基于USB的雷达目标检测及数据采集设计研究

摘    要：本文介绍了一种通过USB接口与主机实现通讯的雷达目标检测与数据采集系统的硬件结构和工作原理，阐述了检测与采集的关键技术，重点说明了使用AN2131QC芯片的USB设备的开发流程。
关键词：USB接口；目标检测；数据采集

引言
在雷达数据信息的现场处理中，往往要求能迅速、可靠地完成设备之间的连接。而对于传统的插口，即使是PNP的，也必须打开机箱进行采集卡、检测卡的安装，同时要进行驱动程序的装载。此外，外设的安装还受到I/O口数量的限制。本文针对这种情况设计了基于USB接口的雷达目标检测及数据采集系统，阐明了其基本工作原理。同时，对USB协议的实现以及USB设备的开发过程进行了较为详细的阐述。

工作原理
基于USB接口的雷达目标检测及数据采集系统主要包括：目标检测模块、数据采集模块和USB接口模块。其中，目标检测模块由8位A/D转换芯片、双端口RAM、TMS320C31处理器以及FPGA构成，而TMS320C31的存储空间又包括双端口RAM、FLASH、SRAM、FIFO、以及在FPGA内构造的FIFO。数据采集模块由12位A/D转换芯片、FPGA、及两路乒乓存储器组成。USB模块由AN2131QC、CPLD、辅助差分输入电路、8位FIFO组成。目标检测模块与数据采集模块通过FPGA联接，与USB接口模块之间通过FIFO联接。系统基本工作原理如图1所示。
一路信号首先通过8位A/D转换芯片，进入双端口RAM进行数据缓存。A/D转换频率由TMS320C31的时钟输出通过FPGA组合确定，而采样信号将在雷达有效作用距离内对回波信号进行采集，目的是检测目标是否存在，以及确定目标的个数。TMS320C31对双端口RAM的数据进行读取和检测分析后，得到目标的方位和距离信息，并同时提供给FIFO和数据采集模块中FPGA内的FIFO，以便分别进行主机显示和形成采集波门。数据采集模块在该采集波门下对目标回波进行锁定精密采集，采集后的数据进入“乒乓内存”(其特点是等待时间少，传输速度快)。USB接口模块把主机命令提供给TMS320C31，以及将乒乓内存中的数据传输到主机中，前者使用中断传输方式，后者使用同步传输方式。

