3） 數(shù)據(jù)緩存與整理

　　本系統(tǒng)中采用的緩存方案為首先把圖像數(shù)據(jù)、控制信號進(jìn)行3 級鎖存，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)相機(jī)輸出的圖像數(shù)據(jù)為2 個TAP 的數(shù)據(jù)，分別把2 個TAP 的數(shù)據(jù)送入FPGA 內(nèi)部的2 個雙口RAM 中進(jìn)行緩存，左邊TAP 的數(shù)據(jù)按照順序地址存儲，右邊TAP 的數(shù)據(jù)按照逆序地址存儲，從而將2 個TAP的數(shù)據(jù)拼接成完整的圖像。 當(dāng)使能信號有效時(shí)，把2 個雙口RAM 的數(shù)據(jù)送入到FIFO 中進(jìn)一步緩存，當(dāng)FIFO 數(shù)據(jù)半滿后，把FIFO 的數(shù)據(jù)通過SDRAM 接口控制器送入到外部的SDRAM 存儲器中去。

　　4） PCI 邏輯接口

　　本系統(tǒng)通過PCI 本地邏輯接口來完成FPGA與PLX9656 的通信。 系統(tǒng)加電啟動后，PLX9656的內(nèi)部寄存器由PCI 總線的RST#信號復(fù)位； 同時(shí)PLX9656 輸出局部復(fù)位信號LRESET,并檢查EEPROM 是否存在。 如果采用本地端DMA 方式控制，則整個握手過程如下： 首先當(dāng)SDRAM 緩存中的數(shù)據(jù)達(dá)到設(shè)定值后，LINTI # 信號有效，PLX9656 向主機(jī)端發(fā)送中斷請求信號； 若CPU 響應(yīng)中斷，則在中斷相應(yīng)程序內(nèi)發(fā)出DMA 讀命令、要讀的字節(jié)數(shù)和地址信息等。 PLX9656 申請本地總線，使LHOLD 信號有效。 FPGA 驅(qū)動LHOLDA信號有效來響應(yīng)PLX9656 的請求，PLX9656 將PCI 地址空間映射到本地地址空間。 接著通過設(shè)置寄存器來啟動DMA 傳輸，PLX9656 有效ADS#（ 地址選通信號） 、訪問地址出現(xiàn)在LA 地址總線上。 再次FPGA 有效READY # 信號，同時(shí)使能SDRAM 控制接口的讀使能有效信號，數(shù)據(jù)開始出現(xiàn)在LD 數(shù)據(jù)總線上。 當(dāng)數(shù)據(jù)的一個字節(jié)開始傳輸時(shí)，PLX9656 驅(qū)動BLAST#信號有效，同時(shí)FPGA 無效READY #信號。 使SDRAM 的讀使能是信號無效，PLX9656 驅(qū)動LHOLD 無效，釋放本地總線，接著FPGA 也驅(qū)動LHOLDA 無效，結(jié)束數(shù)據(jù)的傳輸。 DMA 傳輸?shù)臅r(shí)序仿真圖如圖3 所示。

圖3 本地總線到PCI 總線的DMA 傳輸時(shí)序仿真圖

　　Fig． 3 Simulation results of DMA transmissionfrom local bus to PCI bus

　　2. 4 高速緩存設(shè)計(jì)

　　由于PCI 接口芯片內(nèi)部緩存容量太小，所以在實(shí)時(shí)采集過程中必須采用高速緩存器將數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，然后再通過PCI 總線送到主機(jī)，以提高系統(tǒng)的傳輸速度和性能。 大容量高速的SDRAM 容易買到且價(jià)格適中，本系統(tǒng)采用SDRAM 進(jìn)行緩存。 Windows 是多線程、搶先任務(wù)的操作系統(tǒng)，為了減少線程由于CPU 占用時(shí)間結(jié)束而中斷，中斷間隔應(yīng)大于線程的執(zhí)行時(shí)間20 ms,所以緩存的容量至少應(yīng)為： 20 ms × 70 MB / s × 2 = 2. 8MB. 本系統(tǒng)中采用Micron 的MT48LC32M16A2芯片，該芯片為512 MB 存儲大小，16 bit 位寬，133 MHz 的讀寫速度，能夠滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和存儲帶寬的要求。本系統(tǒng)采用緩存方案為在FPGA 外接2 組32M* 32 位的SDRAM,由4 片SDRAM 配置而成，用于相機(jī)到PCI 的數(shù)據(jù)緩沖。 且SDRAM 通過控制器的封裝做成FIFO 的接口，相機(jī)的數(shù)據(jù)寫入FIFO,按照設(shè)定的圖像數(shù)量給PCI 發(fā)送中斷，然后由PCI 讀取相機(jī)數(shù)據(jù)，從而克服了SDRAM結(jié)構(gòu)復(fù)雜，切換控制電路難操作的缺點(diǎn)。

　　2. 5 實(shí)時(shí)存儲設(shè)計(jì)

　　實(shí)時(shí)流盤一直是高速數(shù)據(jù)采集技術(shù)的瓶頸，直接制約了采集存儲設(shè)備的實(shí)時(shí)存儲能力。 本系統(tǒng)中采用支持66 MHz、100 MHz、133 MHz /64 bit的PCI-X 總線的主板，由8 塊容量為1TB 的高速SATA 硬盤，通過3WARE 公司的RAID 卡配置成RAID0 方式，以獲得化的磁盤訪問速率，組成高速大容量的存儲設(shè)備，整個數(shù)字相機(jī)數(shù)據(jù)采集存儲設(shè)備的設(shè)計(jì)框圖如圖4 所示。

