基于DSP的大容量SAR数据存储系统设计.pdf

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1、第1 1 卷第3 1 期2 0 1 1 年1 1 月1 6 7 l 1 8 1 5(2 0 1 1)3 1-7 6 6 7 0 6科学技术与工程s c i e n c e1 k h n o l o g)r 卸dE n 西n e e r i n gV 0 1 1 1No 3 lN o v 2 0 1 l 2 0 l lS c i T e c h E n g r 昏基于D S P 的大容量S A R 数据存储系统设计翟丽杰(渭南师范学院物理与电气工程系，渭南7 1 4 0 0 0)摘要针对合成孔径雷达(S A R)技术中高速实时处理并存储大容量数据的要求，提出基于D s P 大容量S A R 数据

2、存储系统的设计。该系统以D s P 为核心处理芯片，移植实时操作系统提高整个过程中实时性，在实时操作系统调度下将数据以F A T 文件形式存入S A T A 硬盘。关键词D s Ps A Ru c O s s A T A中图法分类号T N 9 5 7 5 2 2；文献标志码A随着合成孔径雷达(S A R)未来在不同领域的广泛应用，合成孔径雷达(S A R)技术有了突飞猛进的进步，出现了超高频、超宽带、毫米波S A R。由于S A R 技术全面发展及其全天时、全天候测量，大大增加了其相应数据量和数据率，要求后端接收模块进行大容量、高速度数据实时存储。D s P(d i 舀t a ls i g I

3、 l a lp r o c e s s o r)是一种独特的微处理器具有强大数据处理能力和很高运行速度，已广泛应用于语音系统、雷达、视频监控等场合旧】。本系统前端接收机以2 4 0M B s 数据速率接收数据，系统进行实时存储的要求：(1)单通道存储速度大于3 0M B s；(2)存储丢帧率小于3。为了设计满足系统要求本文提出了基于D S P 的S A R 大容量数据存储系统设计方案，实时性方面的要求，由基于D S P 移植嵌入式实时操作系统，在实时操作系统调度下存储数据的方案来满足；大容量方面要求，由两个1 2 0G 硬盘来文现；存储数据后期的管理和处理要求，由基于操作系统开发文件系统，将数

4、据以文件格式进行存储来实现。1 系统整体结构本文介绍的基于D s P 的大容量s A R 数据存储2 0 1 1 年7 月1 3 日收到，8 月5 日修改作者简介：翟丽杰，女。E m i l：z h a i 蜥i e 8 8 8 1 6 3 c。系统项目前端是雷达接收机，F P G A 经由S H B 总线以2 4 0M B s 速率接收接收机送入的正交两路(L Q)雷达回波信号。在嵌入式实时操作系统调度下将数据传到核心模块D S P，D s P 内对数据进行回波检测算法处理后，将有效同波数据以文件的形式存储到存储模块S A T A 硬盘。采用双S J m 硬盘存储，容量为2 1 2 0G。系

5、统功能结构图如图l 所示。广一一1：核心处理模块：IIIl：芝塑杰箜堡苎j图l 系统功能结构图由图l 可知s A R 数据存储系统由核心处理模块D s P，外设n a s h、S D R A M，F P G A 及数据存储设备组成。核心处理模块D s P 主要功能是利用回波检测算法提取接收信号的有效回波n a s h 主要是存储自动加载程序，完成开机后自动加载；F P G A 主要是起到桥梁作用，一个是通过S H B 连接前端，将采集万方数据7 6 6 8科学技术与工程1 1 卷模块数据送人D S P，另外一个是将D S P 处理后的数据经P C I 传人数据存储模块；数据存储设备是S A R

