摘要：針對雷達組網系統(tǒng)對遠端雷達站監(jiān)控的需要，提出了一種雷達遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計方法。采用高性能TMS320DM642處理器作為系統(tǒng)硬件平臺，應用其高速處理性能和片上集成外設端口功能，實現對雷達狀態(tài)視頻信號采集及數據壓縮處哩，利用其IP端口完成遠程數據傳輸。該系統(tǒng)嵌入遠端雷達站，以視頻方式收集雷達工作狀態(tài)信息并上傳；雷達組網系統(tǒng)接收并顯示各雷達視頻信息，實現了遠程監(jiān)控。
關鍵詞：雷達；TMS320DM642；遠程監(jiān)控；IP通信

    雷達組網是將不同頻段、不同體制、不同功能的多部雷達進行優(yōu)化布站綜合使用，充分發(fā)揮各單站雷達功能，達到監(jiān)測空間擴展和情報信息融合與共享等目的。近年來雷達組網技術在氣象預報、航空航天、國防等領域得到了廣泛的應用，隨著組網系統(tǒng)內的雷達站數量不斷增加，設備的分布區(qū)域隨之迅速拓展，各雷達站提供的數據和信息，越來越難以滿足發(fā)展的需要了。雷達組網系統(tǒng)管理需要了解更詳細的雷達工作狀態(tài)信息，另外在多源信息融合處理等方面，各雷達工作的細節(jié)情況越來越被重視。本設計旨在組網系統(tǒng)的各類雷達內部嵌入遠程監(jiān)控系統(tǒng)，通過視頻方式收集雷達工作狀態(tài)信息，將包含雷達信息的視頻信號轉換成數字信號，壓縮處理后通過IP網絡上傳；雷達組網系統(tǒng)監(jiān)控中心復原并顯示各雷達現場視頻信息，隨時掌握所有雷達的當前運行情況，對遠端雷達實行有效的管理。

1 系統(tǒng)方案設計
    雷達組網系統(tǒng)監(jiān)控中心既要了解遠端雷達工作狀態(tài)，也要掌握雷達設備外部周邊情況。每部雷達狀態(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狀態(tài)視頻信息，而雷達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現場工作信息，在信息采集過程不會對設備產生任何影響，獲取內容豐富且方法簡捷高效；同時也便于監(jiān)控中心信息復原處理，可達到狀態(tài)信息顯示的一致。盡管各部雷達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，因此設計是以不影響現有雷達功能為前提，滿足任何種類的雷達安裝使用。系統(tǒng)首先將雷達內部信息和外部情況轉換為標準模擬視頻信號，然后把包含雷達狀態(tài)信息的模擬視頻信號轉化成數字視頻信號，最后將數字視頻信號壓縮處理并通過網絡上傳到監(jiān)控中心。
1．1 DSP平臺的選擇
    由于系統(tǒng)采集的視頻數據量較大，同時需要對其進行實時處理，且還要完成數據網絡傳輸，因此選擇能夠滿足系統(tǒng)要求的、速度快、功能強大的數字信號處理器是十分重要的。TMS320DM642是TI推出的一款面向數字多媒體應用的32位定點高性能DSP，有3種時鐘頻率可選，最高處理速度達720 MIPS；它是在TI的C64xDSP內核的基礎上，集成了完備的視頻／音頻的輸入／輸出接口、以太網接口、PCI-66總線等片上外設。該處理核為VelociTI．2結構，采用高級的超長指令字(VLIW)結構和多級流水線機制，8個獨立高速處理單元，使得在一個指令周期能夠并行處理8條32位的指令。應用該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。
    TMS320DM642處理器有利于系統(tǒng)構成五個主要特點：超長指令字VelociTI．2體系結構、增強的并行處理機制及二級緩存結構，保障數據處理運行高效率；3個可編程視頻端口，可與視頻編解碼芯片無縫連接，簡化接口設計且增強了系統(tǒng)的可靠性；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，便于存儲空間的擴展和大量數據的存??；集成10 Mb／s／100 Mb／s自適應模式以太網接口，可為系統(tǒng)構建一條100 Mb／s的高速以太網接口；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。
1．2 系統(tǒng)組成
    遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)由DSP處理器、攝像機、信號轉換器、視頻解碼器、CPLD控制器、圖像存儲器SDRAM、程序存儲器FLASH、網絡傳輸接口等部分組成，系統(tǒng)結構如圖1所示。