设计与实现
目标检测(结合USB接口写)
目标检测模块原理图如图2所示。FPGA+RAM的非相干积累能够提高雷达系统检测的性能，其实现原理图如图3所示。
采样率相关的目标检测算法的基本思想是设置两个门限。第一个门限用来在较高虚警、高检测概率的前提下检测信号的有无；第二个门限根据雷达分辨率与采样率的相对关系，降低虚警率并判断实际目标是否存在。其实质是利用雷达目标视频回波与噪声视频输出在幅度和连续宽度分布上所呈现的差异，采用基于数据信息的距离段联合检测方法来抑制噪声，确定目标的存在。利用FPGA+RAM实现的恒虚警门限检测原理图参考图4所示。
在进行完检测后，还要进行目标的点迹凝聚和目标的跟踪。所谓的点迹凝聚就是在方位上确定目标所在中心方位值的大小，其基本思想是：由于利用门限检测，在相邻多帧的相应位置都将检测出目标。但是，不能简单地将每帧中超过门限值的每一点都当作单个目标来处理，而只能作为目标的某个散射点。根据距离分辨率和相邻帧目标位置的相关性，应当把处于一定空间范围内地点作为同一个目标点来处理。当有目标出现时，在当前帧中检测。先将目标位置记录下来，然后进行下一帧的检测。将记录下的目标数据与下一帧检测目标数据进行比较，若有相关(也就是在一定范围内)，则说明下一帧检测到的目标即为上一帧检测到的目标。若无相关，则表示该目标消失，这时可以确定目标所在的中心位置。把在下一帧中检测到所有的目标与以前保存的检测到的所有目标进行比较，若有相关，则仍然保持以前的相关目标位置数据。若无相关，则表示一个新的目标出现，记录下该目标的位置所在，将保留的数据再与下一帧的检测数据进行比较。跟踪是指雷达系统能连续不断地测量目标的某些特定的参数值，要对多个目标进行跟踪。首先，要完成对目标回波信号的检测、目标空间位置参数的估计和预处理，即进行点迹录取。然后，对由信号处理得到的测量值，进行航迹起始、相关互联、航迹预测、滤波及航迹消亡。此外，在跟踪过程中，还需要识别要跟踪的目标个数，以及目标的动态特性。本系统采用的是在目标运动的连续性原理下的多目标跟踪算法，该算法允许跟踪过程中目标丢失，它可以在目标再次出现时重新对其进行跟踪。算法的基本思路如下：目标的运动轨迹是连续的，各阶导数也是连续的，由采样定理可知，只要雷达对目标运动采样的频率足够高，利用目标位置结合目标的运动参数特征和目标轨迹，就能外推、拟合出目标的运动轨迹，实现雷达多目标的边扫描、边跟踪。
主机通过USB口给检测模块中的DSP发送工作命令，而DSP发检测结果发给主机。这部分数据量少，但是要求准确。USB的中断传输方式虽准确，但是不能进行大量数据的实时传输。因此本设计采用中断传输方式对这部分数据传输。
数据采集
检测模块中，数据经A/D转换后，经锁存进入双端口RAM；数据采集模块中，数据经A/D转换后，经锁存进入SRAM。这些数据在保存之前需加数据头，数据头可保证DSP和主机正确读取一帧数据。具体实现的电路原理图如图5所示。
保存精确采集数据的存储器采用了两路乒乓存储技术。这样使得采集数据与传输数据得以同时进行使系统能不间断地采集数据，从而满足长时测距的要求。其硬件实现的框图如图6所示。
USB接口部分使用的芯片是AN2131QC。该芯片内部包括两大部分。一部分是一个在USB1.1协议基础上对信号进行编码译码的EZUSB内核，称为SIE；另外一部分是一个增强的8051单片机，内含8K大小的RAM。设计的思路是利用该芯片的自装载特性，把8051程序从PC机下载到8051内的RAM中，然后8051运行该程序，设备实现再次枚举，以后就由EZUSB内核自动进行数据的传输和发送。命令由主机应用程序发出，通过驱动程序取得设备的句柄，从而实现对设备的读写控制。读写的传输方式用到同步传输和中断传输。同步传输方式把存储在乒乓存储器中的精采数据传往PC主机，为此在采集FPGA内部形成与EZUSB芯片数据线连接的接口电路。EZUSB芯片的数据线为8位，存储器数据线为24位，FPGA实现了24位到8位的转变。USB芯片将读出的数据自动放入SIE内核的2K大小的FIFO缓存区内，由SIE内核自动与主机进行传输。中断传输方式将主机的命令发给DSP以及将DSP保存在FIFO内的检测结果发送给主机。
驱动程序的编写
在Windows内执行的USB设备驱动程序，必须符合Microsoft定义的Win32驱动程序模型(Win32 Driver Model，WDM)规格。CYPRESS公司提供了一个通用设备驱动程序(EZUSB.SYS)，对于使用AN2131Q的设备，可以利用该程序来实现应用程序对设备的读写。应用程序的编写可以使用VB、Delphi等工具。应用程序利用CREATFILE()取得访问设备驱动程序的句柄，然后又使用DEVICEIO CONTROLL()提交I/O控制码，并为CREATFILE函数返回的设备句柄设置I/O缓冲区。

结语
本系统速率能够达到1MB/S，能较好地完成数据传输任务。但是，对于要求更高数据传输速率的设备而言，必须采用能实现USB2.0协议的芯片，下一步工作将进一步对USB2.0芯片的应用以及驱动程序、固件对传输速率的影响进行研究。■

参考文献
1 颜荣江. EZ-USB 2100系列单片机原理、编程及应用. 北航出版社