6、数据存储系统中存储数据的载体，是容量为2 1 2 0G的S A T A 硬盘。2 系统工作流程系统的工作流程图如图2 所示。开机复位D s P 发送开始信号给采集模块开辟文件系统所需内存空间，初始化文件系统，创建新文件并命名采集模块通过s H B 总线传输数据到存储系统F P G A 接收S 邶总线送入数据F P G A 将数据传给D s P 模块?渊赣蔷秽 刊墨壁塑算法提取有效回波l 盔砰坝颂是f在D s P 模块将有效回波缓存在内存空间读取内存中数据写入文件多件大小已登是上保存文件并存盘取消初始化，释放空间图2 系统工作流程图3 系统软件方案设计本文所没计的基于D s P 的大容量S A

7、R 数据存储系统要求系统完全脱机工作，将接收的数据进行实时存储并以文件形式存储到存储设备上，实现大容量数据存储。基于以上特点，系统软件实现方案主要是包括：(1)引导加载程序，为了实现开机自动调入操作系统，进行完全脱机工作。(2)嵌入式操作系统，是软件平台的主体，负责嵌入式系统的全部软、硬件资源的管理和使用；(3)文件系统，经D S P 处理后的数据最终以文件形式存入硬盘。(4)用户应用程序。主要是核心模块进行的回波检测算法。综上所述，基于D s P 大容量S A R 数据存储系统，主要是进行开机自动加载、移植实时操作系统，并基于操作系统实现文件开发等步骤。3 1 嵌入式实时操作系统移植D s

8、P 是本文介绍系统的核心模块，主要是利用回波检测算法比如小波变换、脉冲压缩等提取接收信号的有效回波信号，并将信号经P c I 存入系统硬盘。除此外还要负责和外没正常通信以保证实时存储，基于以上两方面的原因引入嵌入式实时操作系统一缈0 卜。斗C O S I I 是一种基于优先级的抢占式多任务实时操作系统，包含了实时内核、任务管理、时间管理、任务问通信同步(信号量，邮箱，消息队列)和内存管理等功能，其实时内核具有可裁剪、可固化特点适用于各种微处理器”1。斗C O S I I 具体的内核架构为：与处理器无关内核代码，其源码可以在相关网站上进行下载；与处理器有关的斗C O S I I 移植代码，主要是

9、这三个文件O S C P U H、O S C P U A A S M、O S C P U-c C，需要根据不同的处理器进行修改和编写，以应用在不同处理器上；与应用有关的斗c O s I I 配置代码，主要是这两个头文件文件0 S C F G H、I N C L U D E S H，移植成功后实现某些特定任务和应用程序时进行修改和编写的【4】。进行系统移植主要是对这三个文件O S _ C P u H、o S C P UA A S M、O S-c P U C C 的编写。万方数据3 l 期翟丽杰：基于D s P 的大容量s A R 数据存储系统设计7 6 6 93 2基于心o S 一操作系统的F

10、A T 文件系统实现为了更加有效的管理s A R 接收的海量数据，并便于后期在计算机上进行进一步处理，将回波数据用文件的方式进行存储，即每次录取的数据存人一个文件。而F A T 文件小巧稳定并具有很强的兼容性，为本系统存储数据选择的文件格式。F A T 文件系统的分区由5 个基本区组成，它们分别是引导扇区(D B R)、F A T l 表、备份F A T 表(F A 他)、文件目录表区(F D T)、数据区【5J。基于C O S I I 实时操作系统的F A T 文件系统的实现分为三层：硬件介质驱动层、文件系统具体实现层、斗C O S I I 操作系统接口层。其基于操作系统的实现框图如图3。u

11、 c 0 s 一接口层为应用程序提供文件操作函数介目录操作I 文!操作伫=_ t文件、目录树操作I 嘲操作f 一磁盘操作|叫读鼍扇区操作fI介质操作接口为读写扇区函数提供统一的接口，同时调用下层函数彳产S A l r A 设备驱动程序图3F A T 文件系统实现结构图4 系统测试结果具体过程为：系统硬件连好并打开C C S，将编写好移植代码下载到s A R 数据存储系统中D S 卜T M S 3 2 0 C 6 4 1 5，然后进行编译、链接，观察系统移植测试结果。4 1系统移植测试结果测试分为两步：首先是内核本身运行测试，即验证移植的实时操作系统内核是否正常运行。此时如果有些部分没有正常工作

