FPGA anti-yüksek darbe havadan radar yankı depolama sistemi tasarımına dayalı "Radar Teknolojisi"
Taraftar Guohao 1, 2, Zhang Yanbing 1, 2, Li Xin'e 1, 2
(1. Eyalet Elektronik Test Teknolojisi Anahtar Laboratuvarı, Çin Kuzey Üniversitesi, Taiyuan, Shanxi 030051;
2. Enstrüman Bilimi ve Dinamik Test Temel Laboratuvarı, Eğitim Bakanlığı, Çin Kuzey Üniversitesi, Taiyuan, Shanxi 030051)
Özet: Havadaki Doppler radar eko kareleme iki kanallı sinyal, büyük miktarda veriye ve yüksek bir iletim hızına sahiptir. Havadaki ortam karmaşıktır ve bir hava felaketi meydana gelirse, depolama cihazı düştüğünde yüksek darbe yaşar ve kabuk, dahili devreye zarar verecek şekilde kolayca deforme olur ve bu da kaydedilen verilerin kaybına neden olur. Geleneksel veri yolu tipi kontrol veri kaydedicisinin küçük depolama kapasitesi, düşük iletim hızı vardır ve düşmenin etkisine dayanamaz. Bu sorunlara yanıt olarak, 160 MB / sn depolama hızı ile iki kanalda toplam 128 GB veriyi depolayabilen ve iki seviyeli tampon koruma için makul bir mekanik yapı tasarımı öneren, donanım kontrolüne dayalı çift kanallı bir radar yankı depolama sistemi tasarlandı. Deneysel sonuçlar, sistemin yüksek etkili ve zorlu ortamlarda verileri etkili bir şekilde geri okuyabildiğini göstermektedir.
Çin Kütüphanesi Sınıflandırma Numarası: TN952
Belge tanımlama kodu: Bir
DOI: 10.16157 / j.issn.0258-7998.2016.04.022
Çince alıntı biçimi: Fan Guohao, Zhang Yanbing, Li Xin'e.FpGA'ya dayalı anti-yüksek darbe havadan radar yankı depolama sisteminin tasarımı.Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2016, 42 (4): 78-80, 84.
İngilizce alıntı biçimi: Fan Guohao, Zhang Yanbing, Li Xine.FpGA'ya dayalı yüksek darbe direncine sahip havadan radar yankı depolama sisteminin tasarımı.Elektronik Tekniği Uygulaması, 2016, 42 (4): 78-80, 84.
0 Önsöz
Havadan darbeli Doppler radarı, Doppler efektini kullanan ve çeşitli arka plandaki karmaşaları bastırmak için spektrum ayırma teknolojisini kullanan bir darbe radarıdır.Düşük irtifa penetrasyon hedeflerine ve saldırı yer hedeflerine karşı erken uyarıyı iyileştirme yeteneğine sahiptir. Doppler radarı, belirli bir frekansta yüksek frekanslı enerjili dikdörtgen darbe dalgası yayar ve her emisyon, aynı frekansta birbirini izleyen tutarlı darbe dalgaları serisidir.Her bir emisyonun frekansı farklıdır ve zaman aralığı yaklaşık 100 s ~ 300 s'dir. Havadaki radar yankı depolama ekipmanı, çok sayıda ortogonal iki kanallı yankı verilerinin yüksek hızda toplanmasını gerektirir ve aynı zamanda, uçak uçuşunu tersine çevirdikten sonra verilerin yeniden okunması ve analizi için verilerin güvenilir şekilde depolanmasını tamamlar. Geleneksel radar eko çok kanallı veri kaydedici, her veri kanalının gerçek zamanlı kaydını gerçekleştirmek için çoğunlukla kontrol veriyolunu kullanır.Bu yöntem, uygun çalışma, güçlü esneklik ve kolay uygulama avantajlarına sahiptir. Bununla birlikte, havada taşınan ortam karmaşıktır, geleneksel veri yolu kontrollü veri kayıt ekipmanının kararlılığı ve güvenilirliği yüksek değildir, depolama kapasitesi küçüktür ve iletim hızı düşüktür. Ek olarak, bir hava kazası meydana gelirse, depolama cihazı düştüğünde yüksek darbe ve yüksek sıcaklık gibi zorlu ortamlara dayanacaktır Etkili veri yeniden okuması elde etmek zordur ve cihazın güvenilirliği büyük ölçüde azalır. Buna yanıt olarak, bu makale FPGA tabanlı bir anti-yüksek etkili radar yankı depolama sistemi önermektedir.
