基于ARM和FPGA的一体化船用导航雷达终端设计

张宏财 汪永军 沈 君

（华东电子工程研究所，安徽 合肥230001）

0 前言

船用导航雷达作为一种无线电导航设备，在船舶近海定位、引导船舶进、出港、窄航道航行以及在避碰中发挥着重要作用。本设计通过由ARM微处理器和FPGA组成的嵌入式系统一体化船用导航雷达数据处理和显控终端，对雷达中频回波进行采样，采用数字化技术处理回波信号，使得各种复杂的信号处理和数据处理功能得以实现，优化海浪抑制、雨雪抑制、同频干扰等处理算法，采用ARM处理器实现自动雷达标绘处理算法（ARPA），在单板上实现所有信号处理和数据处理功能，并具备丰富的接口和可扩充性，有效降低了数据处理显控终端的体积、重量及成本，具有高度集成性和可靠性。

1 终端系统硬件组成

船用导航雷达系统可以分为雷达上单元和雷达下单元两部分，上单元部分包括雷达天线和收发机，主要是发射周期性的脉冲信号，然后接收发射后的回波信号，并将接收机处理过的回波信号送至系统下单元；雷达系统下单元即显控终端，主要负责雷达回波信号的A/D采样、实现回波峰选、视频积累、恒虚警处理、海浪抑制、雨雪抑制、视频显示、雷达参数控制等处理以及对接入的AIS、罗经、GPS等外部设备输入信号的处理。

船用雷达终端系统是一套独立完整的数字综合处理平台，整个系统由终端处理板、液晶显示屏、电源模块、按键键盘、鼠标等组成。终端处理板是整个系统的核心，其包含与雷达上单元的接口设计、回波信号处理、点航迹处理、显示处理等功能，系统框图如图1所示。

图1 终端整体框图

整个显控终端主要由三部分组成：接口（与上单元）+FPGA部分+ARM部分。

上单元接口部分作为连接雷达上单元与显控终端的桥梁，它的设计好坏是决定整个雷达系统工作是否正常的前提。接口模块主要完成对雷达上单元输入的方位、船首和回波信号进行处理，例如对回波信号先进行差分放大，再使用高速高精度的A/D采集芯片，本设计使用AD9218BST-105高速采样芯片，位宽为10bit，采集时钟可达100MHZ，高频率的采样时钟让雷达回波显示更加细腻、逼真，经过数字化后的回波信号进入FPGA进行处理；同时接口单元接收来自ARM处理器的各种雷达操控命令，产生相应的控制信号送入雷达上单元。该模块在整体系统中的结构框图如图2所示。

图2 终端接口部分框图

FPGA部分作为整个终端系统的关键部分，负责雷达数字回波视频信号的处理、坐标变换和数据编码。A/D采样后的回波信号，在FPGA中再进一步进行雷达视频积累、回波峰选、恒虚警处理、海浪抑制、雨雪抑制、同频干扰抑制等杂波处理。同时根据调谐指示数据，自动调节调谐控制数据，并通过D/A模数转换芯片（M62352AGP）将数字信号转换为模拟电平，控制雷达上单元发射机工作状态。雷达天线的触发周期和工作模式由FPGA经过接口匹配电路后发送至雷达天线。

本设计中为了减轻ARM处理器的负担，经过FPGA处理后的回波视频数据送入ARM处理器不采用软件直接写屏的方法将回波显示，这样会大量占用ARM处理器资源，造成回波抖动、不能及时跟踪、录取等。设计中利用S3C2410处理器中带有的Camera接口，经杂波处理后的回波信号，在FPGA中进行硬件的回波坐标变换处理，并将坐标变换后的回波信号编码成ITU-R BT601/656视频信号，然后一帧一帧把回波视频送往S3C2410的Camera接口，S3C2410处理器就会直接在显示器上显示出回波，这样就省去了软件画回波的过程，节省了系统资源。

ARM处理器部分包括系统的状态监控信息、操作控制信息、以及友好的人机交互界面信息，然后将这些信息和通过Camera接口送过来的回波视频数据叠加在一起，实现综合显示功能。还要负责对雷达参数的设置以完成对整个系统的控制，同时ARM处理器通过串口、USB口、网口，与外部模块（如GPS、AIS、罗经、键盘、鼠标等）进行实时通信，完成数据的传输和指令的设定。

2 系统软件设计

整个系统软件主要分两部分：

一部分是在FPGA上运行的系统，FPGA上运行的软件用硬件描述语言编写，主要完成回波数据峰选、脉冲积累、海浪抑制、雨雪抑制、同频干扰抑制、坐标转换、回波数据信息视频编码，其数据处理流程如图3所示。

图3 FPGA数据处理流程

另一部分在ARM处理器上运行的系统，采用嵌入Linux软件平台，C/C++语言编写，系统分为应用层、Linux核心层，框图如图4所示。

图4 ARM平台软件运行机理

雷达显控终端软件是应用层软件，处于系统的上层；应用软件之下是嵌入式GUI（Qt/Elllbedded）和C/C++函数库，显控终端软件和Qt/Embedded、C/C++函数库共同构成系统的应用层，主要负责雷达目标数据的处理，通过计算得到目标数目、距离、速度等多方位信息，并将雷达目标和信息以直观方式显示，同时通过人机界面实现对雷达的实时控制，功能模块大体分为：人机界面模块、数据处理模块和其他信息，模块划分如图5所示。

图5 应用层功能模块划分

3 小结

船用导航雷达终端的一体化设计，提高了导航雷达的信号处理能力，大容量FPGA的使用，可以实现更多的信号处理功能，ARM处理模块的使用，用低成本的方式实现自动雷达标绘处理功能。整个船用导航雷达的信号处理装置用一块单板实现，在增强雷达系统性能的同时，有效地降低了成本，提高了集成度和可靠性。达到在低成本平台上实现雷达的高性能处理、该导航雷达信号处理装置具有信号处理灵活化、功能丰富化、操作多样化、人机界面友好化，系统扩展能力强等特点。

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