12、应是移植本身的问题而不是应用代码产生的问题。其次是多任务调度测试，测试程序是建立几个基于信号量进行通信的任务，如果通信按照程序预定方式进行切换则验证系统移植成功。从图4 中可以看出，内核运行正常，调试结束时，系统停止在系统空闲任务中，这是优先级最低的一个任务，它总是处于就绪态。从图5 中分析可以看出任务2 和任务3 通过消息(传递英文字母)进行通信和任务切换，从而可以验证多任务切换正确，系统可以进行任务调度，移植系统成功。4 2 文件系统存储测试在D s P 内产生一1 2 8 到1 2 7 的循环数据，并将这2 5 6 个数作为一帧数据存入硬盘中，整个文件大小为1 6 0M。将数据读出送入M

13、 A l L A B 进行比对验证数据存储的正确性。D S P 内产生数据如图6，硬盘读出数据在M A T L A B 环境下的数据图像如图7，画图的取样点为2 0 4 8 点。由图中可以看出从硬盘读出的数据和D S P 产生的原始数据相比数据存储是正确的，而且经过计算证明输入的数据量与文件的大小完全匹配，写硬盘过程中的数据丢失率为0。存储模块完全能正常工作，性能良好。5 结束涪本系统的测试是在硬件整个完成之后，通过本文介绍了一种基于D s P 的大容量数据存储J A T G 下载器和电脑相连，并在其D S P 开发环境的解决方案，此方案的优点如下：系统的实时性高；C c s 3 1 中进行相

14、应的测试。可脱机自动加载运行，便携性高；以文件的形式存储，后期处理能力强。万方数据7 6 7 0科学技术与T 程卷，!，l eE m曲回。h 竹r o J c t电驴、e h 峰g 乩曲t l 似琏q f l l l 卧d sn 窜佃1 0 sn“叩M 1 p厂 窨备噜h 吼国岭啦鲁弗雒陌面石磊焉1 瓜面1 母豳出F 曲h 杈置$盎嗣甜口县目田园画正v 0 1 d0 s T h s k I d l e(v 0 1 d p a r g#1 f0 s c R I T I c A L M E T H O D 一0 S C P U S Rc p u s r=u：#e n d l(v 0 1 d)p a

15、 r g；f o r(：)0 s k c R I T I C A LO S I d l e C t r+：0 s 既I T c R I T I c A L(0 S T d s k I d l d b o kf)二)w d f t lm c。c。、t“l、T 目叠涵1 c d图4 内核测试结果图亩岔口吣Pnr 曰叠噶_ f 母岬啦谁罅啦拦，4犀商巧石i 1 丽五1 雷瞄出。eR 瓢-+霉屑嗣a 日蹦日日国正阁5 多任务测试结果图n 希伊-伊1n茗i笋固口躅i卜Ic萨1n 笛茸口万方数据翟丽杰：基于D s P 的大容量s A R 数据存储系统设计7 6 7 1囚酗1 el 凼t1 1 譬。j e

16、c t亩岳瞄-庐xn e b W 旦L 血t 1o nP o f l l t 卧o l；哪，B I 略广一再五五F 面i 嗣甜凸国酗固四回d功帚叠蓉固幽出塾n d o#H e l pj：。j。姆“9 6(1 口2 3 1 打)0 2 1 2 柏1 t 3 41 B 舶1 科3 4 7T h eL i n u t oS c 1 e卜4 l一4 03 93 83 73 6If o1 91 B一1 71 6 1 5II9如1 1 1 21 31 41 5 爿匀习习日i 面酿剐厂 b j j，-。缸盂茹矗。函。j 孑一=。一一_ 一一叵二二二匝三二二正互匡三=Il 一ho x 0 0 0 0 8 0