1 Sistem genel şema tasarımı
Radar görüntüleme teknolojisinin yüksek çözünürlük doğrultusunda gelişmesi ile radar yankı depolama cihazlarının kapasitesi ve hızına daha yüksek gereksinimler getirilmiştir. Bu yazıda tasarlanan depolama sistemi, Doppler radar dijital sinyal işlemcisi tarafından işlenen I ve Q iki kanallı ortogonal şifreli sinyalleri alır.Her kanalın maksimum iletim hızı 160 MB / s'ye ulaşabilir ve tek bir kanalın depolama kapasitesi 60 GB'den az değildir. . Sistem tasarımı, temel olarak aşağıdaki bölümlere ayrılan modüler fikri benimser: sinyal koşullandırma modülü, FPGA mantık kontrol ünitesi, Flash depolama dizisi, okuma modülü vb. Sistem blok şeması Şekil 1'deki gibi gösterilmiştir.
Spesifik çalışma süreci şudur: sistem açıldıktan sonra modüller başlatılır, işlemci tarafından yankı sinyali çıkışı A / D dönüştürme devresine ve sinyal koşullandırma modülü aracılığıyla yakalama tetikleme devresine gönderilir ve A / D parçası, izolasyondan sonra 14 bit paralel LVDS sinyalleri verir FPGA kontrolü altında, FIFO aracılığıyla Flash bellek dizisine arabelleğe alınır. Kayıt tamamlandıktan sonra, veriler ana bilgisayarda analiz edilebilmesi ve işlenebilmesi için okuma modülünden tekrar okunabilir.
2 Sistem ana modül tasarımı
2.1 Sinyal koşullandırma modülü
Bu modülün işlevi, sinyalin sonraki devreye girme gereksinimlerini karşılaması için kazanç ayarı, izolasyon, empedans eşleştirme, filtreleme vb. Dahil olmak üzere sinyalin ön işlemesini gerçekleştirmektir. Yapı şeması Şekil 2'de gösterilmektedir.
Radarın tüm iletim döngüsündeki sinyal miktarı çok büyük.
Bir dakikada yaklaşık 3 GB veri oluşturulabilir. Tüm döngüdeki sinyalin görev döngüsü çok küçüktür, bu nedenle sistemin yalnızca sinyali yankı sinyali segmentinde depolaması gerekir. Yankı yakalama devresi, depolamanın başlaması için bir tetikleme sinyali sağlar. Doppler radar eko sinyalinin özelliklerine göre, yakalama devresinde, Şekil 3'te gösterildiği gibi, etkili sinyalin doğru bir şekilde yakalanmasını sağlamak için üç seviyeli bir algılama mekanizması tasarlanmıştır. Hedef yankının darbe genişliği 0,2 s ~ 0,5 s'dir ve gürültü darbesi genellikle anlık ve rastlantısaldır. Bu nedenle, sıfır geçiş saptaması tarafından belirlenen eşik bir gürültü atımı olabilir ve bir sonraki aşamadaki darbe genişliği saptaması, yanlış tetiklemeyi etkili bir şekilde önler. Üçüncü seviye tespitte, iki ortogonal sinyalin aynı anda geldiği düşünülürse, bu koşul karşılandığında tetik sinyali üretilecektir. Aynı zamanda, N örnekleme değerini saklamak için FIFO'da bir alan ayrılır FIFO'daki veriler gerçek zamanlı olarak güncellenir ve en son N eko verileri her zaman korunur. Tetikleme sinyali geldiğinde, geçerli yankı verileri FIFO aracılığıyla Flash'ta arabelleğe alınır ve sinyalin tetiklemeden önceki kısmı da iyi korunur.
