Linux是開放源代碼、網絡化的操作系統，具有穩(wěn)定、高效、內核可自由配置等特點。采用Linux 操作系統作為開發(fā)平臺與采用VxWorks 和Windows 作為開發(fā)平臺相比不僅有免費的優(yōu)勢，而且對于發(fā)展核心技術，提高信息安全有著極其重要的意義，是自主研發(fā)的一個方向。隨著我國天氣雷達的快速發(fā)展，天氣雷達在民用和軍事領域的應用越來越廣泛。目前，天氣雷達高速數據采集、傳輸等功能大都基于Windows平臺進行開發(fā)實現，實現由Windows平臺向Linux平臺的轉換，對于發(fā)展中國自主知識產權氣象軟件核心技術, 提高信息安全有著極其重要的意義。本文基于Linux 操作系統(2.6.23內核)，實現了天氣雷達高速數據采集及處理，對天氣雷達系統由Windows平臺向Linux平臺移植具有參考價值。

1 數據采集系統分析

1.1 工作原理

天氣雷達高速數據采集系統由I/Q數據采集、FIFO緩沖、FPGA控制模塊及PCI總線芯片PLX9054組成，系統結構框圖如圖1所示。
 

其核心部分為FPGA控制模塊，主要實現4個功能:(1)根據雷達量程和距離分辨率調整AD采樣時鐘的頻率；(2)控制AD兩路采樣數據寫入FIFO 緩沖以及DMA 傳輸時從FIFO中連續(xù)讀出數據； (3)與PCI總線控制芯片PLX9054 進行控制交互, 實現局部總線的讀寫控制、地址譯碼和中斷觸發(fā)；(4)與PLX9054 進行數據交互，使用FPGA內部RAM保存控制天氣雷達發(fā)射機和接收機工作的命令及數據，完成對雷達工作的控制。

I/Q數據采集輸出數據速度為2.4 Mb/s(I、Q數據各為24 bit)，通過FPGA控制，合并寫入到FIFO緩沖。FIFO緩沖為32 bit、深度為16 KB的數據緩存，有效位為24 bit；與計算機總線的接口采用32 bit的PCI總線接口芯片PLX9054，PC機通過它完成與數據采集系統的數據交互。

1.2 PC機與采集系統數據訪問

1.2.1 局部地址分配

PC機與天氣雷達高速數據采集系統的數據訪問通過PCI總線芯片PLX9054實現，訪問目標為FIFO緩沖和FPGA片內RAM。對FIFO緩沖和FPGA片內RAM分配不同局部地址，通過對局部地址總線進行譯碼確定需要訪問的目標。FIFO 數據采用DMA傳輸方式連續(xù)讀出, 每次傳輸長度最大為8 KB,因此,設置FIFO空間32 bit局部地址范圍為0x20000000～0x2000FFFF，映射空間為PCI 地址空間bar2。

FPGA片內RAM位寬為32 bit, 采用局部地址范圍為0x40000000～0x400FFFFF。映射空間為PCI地址空間bar3。[!--empirenews.page--]

1.2.2 數據訪問方式

FIFO緩沖為可編程FIFO，由FPGA根據片內存儲的雷達參數進行控制。當FIFO中數據達到設置的大小時，觸發(fā)PCIPLX9054引發(fā)PCI中斷，通過該中斷向驅動程序申請發(fā)起DMA 傳輸。驅動程序響應該中斷后設置PCIPLX9054的DMA寄存器, 發(fā)起方向從局部總線到PCI總線的DMA傳輸，完成FIFO數據向PC機的傳輸。

FPGA片內RAM通過PCI地址映射，使用IO操作方式進行數據讀寫訪問。

2 Linux程序實現

天氣雷達高速數據采集系統基于Linux2.6內核平臺程序，由基于PCI總線的設備驅動程序、數據采集及處理程序組成。

2.1 設備驅動程序實現

設備驅動程序的功能是在Linux2.6系統平臺下，通過對PCI總線控制芯片PLX9054的控制,實現PC機與采集板的數據交互，實現雷達采集數據的實時接收及雷達工作狀態(tài)的控制。從功能結構上，設備驅動主要由設備裝載及初始化、提供給用戶層的接口函數、中斷及DMA數據傳輸三部分組成。

2.1.1 設備裝載及卸載

設備裝載和卸載即是Windows系統中設備驅動安裝和卸載。在Linux2.6中，裝載和卸載主要通過調用系統提供的PCI總線驅動注冊函數pci_register_drive和注銷函數pci_unregister_driver來實現，其注冊的driver數據結構如下：

static struct pci_driver plx9054_pci_driver = {

.name = ‘pci9054‘,

.id_table = plx9054_pci_tbl,

.probe = plx9054_probe,

.remove = plx9054_remove,

};