17、B cI nh e xlI 一夕(崦a lo z 0 0 0 0 8 0 B cmh“llr o】一1 2 8I n t“cIJ 1 一1 2 7I n td e cll瞳一1 2 5I n td e cJf口】一1 2 5I n td e cIlp【们-1 2 4I n ta e c，l!一，。_ 一黪I m ML“s-l图6D s P 产生数据操作系统的可视界面的开发，文件系统的高速缓存管理、对文件碎片的抑制能力。参考文献图7 硬盘读出数据本文介绍s A R 数据存储系统中硬盘读写速度为3 0M B s 加M B s，若要求更高的数据存储速度，在现有硬件基础上可采用磁盘阵列的存储方案，进一

18、步提高系统实时存储的速度和存储的容量。另外系统可以在以下几个方面改进：基于实时1 刘颖合成孔径雷达发展综述2 0 0 6 年雷达“四抗”新技术暨情报研究工作研讨会2o s h i k a 诅T，M 出帅HA n 幽m 80 f d y n 8 m i cc h 啪c t e n 8 t i c s f o f t h ep 盯-由v ta c d v en l t e rw I t h 山ed 5 pI E I C ET m n s a c d C o m-u 血c a f l o n sV O L E 9 0 一B 09 驿p t e m b e r2 0 0 7：8 l 8 83(美)L

19、血r o s 靶JJ 嵌人式实时操作系统c o s 一第2 版，邯贝皿，译北京航空航天大学出版杜，2 0 0 3：7 2 1 1 5，2 8 l 3 1 04 曲延滨苏键勇，冯立围实时操作系统u c O s 一在D s P 上的移植微处理机，2 0 0 51 3：4 3 4 55 任哑洲F A _ 1 3 2 文件系统研究计算机丁程应用技术2 0 0 8；3(6)：3 0(下转第7 6 8 l 页)1一。蕊一m甄加埘，一盯，q一啦“盟薯万方数据3 1 期陈鹏，等：M i n i x 3 微内核进程间通信模块设计与实现7 6 8 1D e s i g na n dI m p l e m e n

20、t a t i 伽o f 口CM o d u l eo nM i I l i x 3C H E NP e n g，Z H A OZ h e n g w e n，Y UC h a 0-c h a o(D e p a r t m e mo fC 咖p u t e rs c i e e，N 盯t l l w e s t e mP o l”e c h I l i c a lU 面v e 玛畸，)【i 锄7 l 0 0 7 2。P R C l I i 眦)A b s t r a c t M i n i x 3i sar 印i d l yd e v e l o p i n go p e m t i n g

21、s y s t e m，w h i c hi sb 鹊e do nM i c r o K e m e la r c h i t e c t u r e B u ti r sI P Cf u n c t i o n a l i t yi sn o tc o m p r e h e n s i V ea tp r e s e n t A nd e s i g no fP b s i xm e s s a g e q u e u eo nM i n i】【3i sr e p r e s e n t e d，a n dd i s c u s s e dt h en e wp m b l e m s I

22、 P Cf h n c t i o n a l i t y 佣m i c r o-k e m e lo p e r a t i n gs y s t e mi si m p l e m e n t e d K e yw o r d s p o s i】【I P Cm e s s a g e q u e u em i n i xr I l i c m k e m e lq p u p q p q p q p 口 _ p q p q p q 产p _ p q p _ p q、廿q p 口p q p p q p 口p d p u p q p q p、妒_ p p u p u 口p p、妒。p u p

23、 p _ p q p q p u p q p p _ p p(上接第7 6 7 1 页)T h eD e s i g no fH i g h-c a p a c i t yD a t aS t o r a g eB 嬲e do nD S PZ H A IU j i e(D 印a n n _ e l I to fP l I y s i 肌dE l e c 咖础cE n g i r I e e r i I I g，w e i n 蛐T e 卵h e 墙u I I i v e 商t y。W e i 啪7 1 4 0，P R C h j 胆)A h t r a c t I no r d e rt om