    每部雷達至少需要向監(jiān)控中心提供4路視頻信息，才能較全面反映雷達現場工作情況。系統(tǒng)利用視頻采集的方式收集雷達工作狀態(tài)信息，視頻信息主要包括雷達系統(tǒng)內部信息和工作環(huán)境外部情況。設備內部信息由2路信號轉換器從雷達系統(tǒng)監(jiān)控臺和伺服控制臺的顯示設備上錄??；設備外部情況由安裝在雷達站的2路攝像機直接攝取，主要是人員操作與設備周邊等情況。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換成為符合ITU-R BT．656標準的數字信號，4片TVP5150高性能視頻解碼器承擔模擬視頻信號的數字轉換處理工作。
    TMS320DM642主頻配置為600 MHz，處理能力為4 800 MIPS，滿足系統(tǒng)數據處理需要。為了滿足數據處理要求，通過EMIFA在CE0空間外擴2片SDRAM存儲器，系統(tǒng)的存儲空間擴展為32 MB。同時通過EMIFA在CE1空間外擴展了一片4MB FLASH作為程序存儲器，當系統(tǒng)上電或復位啟動時，自動從程序存儲器上加載程序代碼。應用片內部的以太網控制器外設使用外擴物理層器件，構建一條100Mb／s的高速以太網接口。采用CPLD搭建系統(tǒng)控制電路，避免了復雜的硬件設計，集中管理系統(tǒng)內的控制信號，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、相關中斷寄存器、設置視頻端口及視頻解碼器，等待中斷信號。4路現場采集的PAL制式視頻信號，經過對應的視頻解碼器TVP5150處理，轉換成8 b的ITUBT．656格式的數字視頻信號，相應的行、場同步等同步信息打包成內嵌同步頭信號，一起送入DSP對應的視頻VP接口。各路模擬視頻信號經過解碼器轉換成數字信號后，傳送到DSP的數字視頻接口VP，通知DSP讀取的一幀內的圖像數據，存放到一個臨時的緩沖空間里，一幀圖像緩沖空間滿后觸發(fā)中斷；DSP接收到中斷后，將緩沖空間里的數據放到圖像緩存SDRAM中。DSP依次對圖像緩存SDRAM中的每路的整幀視頻信號進行壓縮編碼等處理，將處理后的數據寫入輸出緩存SDRAM中。當寫外部接口條件滿足，DSP將處理后的數據從輸出緩存SDRAM中讀出，經以太網輸出向雷達組網系統(tǒng)監(jiān)控中心發(fā)送。雷達組網系統(tǒng)監(jiān)控中心通過IP地址訪問各雷達站，接收雷達視頻數據信息，經過解碼回放以多屏切換顯示方式監(jiān)視遠端雷達的工作情況。[!--empirenews.page--]

2 主要接口設計
2．1 視頻接口
    模擬視頻信號不能直接從網絡傳輸，只有轉換成為符合ITU-R BT.656標準的數字信號，才可方便地利用DSP進行壓縮處理后上網傳輸。  TI公司生產的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行A／D轉換、視頻圖像的箝位及抗混疊濾波等預處理、模擬數字化轉換及亮度／色度、水平／垂直同步等信號的分離，將模擬視頻信號轉換為數字并行信號BT．656碼流格式，行／場同步信號包含在BT．656數字視頻數據流的EAV和SAV中。
    TMS320DM642的3個視頻端口VP0，VP1和VP2，支持BT．656數字視頻格式，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5120B捕獲／顯示緩存。設置其VP0和VP1為輸入視頻端口，作為4路雷達狀態(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的參數進行配置，每路TVP5150輸出配置為8 b的YUV422格式，設分辨率為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GPO[0]為“0”時，選通第1，2通道TVP5150進行配置；而設GPO[0]為“1”時，則選通第3，4通道TVP5150進行配置。
    解碼器TVP5150在本地時鐘的控制下，通過EDMA通道自動向TMS320DM642視頻端口緩沖區(qū)單元發(fā)送數據，當采集完一場數據時產生DMA中斷。在DMA中斷服務程序中完成相應的處理后，存儲到外部SDRAM。TVP5150的GPCL引腳用來控制視頻數據流的采集，當GPCL為1時，允許VP口對輸入視頻數據流進行采集；當GPCL為0時，禁止采集。
2．2 網絡接口
    TMS320DM642內部集成有以太網媒體訪問控制器和管理數據輸入／輸出模塊(EMAC+MDIO外設)。EMAC為DSP內核與網絡提供了一個有效的接口，EMAC為網絡的數據通路，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的速度下進行全雙工或半雙工傳輸。支持EMAC／MDIO復位和優(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質量保證(QoS)支持。
    EEMAC接口支持到計算機網絡協(xié)議的數據鏈路層，支持標準的MII接口與物理層設備相連。物理層設備使用BROADCOM公司的BCM5221、Pul se公司的1：1型隔離變壓器H1102和AMP公司的RJ 45連接器，網絡通信硬件電路結構如圖2所示。