當系統引導時，高速數據采集系統板上電后，板上PCI總線固件對PLX9054設備進行缺省配置，為設備的每個地址區(qū)域分配好資源。裝載函數在驅動中用module_init聲明，進行設備的初始化工作，調用PCI總線驅動注冊函數，根據id_table定義的信息對PCI設備PLX9054進行探測識別，完成PLX9054設備驅動的PCI總線注冊,然后調用驅動注冊的probe函數，完成PLX9054設備使能、PCI地址空間映射、PLX9054設備數據結構初始化、設備注冊(注冊為字符設備)等操作。卸載函數用module_exit聲明，是裝載的逆過程，通過調用PCI總線驅動卸載函數，繼而調用注冊的remove函數、注銷設備及PCI地址空間映射、釋放分配給設備的數據結構空間等操作，完成系統資源釋放。[!--empirenews.page--]

2.1.2 設備接口函數

設備接口函數為用戶提供與設備進行交互的不同功能接口，主要完成用戶與設備的讀、寫及設備控制訪問等功能，其數據結構設計為：

static const struct file_operations plx9054_fops = {

.owner = THIS_MODULE,

.open = plx9054_open, /*打開設備*/

.release = plx9054_close, /*釋放設備*/

.ioctl = plx9054_ioctl, /*IO操作*/

.read = plx9054_read, /*讀設備*/

};

這個數據結構在設備裝載過程中，作為設備注冊的參數完成與設備掛接、使用戶在系統調用中能訪問到上述關聯的設備接口函數。

設備打開函數plx9054_open完成以下操作：設備私有數據結構內存空間分配及初始化，DMA連續(xù)物理內存空間申請，為天氣雷達最大距離探測采集數據的大?。徽{用pci_map_single將分配的DMA內存空間映射為用于DMA傳輸地址；DMA數據緩沖區(qū)分配(容量為2 MB)，緩沖區(qū)保存每次DMA傳輸中獲取的數據；調用request_irq對中斷函數p9054_interrupt進行中斷號申請；對天氣雷達工作參數進行缺省配置，啟動雷達工作。設備釋放函數PLX9054_close完成的操作與設備打開函數與PLX9054_open相反。IO操作函數PLX9054_ioctl通過sys_ioctl系統調用，完成用戶與設備的信息查詢、雷達工作參數配置與查詢，如驅動軟件版本號、雷達當前工作各參數配置和查詢，主要用于對FPGA中RAM內存空間的雷達工作參數數據訪問。由于這部分數據對訪問速度要求不高，使用IO操作能很好地滿足設計要求。讀設備函數PLX9054_read將驅動DMA數據緩沖區(qū)中的數據實時讀取到用戶空間緩沖區(qū)內，完成采集數據從設備到用戶的讀取操作。

2.1.3 中斷處理及DMA傳輸

中斷處理及DMA傳輸是驅動的核心部分，它的設計質量直接影響到雷達采集數據能否正確、實時地從采集系統板傳送到設備驅動緩沖區(qū)，并實時被用戶獲取。中斷處理工作流程如圖2所示。

數據采集處理程序是雷達高速數據采集系統的應用處理程序，完成雷達高速數據采集及對采集數據的數字信號處理、輸出天氣雷達生成一次產品。其主要流程如圖3所示。

在采集I/Q數據時，I/Q兩路數據采用交叉采集方式存入FIFO緩沖中，每路數據有效位為23，最高位為符號位。因此，在采集數據處理中需對讀取的數據進行I/Q數據分離，即將采集數據恢復為原始I、Q兩路數據，同時將24 bit數據轉換為32 bit數據方式存儲，以滿足后面數字信號處理要求。

在軟件設計中，不同數字信號處理功能采用不同數字信號處理函數實現，在采集數據獲取前進行選擇配置，數字信號處理功能增加可通過增加相關的數字信號處理函數來滿足，以方便功能的完善和移植。通過對I/Q數據分離后獲得的數據進行相關數字信號處理即可獲得天氣雷達中的一次產品，如功率和反射率等。

本文基于Linux2.6平臺，設計實現了天氣雷達高速數據采集系統的驅動和數據采集及對采集數據的數字信號處理，并在現有天氣雷達上完成了調試驗證。目前，本設計已成功地應用在現有的天氣雷達中。