24、 e e tt|l er e q u i r e m e n t so fh i g hd a t a c 印a c i t)，h i g h s p e e d8 t o r a g ei nS A Rr e c e i v es t o r a g es y s t e m，t h e8 0 l u t i o n si nt I l i sd i s s e n a t i o na r et I l a ti m p l e m e n tt I l ee r r I b e d d e dr e a L l t i m eo p r a t i n gs y s t e mi nD

25、S P T h eS A Rd a t a 咖r a g es y s t e ms t o r e st I l er e c e、r e dd a t ai nS A T Ah a r dd i s ki nF A Tf i l ef o m a tu n d e rt h eo p r a t i n gs y s t e ms c h e d l l l i n g K e y 啪r 凼D s Ps A Ru c O s I IS A T A心p 吣、一心p q 吣、9 冉q、h o p 心p p、p 心p q 吣、d p 心p p 崎吣、p、心声心p 吣、p 毡、事p 吣、u p、o

26、 p、9 净(上接第7 6 7 6 页)AW R 2 8C r y o g e I I i cS t a n d a r dN o i s eS o u r c eU A N GW e i _ j u n，G A OQ i u l a i(N 粕n a lI n s t i t I l t e0 fM e 廿o l o 盱，B e 西i I l gl o 0 0 1 3，P R C h i M)A b s t r a c t Aw R 2 8c r y o g e I l i ct|l e 咖a ln o i s es 协d a r dw 鹊c o n s t m c t e da tN I

27、Mi nD e c2 0 0 8 Af I I l lb a n dW R 2 8m a t c h e dl o a di m m e r s e di nt l l el i q u i dn i t r o g e ni ss e r v e da st h en o i s er a d i a t i o ns o u r c eo ft h es t a n d a r d T ba v o i dc o n d e n s a t i o n 粕dh e z ei nt h ew a v e g u i d et h en i t r o g e n g a sg u i d e

28、h o l e sa n dt I l ec o l l e c t i o nt a n ka r ed e s i 印e d r n l ee v a l u a t i o no ft l l eo u t p u tn o i s et e m p e r a t u r ea n dt l l eu n c e r t a i n 哆a s s e s s m e n ta r ed i s c u s s e di nd e t a i l T h eo u t p u tn o i s et e m p e r 砒u r eo ft I l i 8g t a n d a r di

29、 saf e wd e g r e e sa b o v e 山et e m p e r a t u r eo ft l el i q u i dn i t r o g e n，t l l eV S W R0 ft h en o i s es t a n d a r c li sb e l o w1 0 4a n dt h ee x t e n s i o nu n c e n a i n 哆i s 诵t h i n1 0 0K(后=2)f o ra 1 1t h ek q l l e n c yp o i n t sm a th a db e e ne v a l u a t e d Ac

30、a l i b r a t i o ne x a m p l eu s i n gt I l en e ws t a n d 捌n o i s es o u r c ei ss h o w na tt h ee n d T h er e s l I l t sa r ev e r yc o n s i s t e mw i t ht h en o m i n a lv a l u e so ft h eD U Ta n dt l l er e l a t i v em e 鹊u r e m e n tu n c e r t a i n t yi 8w i t h i n1 2 K e yw o

31、 r d s c r y o g e n i cn o i s es o u r c en o i 眈t e m p e r a t u r em a t c h e dl o a d万方数据基于DSP的大容量SAR数据存储系统设计基于DSP的大容量SAR数据存储系统设计作者：翟丽杰，ZHAI Li-jie作者单位：渭南师范学院物理与电气工程系,渭南,714000刊名：科学技术与工程英文刊名：Science Technology and Engineering年，卷(期)：2011,11(31)参考文献(5条)参考文献(5条)1.任亚洲 FAT32文件系统研究 2008(06)2.曲延滨;苏键勇;冯立国 实时操作系统UC/OS在DSP上的移植 2005(03)3.Labrosse J J;邵贝贝 嵌入式实时操作系统COS-20034.Oshikata T;Matsuo H Analysis of dynamic characteristics for the partially resonant active filter with the dsp外文期刊 2007(09)5.刘颖 合成孔径雷达发展综述 本文链接：http:/