基于DSP的合成孔徑雷達(dá)成像系統(tǒng)逆存儲轉(zhuǎn)置器設(shè)計

1．引言
　　
合成孔徑雷達(dá)成像系統(tǒng)是一種全天時、全天候的高分辨率主動微波遙感成像系統(tǒng)，在地理遙感、地形測繪、災(zāi)情預(yù)測和軍事偵察等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。逆存儲轉(zhuǎn)置器（ICTM）是合成孔徑雷達(dá)成像系統(tǒng)的一個重要模塊，它需要將上位機(jī)方位壓縮模塊輸出的圖像數(shù)據(jù)以方位線的形式依次寫入外部存儲器，通過數(shù)據(jù)的逆轉(zhuǎn)置處理，以距離線的形式將圖像數(shù)據(jù)依次輸出。此外，ICTM的輸出數(shù)據(jù)將經(jīng)過數(shù)據(jù)I/O節(jié)點發(fā)送到下位機(jī)圖像顯示模塊，使圖像顯示模塊能實時的以距離線形式滾動顯示雷達(dá)圖像。ICTM以TI的一款高性能定點DSP芯片TMS320C6415為核心處理器，兩條大容量SDRAM作為外部存儲器，實現(xiàn)輸入數(shù)據(jù)的逆存儲轉(zhuǎn)置操作，同時其強(qiáng)大的處理能力也為今后處理更多的數(shù)據(jù)提供了升級空間。

2．TMS320C6415芯片簡介
　　
TMS320C6415是TI公司生產(chǎn)的高性能定點DSP C6000系列中的一款，該系列的DSP都是基于VelociTITM架構(gòu)的VLIW DSP，在每個時鐘周期內(nèi)可以執(zhí)行8條32bit的指令。C6415的核心工作頻率最高可以達(dá)到720MHz，峰值工作速率為5.76GIPS。C6415提供與SDRAM的無縫接口，可以有效的簡化硬件設(shè)計開發(fā)難度，利用C6415的片選空間映射管理SDRAM，最多可以支持1GB的外部存儲空間，完全可以滿足逆存儲轉(zhuǎn)置處理所需的192M存儲要求。
　　
TMS320C6415的CPU結(jié)構(gòu)具有2個通道，每個通道有4個功能單元（1個乘法器和3個算術(shù)邏輯單元），16個32位通用寄存器，每個通道的功能單元可以隨意訪問本通道的寄存器。CPU還有2個交叉單元，通過它們，一個通道的功能單元可以訪問另一個通道的寄存器。另外，CPU還具有256bit寬的數(shù)據(jù)和程序通道，可以使程序寄存器在每個時鐘周期提供8條并行執(zhí)行指令，這種CPU結(jié)構(gòu)是DSP具有VLIW結(jié)構(gòu)的基本條件。
　　
DSP的存儲空間映射為內(nèi)部存儲器、內(nèi)部外設(shè)及外部擴(kuò)展存儲器，其中內(nèi)部存儲器由64KB內(nèi)部程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器構(gòu)成。內(nèi)部程序存儲器可以映射到CPU地址空間或者作為Cache操作。內(nèi)部和外部數(shù)據(jù)存儲器均可以通過CPU、DMA或HPI（Host Interface）方式訪問，HPI接口使上位機(jī)可以訪問DSP的存儲空間。

3．ICTM工作原理
　　
ICTM模塊的主要功能是將上位機(jī)方位壓縮模塊輸出的數(shù)據(jù)重新排列順序，使得依次沿方位向排列的數(shù)據(jù)變換成沿距離向排列，使下位機(jī)圖像顯示模塊能實時滾動顯示圖像。

