基于雷达组网远程监控系统设计与实现

摘要：针对雷达组网系统对远端雷达站监控的需要，提出了一种雷达远程监控系统设计方法。采用高性能TMS320DM642处理器作为系统硬件平台，应用其高速处理性能和片上集成外设端口功能，实现对雷达状态视频信号采集及数据压缩处哩，利用其IP端口完成远程数据传输。该系统嵌入远端雷达站，以视频方式收集雷达工作状态信息并上传；雷达组网系统接收并显示各雷达视频信息，实现了远程监控。
关键词：雷达；TMS320DM642；远程监控；IP通信

    雷达组网是将不同频段、不同体制、不同功能的多部雷达进行优化布站综合使用，充分发挥各单站雷达功能，达到监测空间扩展和情报信息融合与共享等目的。近年来雷达组网技术在气象预报、航空航天、国防等领域得到了广泛的应用，随着组网系统内的雷达站数量不断增加，设备的分布区域随之迅速拓展，各雷达站提供的数据和信息，越来越难以满足发展的需要了。雷达组网系统管理需要了解更详细的雷达工作状态信息，另外在多源信息融合处理等方面，各雷达工作的细节情况越来越被重视。本设计旨在组网系统的各类雷达内部嵌入远程监控系统，通过视频方式收集雷达工作状态信息，将包含雷达信息的视频信号转换成数字信号，压缩处理后通过IP网络上传；雷达组网系统监控中心复原并显示各雷达现场视频信息，随时掌握所有雷达的当前运行情况，对远端雷达实行有效的管理。

1 系统方案设计
    雷达组网系统监控中心既要了解远端雷达工作状态，也要掌握雷达设备外部周边情况。每部雷达状态信息在其系统控制台和伺服控制台都有集中显示，因此可直接从控制台获取雷达状态视频信息，而雷达外部周边情况只有通过摄像方式获取。采用视频方法收集雷达现场工作信息，在信息采集过程不会对设备产生任何影响，获取内容丰富且方法简捷高效；同时也便于监控中心信息复原处理，可达到状态信息显示的一致。尽管各部雷达在体制及用途等方面有所不相同，但监控中心对其监管基本相同，因此设计是以不影响现有雷达功能为前提，满足任何种类的雷达安装使用。系统首先将雷达内部信息和外部情况转换为标准模拟视频信号，然后把包含雷达状态信息的模拟视频信号转化成数字视频信号，最后将数字视频信号压缩处理并通过网络上传到监控中心。
1．1 DSP平台的选择
    由于系统采集的视频数据量较大，同时需要对其进行实时处理，且还要完成数据网络传输，因此选择能够满足系统要求的、速度快、功能强大的数字信号处理器是十分重要的。TMS320DM642是TI推出的一款面向数字多媒体应用的32位定点高性能DSP，有3种时钟频率可选，最高处理速度达720 MIPS；它是在TI的C64xDSP内核的基础上，集成了完备的视频／音频的输入／输出接口、以太网接口、PCI-66总线等片上外设。该处理核为VelociTI．2结构，采用高级的超长指令字(VLIW)结构和多级流水线机制，8个独立高速处理单元，使得在一个指令周期能够并行处理8条32位的指令。应用该DSP处理器不仅会极大地提高视频图像处理的速度，而且使算法的选择更为灵活和多样化。
    TMS320DM642处理器有利于系统构成五个主要特点：超长指令字VelociTI．2体系结构、增强的并行处理机制及二级缓存结构，保障数据处理运行高效率；3个可编程视频端口，可与视频编解码芯片无缝连接，简化接口设计且增强了系统的可靠性；外部存储器接口64位EMIF可与SDRAM，SB-SRAM和SRAM等同步／异步存储器的直接连接，便于存储空间的扩展和大量数据的存取；集成10 Mb／s／100 Mb／s自适应模式以太网接口，可为系统构建一条100 Mb／s的高速以太网接口；提供了多通道DMA／EDMA控制器和通用GPIO输入／输出端口等，便于系统管理与控制。
1．2 系统组成
    远程视频监控系统由DSP处理器、摄像机、信号转换器、视频解码器、CPLD控制器、图像存储器SDRAM、程序存储器FLASH、网络传输接口等部分组成，系统结构如图1所示。