2.2 FPGA kontrol modülü
Tasarım gereksinimleri gibi gerçek durum göz önüne alındığında, FPGA ana yongası CycloneIII serisi EP3C16F256CN'yi benimser. Çip, bol miktarda yonga kaynağına sahiptir, BAG paketi biçimini benimser ve LVDS diferansiyel arayüzüne sahiptir. Tasarım sırasında, IP çekirdeği altlvde_rx (RLVDS), ADS6142'nin LVDS arayüzüne bağlanmak için doğrudan QusrtusII'de çağrılabilir. Bu IP çekirdeği, harici bir saatin kontrolü altında birden fazla paralel verinin eşzamanlı alımını, seriden paralele dönüştürülmesini ve veri tamponlamasını tamamlama yeteneğine sahiptir. Ana kontrol çipi, LVDS sinyallerinin iletimini iyi bir şekilde tamamlayabilir. Aynı zamanda, depolama sisteminin yüksek güvenilirliğini sağlamak için, NAND Flash için ECC doğrulaması da gereklidir.Bu işlev, FPGA'da IP çekirdeği çağırılarak gerçekleştirilir.
2.3 Depolama modülü
Depolama bölümü, toplam 4 GB kapasiteye sahip, üst üste iki 2 GB yongaya sahip Samsung'un ikinci nesil NAND Flash yongası K9GBG08U0A'yı kullanıyor. Geniş depolama kapasitesi özelliklerine sahiptir ve verileri kapatıldığında kaybetmek kolay değildir. Okuma, yazma ve silme gibi kontrollerin tamamı FPGA tarafından yapılır.
Kanal başına en az 60 GB veri depolama kapasitesi tasarım gereksinimini karşılamak için her kanalda 16 bellek yongasından oluşan bir depolama dizisi kullanılır. Her 4 dilim, kelime genişletme için bir grup ve her 4 dilimde bit genişletme için bir grup oluşturur. Büyük kapasiteli veri depolama amacına ulaşmak için 32 bit bit genişliğine ve toplam 128 GB kapasiteye sahip bir depolama dizisi oluşturulur. Depolama dizisi Şekil 4'te gösterilmektedir.
Flash depolama hızının yavaş olduğu ve iletim hızının gereksinimleri karşılayamadığı durumu hedefleyen bu makale, konumu genişletirken veri depolama oranını iki katına çıkarmak için boru hattı operasyonu tekniğini benimser. Ardışık düzen yöntemi, ardışık düzenlenmiş bir veri iletimi oluşturmak için bir sonraki seviye depolama birimine veri yazmak için esas olarak çipin özerk programlama süresini kullanır. Önce önceki seviyenin hafıza hücresinin adresini ve verilerini yükleyin.Veri yüklendikten sonra bu seviye otomatik programlama aşamasına girer. Bu seviyenin programlama süresi, sonraki seviyenin adres ve veri yükleme süresi ile çakışır, böylece her programlama seviyesi bekleme süresi kaydedilebilir. Tüm seviyelerde bu tür tekrarlanan işlemler, aerodinamik bir çalışma modu oluşturur. Her grubun ulaşılabilir veri depolama hızı 40 MB / s olup, her kanaldaki 4 grup aynı anda paralel 32 bit veri iletimi olarak kabul edilebilir ve hız 40 × 4 = 160 MB / s'ye ulaşarak yüksek hızlı veri iletimi amacını gerçekleştirebilir.
2.4 Okuma modülü
Bu sistem, USB3.0 arayüzü aracılığıyla okuma ve silme gibi komutları göndermek için LabVIEW tarafından tasarlanan ana bilgisayar yazılımını kullanır. Flash okuma ve yazma işlemlerinin kendi sabit zamanlamaları vardır ve okuma aşaması ayrıca depolama dizisinden veri okumak için bir ardışık düzen yöntemi kullanır. Okuma sırasında üretilen ECC kontrol kodu, saklama sırasında üretilen kontrol kodu ile XOR'lanacaktır Karşılaştırmanın sonucu, saklanan verilerin hata düzeltmesine ihtiyaç duyup duymadığını belirler.