　　本系統(tǒng)把實(shí)時(shí)采集模塊輸出的數(shù)據(jù)，利用接口芯片PLX9656,通過PCI 總線把數(shù)據(jù)送進(jìn)系統(tǒng)內(nèi)存，然后在RAID 卡的控制下，將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)通過PCI 總線寫入SATA 硬盤陣列中，理論持續(xù)寫盤速度可達(dá)400 MB / s 以上。

圖4 實(shí)時(shí)高速存儲方案設(shè)計(jì)

　　Fig． 4 Design of real-time and high-speed storage solution

　　3 實(shí)驗(yàn)及系統(tǒng)測試結(jié)果

　　雙天線干涉SAR 柔性基線測量系統(tǒng)的模擬實(shí)驗(yàn)平臺由傳感器測量平臺、合作目標(biāo)和運(yùn)動平臺組成，如圖5（ a） 和圖5（ b） 所示。 本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)實(shí)物如圖5（ c） 所示。

　圖5 柔性基線測量系統(tǒng)原理樣機(jī)

　　Fig． 5 Prototype of non-rigid baseline measurement system

　　實(shí)驗(yàn)中，對系統(tǒng)分別進(jìn)行了功能測試和性能測試。 性能測試主要包括實(shí)時(shí)采集記錄速度測試、持續(xù)寫盤陣速度測試和穩(wěn)定性測試。對于系統(tǒng)的功能測試，分別進(jìn)行模擬圖像和實(shí)際圖像數(shù)據(jù)采集測試。 模擬圖像為在FPGA 內(nèi)產(chǎn)生循環(huán)有規(guī)律的數(shù)據(jù)，對應(yīng)的圖像為條紋圖像，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)是否正確來驗(yàn)證采集系統(tǒng)的功能； 然后切換到實(shí)際數(shù)據(jù)源，采集合作目標(biāo)的運(yùn)動圖像。 模擬和實(shí)測的圖像和數(shù)據(jù)文件分別如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)文件與圖像

　　Fig． 6 Data and image obtained from data acquisition system

　　由圖6（ a） 和圖6（ b） 可知，對于模擬數(shù)據(jù)源，本文系統(tǒng)采集圖像為黑白相間的條紋，且圖像數(shù)據(jù)中像素的灰度值與設(shè)定值是一致的，不存在丟數(shù)問題。 由圖6（ c） 和圖6（ d） 可知，本文系統(tǒng)采集的合作目標(biāo)的圖像和實(shí)際物體是一致的。 模擬和實(shí)測圖像數(shù)據(jù)的測試結(jié)果均表明，本文系統(tǒng)可以正確地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和存儲，沒有圖像錯位現(xiàn)象，這驗(yàn)證了系統(tǒng)功能的正確性。系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集記錄速度的測試方法為： 由于本系統(tǒng)中傳感器的輸出頻率有限，無法反映系統(tǒng)的采集記錄速度。 采用在FPGA 內(nèi)部生成不同頻率的模擬圖像，通過本系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和寫盤，利用上位機(jī)軟件對圖像進(jìn)行回放，查看有無丟幀和錯位現(xiàn)象。 實(shí)測結(jié)果表明，當(dāng)輸出頻率超過50 Hz 時(shí)，如果只采集不存盤，圖像采集正確，但是選擇同時(shí)存盤時(shí)，開始出現(xiàn)圖像錯位和丟幀現(xiàn)象。 原因主要有2 個： 一個是當(dāng)頻率大于50 Hz時(shí)，數(shù)據(jù)量大于100 MB / s,本系統(tǒng)外接的高速緩存，其讀寫速度理論值為133 MHz,因?yàn)樽龀蒄IFO 接口，是邊寫邊讀，造成傳輸速度減半，可能導(dǎo)致緩存數(shù)據(jù)沒有及時(shí)讀走，造成圖像錯位和丟失； 另一個是系統(tǒng)在主機(jī)內(nèi)存中讀和寫是一個線程，邊讀邊寫數(shù)據(jù)導(dǎo)致速率跟不上。 綜上所述，本系統(tǒng)的采集記錄速度可以達(dá)到100 MB / s,滿足系統(tǒng)70 MB / s 的指標(biāo)要求。持續(xù)寫盤陣速度測試方法為采用專用的硬盤讀寫速度測試軟件，從主機(jī)內(nèi)存往磁盤陣列寫入不同容量數(shù)據(jù)，對軟件統(tǒng)計(jì)的速度作平均。 實(shí)測結(jié)果表明，在不同的采集時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)存儲速度都能達(dá)到240 MB / s 以上，滿足系統(tǒng)指標(biāo)120 MB / s的要求。 另外，系統(tǒng)采用8 塊1TB 的SATA 硬盤，總的記錄容量為8 TB,滿足系統(tǒng)記錄容量2 TB 的指標(biāo)要求。對于系統(tǒng)的穩(wěn)定性測試的方法為： 在不同工作模式下，多次采集2 個傳感器數(shù)據(jù)，通過校驗(yàn)程序?qū)?shù)據(jù)包頭計(jì)數(shù)器進(jìn)行校驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的丟失幀數(shù)。 從而計(jì)算系統(tǒng)的丟幀率。 在系統(tǒng)要求的工作時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)在不同模式下都沒有出現(xiàn)丟幀情況，性能非常穩(wěn)定，既使工作時(shí)間為要求的3 倍，本系統(tǒng)的丟幀率只有0. 03% ,能夠滿足基線測量系統(tǒng)的要求。