基于FPGA的雷達中／視頻數據采集與回放系統設計

0 引言
隨著科學技術的飛速發展，在軍事、航空航天和測試及測量等領域，人們對數據采集系統的采樣精度、采樣率和存儲量等指標提出了更高的要求。傳統的采集器件使用起來很不方便，其局限性非常明顯，顯然已經不能適應現代技術發展的需要。目前，隨著集成電路技術的進步，大規模和超大規模的可編程邏輯器件在實際系統設計中得到廣泛的應用。由于其集成度高、功耗低、設計靈活、效率高等優勢，同時器件具有用戶可編程特性，可大大縮短系統設計周期，減少設計費用，降低風險投入，而且部分器件還具有在線可編程的能力。
在此介紹一種雷達中／視頻數據采集記錄系統，它的核心技術是利用高速可編程邏輯門陣列FPGA對雷達目標回波進行高速實時采集，并將持續采集來的信號數據記錄在計算機硬盤上，以供后續數據處理需要。本系統的特點是：小型化，便于攜帶，連接方便，操作簡單，記錄時間長，采樣率高，數據傳輸率高，動態范圍大(12位A／D分辨率)，并采用正交雙通道采集方式，完全符合高速大容量雷達信號采集記錄的需要。

1 系統組成與工作原理
系統主要由計算機和系統采集硬件組成，系統采集硬件由一塊帶有雙路高速A／D和USB接口電路的底板和一塊帶有FPGA的核心板組成。雷達數據采集記錄系統的工作流程如圖1所示。

系統以臺式PC作為采集主控設備，雷達中／視頻回波信號經A／D轉換器進行模數轉換，再由FPGA控制的核心采集模塊來完成數據的采集量化，采集模塊可以根據來自雷達系統的時鐘、同步觸發信號來控制對雷達回波信號的采集，然后將采集到的數據通過緩沖模塊送給USB，USB接口將數據打包傳送到臺式電腦的硬盤上以供顯示和處理使用。
FPGA與上位機間的數據交換是實現系統功能的重要一環。一方面，FPGA在完成對采集數據的抽取和緩沖后，采用高速的USB 2．0傳輸方式將數據實時地傳輸給上位機，使數據處理能夠順序進行；另一方面，數據采集模塊的某些參數由上位機控制面板設置后經總線傳送給FP-GA。

2 硬件電路板設計
在本系統中，FPGA核心板擔負著數據存儲，數據傳輸控制的任務，是本系統最為關鍵的部分，綜合考慮系統資源和FPGA價格，選擇Xi-linx公司的Spartan-Ⅱ系列XC2S200芯片較為適宜，由電源轉換芯片LT1764為FPGA提供穩定的電源電壓。其最小系統框圖如圖2所示。

XC2S200是推出的性價比更好的Spartan-Ⅱ系列FPGA產品中的一款，有著成熟的Virtex-E架構，內核電壓采用1．8 V，系統性能可達到200 MHz,系統門數為200 000系統門，內部包括適量的分塊RAM(Block-RAM)。該芯片支持豐富的接口標準。本系統采用ADI公司的AD9224為A／D轉換芯片，完成雙路A／D采樣功能。其采樣頻率為40 MHz，采用位數達12位，片內集成高性能的采樣保持放大器和參考電壓源，具有糾正錯誤輸出的邏輯功能，精確提供了在40 MSPS采樣率下12位的輸出數據，保證在完全可以運作的溫度范圍內無漏碼。
高速的數據采集速度是保證數據采集精度的標準，但往往在數據處理時并不需要以同樣的速度來進行，否則對硬件的需求太高，成本也較高。這里采用同步FIFO、SRAM、異步FIFO相結合的方法實現了對采集數據的緩沖處理。同時，由于數據的傳輸速度大于AD的采樣速度，保證了采集的數據在傳輸時無遺漏。

3 軟件設計
3．1 FPGA程序設計
本系統采用了同步FIFO A、異步FIFO B和緩沖SRAM相結合的設計方法，共同構成本系統的數據緩沖模塊。整個系統的詳細設計流程如圖3所示。