    每部雷达至少需要向监控中心提供4路视频信息，才能较全面反映雷达现场工作情况。系统利用视频采集的方式收集雷达工作状态信息，视频信息主要包括雷达系统内部信息和工作环境外部情况。设备内部信息由2路信号转换器从雷达系统监控台和伺服控制台的显示设备上录取；设备外部情况由安装在雷达站的2路摄像机直接摄取，主要是人员操作与设备周边等情况。由于DSP不能直接处理模拟视频信号，必须将采集的模拟视频信号转换成为符合ITU-R BT．656标准的数字信号，4片TVP5150高性能视频解码器承担模拟视频信号的数字转换处理工作。
    TMS320DM642主频配置为600 MHz，处理能力为4 800 MIPS，满足系统数据处理需要。为了满足数据处理要求，通过EMIFA在CE0空间外扩2片SDRAM存储器，系统的存储空间扩展为32 MB。同时通过EMIFA在CE1空间外扩展了一片4MB FLASH作为程序存储器，当系统上电或复位启动时，自动从程序存储器上加载程序代码。应用片内部的以太网控制器外设使用外扩物理层器件，构建一条100Mb／s的高速以太网接口。采用CPLD搭建系统控制电路，避免了复杂的硬件设计，集中管理系统内的控制信号，主要包括总线控制、地址译码、同步控制信号、使能及中断信号等。
1．3 主要工作流程
    系统上电后，首先初始化DSP处理器，然后初始化PLL、GPIO、相关中断寄存器、设置视频端口及视频解码器，等待中断信号。4路现场采集的PAL制式视频信号，经过对应的视频解码器TVP5150处理，转换成8 b的ITUBT．656格式的数字视频信号，相应的行、场同步等同步信息打包成内嵌同步头信号，一起送入DSP对应的视频VP接口。各路模拟视频信号经过解码器转换成数字信号后，传送到DSP的数字视频接口VP，通知DSP读取的一帧内的图像数据，存放到一个临时的缓冲空间里，一帧图像缓冲空间满后触发中断；DSP接收到中断后，将缓冲空间里的数据放到图像缓存SDRAM中。DSP依次对图像缓存SDRAM中的每路的整帧视频信号进行压缩编码等处理，将处理后的数据写入输出缓存SDRAM中。当写外部接口条件满足，DSP将处理后的数据从输出缓存SDRAM中读出，经以太网输出向雷达组网系统监控中心发送。雷达组网系统监控中心通过IP地址访问各雷达站，接收雷达视频数据信息，经过解码回放以多屏切换显示方式监视远端雷达的工作情况。

2 主要接口设计
2．1 视频接口
    模拟视频信号不能直接从网络传输，只有转换成为符合ITU-R BT.656标准的数字信号，才可方便地利用DSP进行压缩处理后上网传输。  TI公司生产的TVP5150是一款电视信号解码专用芯片，支持NTSC／PAL／SECAM三种制式，对输入的模拟视频信号进行A／D转换、视频图像的箝位及抗混叠滤波等预处理、模拟数字化转换及亮度／色度、水平／垂直同步等信号的分离，将模拟视频信号转换为数字并行信号BT．656码流格式，行／场同步信号包含在BT．656数字视频数据流的EAV和SAV中。
    TMS320DM642的3个视频端口VP0，VP1和VP2，支持BT．656数字视频格式，每个视频端口可配置为A，B两个通道，这两个通道具有一个可分离的5120B捕获／显示缓存。设置其VP0和VP1为输入视频端口，作为4路雷达状态视频输入口，VP0的A，B通道分别与第1，2通道的TVP5150连接；VP1的A，B通道分别与第3，4通路通道的TVP5150连接。TMS320DM642通过I2C总线对TVP5150的参数进行配置，每路TVP5150输出配置为8 b的YUV422格式，设分辨率为CIF(352×288)。一条I2C总线只能访问2个TVP5150配置口，因而使用输入／输出端口GPIO控制I2C总线的切换，通过软件设GPO[0]为“0”时，选通第1，2通道TVP5150进行配置；而设GPO[0]为“1”时，则选通第3，4通道TVP5150进行配置。
    解码器TVP5150在本地时钟的控制下，通过EDMA通道自动向TMS320DM642视频端口缓冲区单元发送数据，当采集完一场数据时产生DMA中断。在DMA中断服务程序中完成相应的处理后，存储到外部SDRAM。TVP5150的GPCL引脚用来控制视频数据流的采集，当GPCL为1时，允许VP口对输入视频数据流进行采集；当GPCL为0时，禁止采集。
2．2 网络接口
    TMS320DM642内部集成有以太网媒体访问控制器和管理数据输入／输出模块(EMAC+MDIO外设)。EMAC为DSP内核与网络提供了一个有效的接口，EMAC为网络的数据通路，MDIO是EMAC的状态和控制接口，EMAC／MDIO控制寄存器直接映射到TMS320DM642存储区。EMAC支持10 Base-T，100 Base-TX，可在10 Mb／s和100 Mb／s的速度下进行全双工或半双工传输。支持EMAC／MDIO复位和优先级，具有4 KB的缓存，传输CRC自动生成，并提供硬件流控制及服务质量保证(QoS)支持。
    EEMAC接口支持到计算机网络协议的数据链路层，支持标准的MII接口与物理层设备相连。物理层设备使用BROADCOM公司的BCM5221、Pul se公司的1：1型隔离变压器H1102和AMP公司的RJ 45连接器，网络通信硬件电路结构如图2所示。

