理，轉(zhuǎn)換成8 b的ITUBT．656格式的數(shù)字視頻信號，相應(yīng)的行、場同步等同步信息打包成內(nèi)嵌同步頭信號，一起送入DSP對應(yīng)的視頻VP接口。各路模擬視頻信號經(jīng)過解碼器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后，傳送到DSP的數(shù)字視頻接口VP，通知DSP讀取的一幀內(nèi)的圖像數(shù)據(jù)，存放到一個臨時的緩沖空間里，一幀圖像緩沖空間滿后觸發(fā)中斷；DSP接收到中斷后，將緩沖空間里的數(shù)據(jù)放到圖像緩存SDRAM中。DSP依次對圖像緩存SDRAM中的每路的整幀視頻信號進(jìn)行壓縮編碼等處理，將處理后的數(shù)據(jù)寫入輸出緩存SDRAM中。當(dāng)寫外部接口條件滿足，DSP將處理后的數(shù)據(jù)從輸出緩存SDRAM中讀出，經(jīng)以太網(wǎng)輸出向雷達(dá)組網(wǎng)系統(tǒng)監(jiān)控中心發(fā)送。雷達(dá)組網(wǎng)系統(tǒng)監(jiān)控中心通過IP地址訪問各雷達(dá)站，接收雷達(dá)視頻數(shù)據(jù)信息，經(jīng)過解碼回放以多屏切換顯示方式監(jiān)視遠(yuǎn)端雷達(dá)的工作情況。

2 主要接口設(shè)計
2．1 視頻接口
    模擬視頻信號不能直接從網(wǎng)絡(luò)傳輸，只有轉(zhuǎn)換成為符合ITU-R BT.656標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字信號，才可方便地利用DSP進(jìn)行壓縮處理后上網(wǎng)傳輸。  TI公司生產(chǎn)的TVP5150是一款電視信號解碼專用芯片，支持NTSC／PAL／SECAM三種制式，對輸入的模擬視頻信號進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換、視頻圖像的箝位及抗混疊濾波等預(yù)處理、模擬數(shù)字化轉(zhuǎn)換及亮度／色度、水平／垂直同步等信號的分離，將模擬視頻信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字并行信號BT．656碼流格式，行／場同步信號包含在BT．656數(shù)字視頻數(shù)據(jù)流的EAV和SAV中。
    TMS320DM642的3個視頻端口VP0，VP1和VP2，支持BT．656數(shù)字視頻格式，每個視頻端口可配置為A，B兩個通道，這兩個通道具有一個可分離的5120B捕獲／顯示緩存。設(shè)置其VP0和VP1為輸入視頻端口，作為4路雷達(dá)狀態(tài)視頻輸入口，VP0的A，B通道分別與第1，2通道的TVP5150連接；VP1的A，B通道分別與第3，4通路通道的TVP5150連接。TMS320DM642通過I2C總線對TVP5150的參數(shù)進(jìn)行配置，每路TVP5150輸出配置為8 b的YUV422格式，設(shè)分辨率為CIF(352×288)。一條I2C總線只能訪問2個TVP5150配置口，因而使用輸入／輸出端口GPIO控制I2C總線的切換，通過軟件設(shè)GPO[0]為“0”時，選通第1，2通道TVP5150進(jìn)行配置；而設(shè)GPO[0]為“1”時，則選通第3，4通道TVP5150進(jìn)行配置。
    解碼器TVP5150在本地時鐘的控制下，通過EDMA通道自動向TMS320DM642視頻端口緩沖區(qū)單元發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)采集完一場數(shù)據(jù)時產(chǎn)生DMA中斷。在DMA中斷服務(wù)程序中完成相應(yīng)的處理后，存儲到外部SDRAM。TVP5150的GPCL引腳用來控制視頻數(shù)據(jù)流的采集，當(dāng)GPCL為1時，允許VP口對輸入視頻數(shù)據(jù)流進(jìn)行采集；當(dāng)GPCL為0時，禁止采集。
2．2 網(wǎng)絡(luò)接口
    TMS320DM642內(nèi)部集成有以太網(wǎng)媒體訪問控制器和管理數(shù)據(jù)輸入／輸出模塊(EMAC+MDIO外設(shè))。EMAC為DSP內(nèi)核與網(wǎng)絡(luò)提供了一個有效的接口，EMAC為網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通路，MDIO是EMAC的狀態(tài)和控制接口，EMAC／MDIO控制寄存器直接映射到TMS320DM642存儲區(qū)。EMAC支持10 Base-T，100 Base-TX，可在10 Mb／s和100 Mb／s的速度下進(jìn)行全雙工或半雙工傳輸。支持EMAC／MDIO復(fù)位和優(yōu)先級，具有4 KB的緩存，傳輸CRC自動生成，并提供硬件流控制及服務(wù)質(zhì)量保證(QoS)支持。
    EEMAC接口支持到計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路層，支持標(biāo)準(zhǔn)的MII接口與物理層設(shè)備相連。物理層設(shè)備使用BROADCOM公司的BCM5221、Pul se公司的1：1型隔離變壓器H1102和AMP公司的RJ 45連接器，網(wǎng)絡(luò)通信硬件電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    BCM5221為10Base-T／100 Base-TX以太網(wǎng)控制器，兼容IEEE 802．3標(biāo)準(zhǔn)，其MII接口與TMS320DM642的MII接口對接。視頻數(shù)據(jù)經(jīng)TMS320 DM642壓縮處理之后，傳輸?shù)紹CM522轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)物理層能接收的數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)電平轉(zhuǎn)化芯片H1102處理，經(jīng)RJ 45接口傳輸?shù)揭蕴W(wǎng)上。

