摘　要: 介绍了利用USB2.0技术设计雷达目标和数据采集系统" title="数据采集系统">数据采集系统接口的方案,给出了雷达目标检测" title="目标检测">目标检测和数据采集系统的硬件结构图、USB固件" title="固件">固件程序、驱动程序及应用程序" title="应用程序">应用程序的设计方法。
   关键词： 目标检测和数据采集系统  USB2.0  固件程序" title="固件程序">固件程序  驱动程序

    数据采集系统是雷达目标识别系统的前端部分，也是整个雷达目标识别系统中的关键部分之一。雷达观测目标时取得的用于分析、识别目标的测量数据子集就是通过数据采集获得的。雷达目标识别系统为了提高系统的性能，要求获得的测量数据更加准确、精度更高。性能完善的数据采集手段将使得雷达目标特性分析、特征提取和目标识别方法更加灵活多样、特征信息更加完整，最终使得整个识别系统的性能得到提高。
    自20世纪60年代以来，由于雷达目标识别技术具有重要的军事应用价值，学术界和应用部门越来越重视对它的研究和应用。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。同时，在芯片集成度越来越高、功能越来越强大的技术背景下，设备的体积小型化、功能集成、使用方便已成为产品设计中的重要思想之一。正是基于这一思想，本文将致力于雷达目标检测与数据采集系统的USB接口的研究。该系统具有速度快、处理能力强、体积小、扩展方便等优点。
1 系统硬件设计
1.1系统结构
    本文开发的基于USB接口的雷达目标检测和数据采集系统的结构框图如图1所示。信号由两路输入：第一路从检测AD转换模块输入，经DSP进行算法检测后，进行数据处理，其结果保存在FIFO内；第二路由采集AD转换模块输入，采样后的数据保存在两路乒乓存储器内。主机通过USB接口可以从FIFO或两路乒乓存储器内取出所需数据。

                              
    数字信号处理芯片选用TMS320C31-80。TMS320C31是TI公司生产的第一代浮点DSP芯片，具有32位的浮点精度，60ns的单周期指令执行时间，能进行整数、浮点及逻辑运算，它是一个性价比较高的浮点处理器,是目前国内应用比较广泛的DSP芯片之一。DSP在系统中主要完成雷达目标检测算法。目标检测算法的基本思想是双门限比较方法。第一门限检测用来判断目标是否存在;第二门限的检测则判断连续存在的目标的宽度，从而确定检测目标的大小，这是基于对第一门限检测后所检测到的连续目标个数进行计数来实现的。“点迹凝聚” 是DSP用于判断目标连续存在时采用的基本方法。在目标检测过程中，由于天线的发射波束形状的影响，可能对同一目标在一段时间内都会检测到， DSP处理算法规定，在某一段时间内出现的相关性目标为同一目标，计算这段时间该目标航迹的中心点，从而凝聚得到一个点，将这个点所在的方位和距离确定为目标的方位和距离，称为“点迹凝聚”。
    在该系统中，共使用了两片FPGA芯片，分别是Xilinx公司生产的xcs10和xcs30。它们主要完成以下工作：(1)从主机发送方位信息和距离信息到FPGA内部的方位寄存器和距离寄存器;(2)对当前方位、当前距离进行记录;(3)波门的产生和终止;(4)给数据帧加头。
    USB接口芯片CY7C68013的供电电压为3.3V，可以通过USB连接电缆上的5V电压得到供电电流，但是本系统功耗超出了USB协议中规定的“对于总线供电设备最大输出电流500mA”的标准，所以采取了外供电源的方式。本系统为3.3V/5V电压混合系统，使用一块CPLD（XCS95144）完成了不同电平之间的转换。
1.2 ＦＸ２芯片
    Cypress公司推出的ＥZ-USB FX2芯片也叫做CY7C68013，它是业界第一个支持USB2.0同时向下兼容USB1.1规范的单片机，其数据传输率可达到480Mbps。该芯片把USB2.0收发器、串行接口引擎SIE、增强的8051内核、I²C总线接口以及GPIF集成于一体。因其具有速度快、体积小、扩展方便、供电方式灵活、支持热插拨和即插即用方式等特点，所以在海量存储器、打印机、扫描仪和PCMCIA等各种USB设备上得到了广泛的应用。同时Cypress公司提供了相应的开发工具，降低了开发难度。
1.3 CY7C68013与FPGA接口
    在本课题研究中，确定需要通过该接口芯片完成的功能有：(1)主机发送控制命令给DSP;(2)发送存储在FIFO的检测结果给主机；(3)发送波门信息以便形成采集波门得到精细采集数据；(4)发送由主机传送来的通道控制命令；(5)发送存储在RAM中的精细采集数据到主机。根据上述所必须完成的功能，确定USB接口芯片CY7C68013与外部的FPGA的连接方式，如图2所示。