    BCM5221为10Base-T／100 Base-TX以太网控制器，兼容IEEE 802．3标准，其MII接口与TMS320DM642的MII接口对接。视频数据经TMS320 DM642压缩处理之后，传输到BCM522转换为以太网物理层能接收的数据，通过网络电平转化芯片H1102处理，经RJ 45接口传输到以太网上。

3 信息采集处理
3．1 雷达状态信息采集
    雷达状态信息包括两部分，一部分是雷达系统的内部信息，主要是通过其各分机检测仪表和监控台显示出来的，它们直接反映了接收机、发射机、信号处理机、天线、伺服等分系统运行情况；而另一部分是设备周边的外部情况，包括雷达机电设备外部状况、人员操作及周边环境情况等。
    雷达内部信息的视频信号从系统控制台和伺服控制台上录取，通过信号转换器规整成为标准制式视频信号；外部信息采用摄像方式将雷达站设备外观、人员操作情况及周边环境摄制为标准制式视频信号。4路视频信号：一路由视频转换器将雷达监控台显示的系统信息转换成PAL制式视频信号；一路由视频转换器将伺服监控台显示的天控状态信息转换成PAL制式视频信号；一路由外摄像机提供雷达站外部天线指向及周边情况的视频信号；一路由舱内摄像机提供设备状况和人员操控情况的PAL制式视频信号。雷达状态信息和周边环境情况的4路模拟视频信号通过4路解码器转换为转换成4路8 b的ITUBT．656格式的数字视频信号。
3．2 数据处理
    为了提高数据传输效率，必须选择先进的压缩标准进行数据压缩处理。H．264是新一代视频压缩标准，加强了对各种信道适应能力，采用“网络友好”的结构和语法，有利于对丢包和误码的处理；且应用范围较宽，满足不同速率、不同解析度以及不同场合传输的需求。本系统的数字视频信号压缩编码采用H．264标准，该标准是根据图象序列中的冗余来进行数据压缩的，其压缩率比MPEG-4高1．5～2倍，且引入了面向IP包的编码机制，码流结构网络适应性强，增加了差错恢复能力，能够很好地适应IP和无线网络的应用。尽管H．264运算复杂度是H．2 63和MPEG-4的3～5倍，但TMS320DM642处理能力满足H．264编码算法的要求。
    视频信号处理的主要操作是循环采集一帧图像，发送消息给图像压缩任务，并等待传输完成消息。图像压缩任务主要操作是循环等待视频采集任务发来的采集完成消息，然后调用H．264编码模块进行压缩图像，当H．264码流形成后，发送编码完成消息给码流传输任务。码流传输任务也是在不断循环等待编码任务完成信号，使用TCP／IP协议传输H．264码流，再发送传输完成消息给采集处理任务。三项任务互相协作，完成图像的采集、压缩、传输功能。

4 结语
    本文根据雷达组网系统设备特点，设计了一种集雷达系统信息采集处理功能和网络数据传输功能为一体的远程视频监控系统，使远端雷达站具备了收集状态信息及向监控中心传输的能力。该系统具有处理速度快、工程易于实现、扩展升级方便等特点，信息显示不需要监控中心重新采编，对分布系统设备集中管理有很好的推广价值。