圖1 ICTM模塊工作原理示意圖
　　
ICTM模塊的工作原理可用圖1來表示。整個SDRAM存儲空間劃分為BANKA和BANKB兩塊存儲區(qū)，兩塊BANK的列深度為輸入的方位向點數(shù)2048點，行深度為輸出的距離向點數(shù)4096點，為使兩塊BANK的讀/寫數(shù)據(jù)量平衡，需要在每個工作周期內(nèi)輸入兩條方位線（2×2048點）數(shù)據(jù)，同時輸出一條距離線（1×4096點）數(shù)據(jù)。兩塊存儲區(qū)采用“乒乓”操作的讀寫方式，即如果等間隔讀BANKA區(qū)域，則連續(xù)寫B(tài)ANKB區(qū)域，反之如果連續(xù)寫B(tài)ANKA區(qū)域，則等間隔讀BANKB區(qū)域，讀完一塊存儲區(qū)的同時，另一塊存儲區(qū)也剛好寫滿。這樣兩塊存儲區(qū)交替工作，充分節(jié)約了讀/寫SDRAM的時間開銷，有利于滿足整個系統(tǒng)的實時性要求。

4．ICTM硬件電路設(shè)計

圖2 ICTM模塊硬件電路結(jié)構(gòu)示意圖

ICTM模塊的硬件電路設(shè)計框圖如圖2所示。根據(jù)ICTM模塊的工作需要，主存儲器采用兩頁式工作結(jié)構(gòu)，每頁集成256MBytes大小的SDRAM，分別配置在C6415的兩個CE空間。SDRAM和作為輸入/輸出緩存的同步FIFO都連接在C6415 64Bit位寬的EMIFA接口，以保證較高的數(shù)據(jù)傳輸帶寬。

4.1 SDRAM存儲電路
　　
主存儲器類型選擇為SDRAM，即標(biāo)準(zhǔn)的144pin筆記本內(nèi)存條(標(biāo)準(zhǔn)SODIMM封裝)，目前選用256M容量大小。由于ICTM模塊的SDRAM接口采用可擴(kuò)充接法，因此可以擴(kuò)充到512MB容量。即如果SDRAM Module的容量為256MB，則列地址為A0～A8 ，如果SDRAM Module容量為512MB，則列地址為A0～A9。DSP的EMIFA口CE0、CE1輸出信號分別接SDRAM的BANK選擇管腳S0、S1。即如果SDRAM的BANK只有一個，則只有S0有效，這樣SDRAM只占用DSP的EMIFA口CE0空間，如果SDRAM的BANK有兩個，則占用DSP的EMIFA口CE0、CE1空間。

4.2 輸入/輸出FIFO
　　
DSP的EMIFA口CE2/CE3空間分別控制輸入FIFO和輸出FIFO。輸入FIFO采用IDT公司的IDT72V3670（8K×36Bit），輸出FIFO采用IDT公司的IDT72V3680（16K×36 Bit），封裝形式為TQFP，128pin。FIFO的設(shè)計采用同步方式讀寫，但是利用0Ω電阻等效的短接線設(shè)計方式，也可以工作在異步模式下，F(xiàn)IFO控制信號通過CPLD做譯碼。
　　
ICTM模塊用于讀寫操作的64bit FIFO采用用兩個32bit的FIFO并連實現(xiàn)，利用FIFO深度來做等效的輸入、輸出“乒乓”操作。其中輸出只用到一片F(xiàn)IFO，另外一片為將來大數(shù)據(jù)量的處理預(yù)留空間。

4.3 CPLD和HPI
　　
ICTM模塊各功能單元的電路狀態(tài)、時序控制以及I/O接口控制都由CPLD完成。此外，通過C6415的主機(jī)接口（HPI）可以直接訪問DSP映射管理下的所有片內(nèi)和片外存儲單元。因此，在電路設(shè)計中將DSP的HPI接口通過CPLD與系統(tǒng)控制總線相連，從而使主控能夠直接訪問DSP的HPI接口，進(jìn)而滿足處理程序?qū)崟r下載和指令數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)囊蟆?
　　
ICTM模塊的硬件設(shè)計充分考慮了結(jié)構(gòu)化的設(shè)計要求，為合成孔徑雷達(dá)實時成像處理系統(tǒng)提供了高性能的逆存儲轉(zhuǎn)置硬件平臺，結(jié)合配置的控制軟件就可以實現(xiàn)實時成像處理所需的逆存儲轉(zhuǎn)置功能。