    BCM5221為10Base-T／100 Base-TX以太網控制器，兼容IEEE 802．3標準，其MII接口與TMS320DM642的MII接口對接。視頻數據經TMS320 DM642壓縮處理之后，傳輸到BCM522轉換為以太網物理層能接收的數據，通過網絡電平轉化芯片H1102處理，經RJ 45接口傳輸到以太網上。

3 信息采集處理
3．1 雷達狀態(tài)信息采集
    雷達狀態(tài)信息包括兩部分，一部分是雷達系統(tǒng)的內部信息，主要是通過其各分機檢測儀表和監(jiān)控臺顯示出來的，它們直接反映了接收機、發(fā)射機、信號處理機、天線、伺服等分系統(tǒng)運行情況；而另一部分是設備周邊的外部情況，包括雷達機電設備外部狀況、人員操作及周邊環(huán)境情況等。
    雷達內部信息的視頻信號從系統(tǒng)控制臺和伺服控制臺上錄取，通過信號轉換器規(guī)整成為標準制式視頻信號；外部信息采用攝像方式將雷達站設備外觀、人員操作情況及周邊環(huán)境攝制為標準制式視頻信號。4路視頻信號：一路由視頻轉換器將雷達監(jiān)控臺顯示的系統(tǒng)信息轉換成PAL制式視頻信號；一路由視頻轉換器將伺服監(jiān)控臺顯示的天控狀態(tài)信息轉換成PAL制式視頻信號；一路由外攝像機提供雷達站外部天線指向及周邊情況的視頻信號；一路由艙內攝像機提供設備狀況和人員操控情況的PAL制式視頻信號。雷達狀態(tài)信息和周邊環(huán)境情況的4路模擬視頻信號通過4路解碼器轉換為轉換成4路8 b的ITUBT．656格式的數字視頻信號。
3．2 數據處理
    為了提高數據傳輸效率，必須選擇先進的壓縮標準進行數據壓縮處理。H．264是新一代視頻壓縮標準，加強了對各種信道適應能力，采用“網絡友好”的結構和語法，有利于對丟包和誤碼的處理；且應用范圍較寬，滿足不同速率、不同解析度以及不同場合傳輸的需求。本系統(tǒng)的數字視頻信號壓縮編碼采用H．264標準，該標準是根據圖象序列中的冗余來進行數據壓縮的，其壓縮率比MPEG-4高1．5～2倍，且引入了面向IP包的編碼機制，碼流結構網絡適應性強，增加了差錯恢復能力，能夠很好地適應IP和無線網絡的應用。盡管H．264運算復雜度是H．2 63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，并等待傳輸完成消息。圖像壓縮任務主要操作是循環(huán)等待視頻采集任務發(fā)來的采集完成消息，然后調用H．264編碼模塊進行壓縮圖像，當H．264碼流形成后，發(fā)送編碼完成消息給碼流傳輸任務。碼流傳輸任務也是在不斷循環(huán)等待編碼任務完成信號，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。三項任務互相協(xié)作，完成圖像的采集、壓縮、傳輸功能。

4 結語
    本文根據雷達組網系統(tǒng)設備特點，設計了一種集雷達系統(tǒng)信息采集處理功能和網絡數據傳輸功能為一體的遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)，使遠端雷達站具備了收集狀態(tài)信息及向監(jiān)控中心傳輸的能力。該系統(tǒng)具有處理速度快、工程易于實現、擴展升級方便等特點，信息顯示不需要監(jiān)控中心重新采編，對分布系統(tǒng)設備集中管理有很好的推廣價值。