3 Sistem şok direnci analizi
Bu sistemin çalışma ortamı serttir, uçak üzerindeki güçlü titreşim ve düşme anına eşlik eden güçlü darbe kuvveti, iç devre kartına zarar verebilir. Bu yazıda, mekanik kasa ve dolgu makul bir şekilde tasarlanmış ve sistemin iç devresinin yüksek basınç ve yüksek darbe ortamında normal şekilde çalışmasını sağlamak için iki seviyeli koruma benimsenmiştir. Son olarak, tasarlanan kabuğun darbe testi simülasyonu ANSYS 13.0'da gerçekleştirilmiştir.
3.1 Koruyucu yapının tasarımı
Bu sistemin üç devre kartı vardır: 1 numaralı sinyal koşullandırma kartı, 2 numaralı Flash depolama kartı ve 3 numaralı FPGA kontrol kartı. Bunlar arasında veri depolama bölümü olarak 2 numaralı kart en önemlisidir. Cihaz güçlü bir darbeyle hasar gördükten sonra, 2 numaralı kart tamamlandığı sürece veriler normal şekilde okunabilir. 2 numaralı kartı çekirdek konumuna getirin ve mekanizma şeması Şekil 5'te gösterilmektedir.
Kabuk, aynı malzeme altındaki diğer şekillerdeki kabuklardan daha güçlü olduğu için silindir olarak tasarlanmıştır. Silindirik kabuk 360 ° simetriktir ve küpün her bir kenarı ve köşesi, kabuğun deforme olmasına veya hasar görmesine neden olan stres yoğunluğuna eğilimlidir. Çeşitli yastıklama malzemelerinin elastik modülü, uzaması ve mukavemeti dikkate alınarak mekanik kabuk olarak yüksek mukavemetli alaşımlı çelik seçilir, iç koruma tabakası olarak köpüklü alüminyum kullanılır, dış tabaka kauçukla doldurulur ve iç tabaka epoksi reçine ile kaplanır.
Yüksek mukavemetli alaşımlı çelik, uygun sertliğe ulaşmak için özel ısıl işleme tabi tutulmuştur.Çok düşük sertlik kabuğun deforme olmasına, çok yüksek sertlik malzemenin kırılganlığını artıracak ve yapı kırılgan olacaktır. Epoksi reçine sertleşip oluşturulduktan sonra yüksek sertlik, yalıtım, korozyon direnci, yaşlanma direnci ve termal şok direnci özelliklerine sahiptir. Köpüklü alüminyum, yoğunluğunu değiştirerek elastik modülünü ayarlayabilen izotropik bir metal malzemedir.Yüksek eğilme sertliği ve şok dalgası emilimi vardır. Seçilen yastıklama malzemeleri büyük bir elastik modülüne sahiptir ve ilk olarak enerjinin büyük bir bölümünü yüksek darbe etkisi altında kendi deformasyonu yoluyla emer. Tamponlama eylemi altında, darbe kuvvetinin genliği küçülür ve darbe genişliği genişler, bu da hasarı en aza indirir ve kabuğun direncini artırır.
3.2 Simülasyon ve analiz
Malzeme modeli ve simülasyon parametrelerinin seçimi, simülasyon etkisini doğrudan etkileyecektir. Tablo 1'de gösterildiği gibi, çeşitli belgelere danışarak simülasyonda kullanılan malzeme modeli ve malzeme yoğunluğu, Young modülü, Poisson oranı gibi ilgili parametreler seçilir.
Simülasyonda aşağıdaki varsayımlar yapılır:
(1) Kabuğun her bir parçası tekdüze ve süreklidir ve tüm yapı, sınır etkileri göz ardı edilerek ve başlangıç gerilimi göz ardı edilerek katı bir gövde olarak kabul edilir.
(2) Çarpma kuvvetinin yönü, yerçekimi hariç tektir.
(3) Etki süreci adyabatik bir süreç olarak kabul edilir.