                           
2 软件设计
    首先，USB芯片要完成与PC主机的通信。因而，USB芯片必须开发有内部的固件程序，以提供必要的设备描述符信息，响应主机的通信请求，并完成与FPGA的数据传输。而在主机端，则必须有能够支持USB协议并控制传输的USB驱动程序，在驱动程序的上端，还要有实现与驱动程序接口的应用程序。
2.1 固件程序设计
    固件程序完成的工作主要有处理设备请求和数据传输两个方面。设备请求的处理通过一个死循环完成，数据传输则利用中断服务程序实现。整个固件工作流程如图3所示。

                           
    固件主程序主要完成对设备请求的处理。具体过程如下：先初始化状态变量，再调用一个初始化函数TD_init()，在该函数中完成设置中断寄存器、设置读写脉冲输出使能、设置PB口输出使能等功能，然后进入一个死循环。在死循环中先调用用户定义的TD_POLL()函数，该函数在设备功能单一情况下可以直接处理数据传输而无需使用中断的方法，本设备因为用到多个端点，需要完成对外部模块的多路控制，所以没有采用通过TD_POLL（）完成数据传输的方法，而是在接到SETUP令牌的情况下调用设备请求处理函数完成设备请求的处理。
    中断服务程序主要用来完成数据传输，每一个端点的数据传输请求通过相应的中断处理程序完成，在中断服务程序中，必须注意在完成相应的功能后都必须进行中断标志的清除。
    对于本USB接口芯片，中断位的设置由硬件完成，由软件清除。在清除过程中，除了对该端点中断标志位清除外，还必须清除USB中断标志位，否则，将出现中断丢失的错误。
2.2 驱动程序的设计
    驱动程序开发需较长的周期，这里使用的是Cypress公司提供的EZUSB FX2通用驱动程序，实验结果表明，系统能正常工作。
2.3 主机应用程序
    主机应用程序工作流程如图4所示。

                              
    最上层的应用程序是用VC6.0开发的，主要完成与驱动程序的通信并接收用户应用软件的各种操作请求。应用程序的总体结构由一个对话框窗口处理函数和一个对话框主程序组成，在消息处理函数中完成对各种消息的处理。主机应用程序主要完成3项功能：控制设备状态、发送DSP工作参数、接收采集结果。另外，还完成固件下载、波形显示，形成数据文件等功能。在实际的开发过程中，可以根据用户需求添加函数完成相应的功能，如建立数据库、动态显示等。
2.4 应用程序和驱动程序的通信
    在Windows中，应用程序实现与WDM通信的过程是：应用程序先用CreateFile函数打开设备，然后用DeviceIoControl与WDM进行通信，包括从WDM中读数据和写数据给WDM两种情况，也可以用ReadFile从WDM中读数据或用WriteFile写数据给WDM。当应用程序退出时，用Closehandle关闭设备。这将产生对应于此设备的相应IRP。下面给出了应用程序与驱动程序进行通信的函数：
    DeviceIoControl (handle,
          IOCTL_EZUSB_BULK_WRITE,
　　      &bulkControl, 
          sizeof(BULK_TRANSFER_CONTROL)         
          &outBuffer,          
          OutPacketSize,           
　　      &nBytes,
　　      NULL );           // 本设计中采用bulk传输方式。
    基于雷达目标检测和数据采集系统的USB接口具有传输速度快、通用性强、性价比高等特点，能够满足雷达数据实时传输的需要。
参考文献
[1] 边海龙. USB2.0设备的设计与开发[M]. 北京: 人民邮电出版社，2004.
[2] 武安河. Windows 2000/XP WDM设备驱动程序开发[M].北京：电子工业出版社， 2003.
[3]  王书宏,姜卫东，邱兆坤，等.雷达自动目标识别系统中目标检测模块的DSP实现[J].国防科学技术大学学报，
 2002，24（3）：60-63.