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(jì)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(shí)現(xiàn)對雷達(dá)狀態(tài)視頻信號采集及數(shù)據(jù)壓縮處理，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(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控。

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關(guān)鍵詞：雷達(dá)； TMS320DM642； 遠(yuǎn)程監(jiān)控； IP通信

中圖分類號：TN954+2-34

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1004-373X(2012)01-0031-03

Design and realization of remote monitoring system based on radar networking

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LI Hua-min， WANG Ying， SUN Jun-liang

(PLA Unit of 91550， Dalian 116023， China)

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Abstract：

According to the requirement on remote radar station monitoring of radar networking system， a new design method for the radar remote monitoring system is proposed. The system hardware platform is based on high performance processor TMS320DM642， and uses the high-speed processing performance and video port function to acquire the radar state video signal and process the video data compression. Using the IP port， the data transmission is achieved for long-distance. As the system embedding every beyond radar， the radar work state information is transmitted by video collection. The radar networking system achieves remote monitoring by receiving and showing every radar video information.

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Keywords： radar;TMS320DM642; remote monitoring; IP communication

收稿日期：2011-08-25

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(bào)信息融合與共享等目的[1]。近年來雷達(dá)組網(wǎng)技術(shù)在氣象預(yù)報(bào)、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(jì)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(shí)掌握所有雷達(dá)的當(dāng)前運(yùn)行情況，對遠(yuǎn)端雷達(dá)實(shí)行有效的管理。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

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(shí)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(jì)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(shí)需要對其進(jìn)行實(shí)時(shí)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(diǎn)高性能DSP，有3種時(shí)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)[2]。該處理核為VelociTI.2TM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(dú)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[2-3]。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[4]。

TMS320DM642處理器有利于系統(tǒng)構(gòu)成五個主要特點(diǎn)：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(yùn)行高效率[3]；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(jì)且增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性[5]；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)的存取[6]；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[7]。

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。

圖1 遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)框圖

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)備上錄取；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(shí)通過EMIFA在CE1空間外擴(kuò)展了一片4 MB FLASH作為程序存儲器，當(dāng)系統(tǒng)上電或復(fù)位啟動時(shí)，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100 Mb/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(jì)，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(shí)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(jì)

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[8]。

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5 120 B捕獲/顯示緩存[9]。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(shí)，選通第1，2通道TVP5150進(jìn)行配置；而設(shè)GPO［0］為“1”時(shí)，則選通第3，4通道TVP5150進(jìn)行配置。

解碼器TVP5150在本地時(shí)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(shí)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(shí)，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(shí)，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[7]。

EEMAC接口支持到計(jì)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、Pulse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。

圖2 網(wǎng)絡(luò)通信硬件結(jié)構(gòu)

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[10]。視頻數(shù)據(jù)經(jīng)TMS320DM642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(yùn)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)男枨骩11]。本系統(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(yùn)算復(fù)雜度是H.263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(xiàng)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(diǎn)，設(shè)計(jì)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?。該系統(tǒng)具有處理速度快、工程易于實(shí)現(xiàn)、擴(kuò)展升級方便等特點(diǎn)，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(jià)值。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］程子光，朱建沖，姜禮平，等.雷達(dá)組網(wǎng)控制系統(tǒng)框架模型［J］.現(xiàn)代雷達(dá)，2009，31(10)：26-29.

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作者簡介：

李華敏 男，1960年出生，遼寧大連人，碩士，高級工程師。主要研究方向?yàn)槔走_(dá)與測控。

王 瑛 女，1978年出生，遼寧鐵嶺人，工程師。主要研究方向?yàn)槔走_(dá)信號處理。

孫君亮 男，1974年出生，山東海洋人，碩士，高級工程師。主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用。