3 信息采集處理
3．1 雷達(dá)狀態(tài)信息采集
    雷達(dá)狀態(tài)信息包括兩部分，一部分是雷達(dá)系統(tǒng)的內(nèi)部信息，主要是通過其各分機(jī)檢測儀表和監(jiān)控臺顯示出來的，它們直接反映了接收機(jī)、發(fā)射機(jī)、信號處理機(jī)、天線、伺服等分系統(tǒng)運行情況；而另一部分是設(shè)備周邊的外部情況，包括雷達(dá)機(jī)電設(shè)備外部狀況、人員操作及周邊環(huán)境情況等。
    雷達(dá)內(nèi)部信息的視頻信號從系統(tǒng)控制臺和伺服控制臺上錄取，通過信號轉(zhuǎn)換器規(guī)整成為標(biāo)準(zhǔn)制式視頻信號；外部信息采用攝像方式將雷達(dá)站設(shè)備外觀、人員操作情況及周邊環(huán)境攝制為標(biāo)準(zhǔn)制式視頻信號。4路視頻信號：一路由視頻轉(zhuǎn)換器將雷達(dá)監(jiān)控臺顯示的系統(tǒng)信息轉(zhuǎn)換成PAL制式視頻信號；一路由視頻轉(zhuǎn)換器將伺服監(jiān)控臺顯示的天控狀態(tài)信息轉(zhuǎn)換成PAL制式視頻信號；一路由外攝像機(jī)提供雷達(dá)站外部天線指向及周邊情況的視頻信號；一路由艙內(nèi)攝像機(jī)提供設(shè)備狀況和人員操控情況的PAL制式視頻信號。雷達(dá)狀態(tài)信息和周邊環(huán)境情況的4路模擬視頻信號通過4路解碼器轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)換成4路8 b的ITUBT．656格式的數(shù)字視頻信號。
3．2 數(shù)據(jù)處理
    為了提高數(shù)據(jù)傳輸效率，必須選擇先進(jìn)的壓縮標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮處理。H．264是新一代視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)了對各種信道適應(yīng)能力，采用“網(wǎng)絡(luò)友好”的結(jié)構(gòu)和語法，有利于對丟包和誤碼的處理；且應(yīng)用范圍較寬，滿足不同速率、不同解析度以及不同場合傳輸?shù)男枨蟆１鞠到y(tǒng)的數(shù)字視頻信號壓縮編碼采用H．264標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)圖象序列中的冗余來進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮的，其壓縮率比MPEG-4高1．5～2倍，且引入了面向IP包的編碼機(jī)制，碼流結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性強(qiáng)，增加了差錯恢復(fù)能力，能夠很好地適應(yīng)IP和無線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。盡管H．264運算復(fù)雜度是H．2 63和MPEG-4的3～5倍，但TMS320DM642處理能力滿足H．264編碼算法的要求。
    視頻信號處理的主要操作是循環(huán)采集一幀圖像，發(fā)送消息給圖像壓縮任務(wù)，并等待傳輸完成消息。圖像壓縮任務(wù)主要操作是循環(huán)等待視頻采集任務(wù)發(fā)來的采集完成消息，然后調(diào)用H．264編碼模塊進(jìn)行壓縮圖像，當(dāng)H．264碼流形成后，發(fā)送編碼完成消息給碼流傳輸任務(wù)。碼流傳輸任務(wù)也是在不斷循環(huán)等待編碼任務(wù)完成信號，使用TCP／IP協(xié)議傳輸H．264碼流，再發(fā)送傳輸完成消息給采集處理任務(wù)。三項任務(wù)互相協(xié)作，完成圖像的采集、壓縮、傳輸功能。

4 結(jié)語
    本文根據(jù)雷達(dá)組網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)備特點，設(shè)計了一種集雷達(dá)系統(tǒng)信息采集處理功能和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸功能為一體的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)，使遠(yuǎn)端雷達(dá)站具備了收集狀態(tài)信息及向監(jiān)控中心傳輸?shù)哪芰ΑＴ撓到y(tǒng)具有處理速度快、工程易于實現(xiàn)、擴(kuò)展升級方便等特點，信息顯示不需要監(jiān)控中心重新采編，對分布系統(tǒng)設(shè)備集中管理有很好的推廣價值。