Izgara eğrisi benimsenmiştir ve bölme yöntemi AutoMesh yöntemidir.Bu tür ızgara bölme yöntemi, normal küplerin kuvvet analizi için nispeten yüksek doğruluğa sahiptir. Silindirik yüzeyin normal yönü boyunca tepe değeri 50000 g ve darbe genişliği 2.3 s olan anlık bir kuvvet uygulandı. Simülasyon analizi, deformasyon diyagramının Şekil 6'da gösterildiğini göstermektedir. Simülasyon deformasyon grafiğine göre, çarpmanın tepe noktasında merkez pozisyondaki 2 numaralı plaka üzerindeki darbe yükü, tamponlamadan sonra% 3'ten daha aza indirilebilir ve akma gerilimi, iç korumanın kabul edilebilir aralığı içindedir.
4 Deneysel sonuçlar ve analiz
Şekil 7, deneydeki bir Flash grubunun bir zamanlama simülasyon diyagramıdır. fosc_j, saat sinyalidir ve 8 bitlik çip seçim sinyali ce, boru hattı kontrol moduna göre sıralı olarak aşağı çekilir, böylece paralel 8 bitlik veriler Flash dizisinde depolanır.
Tüm depolama sistemini doğrulamak için bir sinyal oluşturucu kullanın, sistemi açmak ve tetiklemek için bir kare dalga sinyali girin ve depolama tamamlandıktan sonra, saklanan ve depolanan cihaz üzerinde Marshall çekiç simülasyonu düşürme testi yapın. Tepe değeri 50000 g ve darbe genişliği 30 s olan bir hızlanma sinyali. Simüle edilmiş düşürme deneyinden sonra, kabuk hasar görür, ancak dahili devre kartı sağlamdır. 2 numaralı depolama kartını çıkarın ve verileri okuma arabirimi aracılığıyla geri okuyun. Okunan verinin dalga biçimi Şekil 8'de gösterilmektedir.
5. Sonuç
Bu makale, donanım kontrolüne dayalı bir anti-yüksek darbe havadan radar yankı depolama sistemi tasarlar ve ana modülleri ayrıntılı olarak analiz eder. Sistem, ana kontrol ünitesi olarak FPGA kullanır ve makul bir mekanik yapı tasarımı önerir. Yazılım zamanlama simülasyonu ve etki deneyleri şunu göstermektedir: boru hattına dayalı kontrol mantığı, depolama hızının 160 MB / sn'ye ulaşmasını sağlar, depolama dizisi tasarımı, depolama kapasitesinin 128 GB'a ulaşmasını sağlar ve dahili devre 50.000 g'lık darbe ivmesi altında hasar görmez. Yüksek darbe direncine sahip yüksek hızlı ve yüksek kapasiteli depolama sistemi tasarımını gerçekleştirerek etkili bir şekilde geri okunabilir.
Referanslar
Fang Han Pulse Doppler Radar Signal Processing Simulation Araştırma Harbin: Harbin Engineering University, 2007.
Ren Min.FpGA'ya dayalı çift kanallı havadan veri depolama sistemi tasarımı. Taiyuan: Çin Kuzey Üniversitesi, 2015.
Zhang Wendong Depolama Test Sisteminin Tasarım Teorisi ve Uygulaması Beijing: Higher Education Press, 2002.
Li Yansong, Zhang Yunyu, Hu Xiulin, ve diğerleri.Radar altimetre eko yakalama teknolojisi üzerine araştırma.Huazhong Bilim ve Teknoloji Üniversitesi Dergisi, 1999 (5): 33-35.
Liu Jianwei, Pei Dongxing, You Wenbin, vb. Kurtarılabilir katı hal bullet tabanlı kayıt cihazının yüksek etkili tasarımı, Sensör Teknolojisi Dergisi, 2012 (8): 1045-1048.
Jin Shuyun, Jin Hong, Zhang Yanbing, ve diğerleri.Füzeyle taşınan hızlanma veri kaydedicisinin yüksek etkili tasarımı.Sensör Teknolojisi Dergisi, 2014 (4): 463-466.
Liu Xiangyang, Zhou Zhengguang, Liao Guisheng, ve diğerleri Hava yoluyla gelen radardaki yankı verilerine dayalı kanal eşitleme yöntemi Açta Electronica Sinica, 2009, 37 (3): 658-663.
