一种测风雷达通信系统和方法与流程

本发明涉及雷达通信领域，具体涉及测风雷达通信领域。

背景技术：

1、对于测风雷达这类集高速信号处理、复杂算法与实时控制于一体的高端工业系统，与探测飞机、舰船等“硬目标”的常规雷达不同，测风雷达以无形且不断运动的大气为探测对象，信号极其微弱，需通过长时间脉冲累积和复杂算法从强噪声中提取多普勒信息；并且需要全天候无人值守及多要素探测。

2、zynq通过其独特的“处理器+可编程逻辑”架构，提供了从物理层接口到应用层处理的完整、高效且可定制的实现平台，显著优于传统的“处理器+外设”或“处理器+独立fpga”方案，成为此类复杂嵌入式计算场景的首选。

3、目前普遍采用的经典方案是：“fpga+1个arm核”的协同架构。该架构的核心分工在于：由zynq-pl端负责承载对性能与实时性要求苛刻的任务，如高速数据采集、流水线式数据处理（如滤波、fft）以及高带宽、低延迟的数据传输；而由zynq-ps端则运行操作系统，负责轻量级的上下位机通信、系统参数管理及复杂控制流等任务。但是，该经典方案的测风雷达通信面临低硬件成本与高速通信无法兼顾的核心难题：

4、第一，若为满足高效率通信需求，采用pl端资源升级路径，选用更高性能或更大逻辑规模的zynq芯片型号，以容纳更多io引脚用于兼容高速通信接口，或更多dsp、slice和bram等逻辑资源来部署通信编解码模块或高性能ip核。但是随着ps端处理器核芯的升级，芯片价格也是十几倍增加，在ps端配置相同的情况下，随着pl端逻辑单元数量增加，芯片价格也逐级上升，最终导致zynq硬件成本过高。

5、第二，若为满足降低硬件成本，采用优化数据外传处理路径，其原理为升级数传接口（如采用更高速的以太网或pcie），将原始或部分处理后的数据高速上传至外部上位机（如工控机或服务器）进行处理。该方法实质上牺牲了嵌入式系统最为核心的实时性、确定性与可靠性。一方面，数据外传方案会引入巨大的、不可预测的网络延迟与处理延迟，使系统无法满足闭环控制或实时响应的要求；另一方面，它将一个本可独立运行的设备转变为依赖上位机的分布式系统，显著增加了系统复杂度、单点故障风险以及长期维护成本，并可能导致产品形态笨重、数据带宽需求爆炸等一系列问题。

6、现有技术中，中国专利文献cn112699070a公开了“基于zynq的dma数据传输方法”，此技术方案通过fpga对接收到的数据包进行长度校验；发送至内存ddr，arm读取内存ddr中的数据，通过dma核操作hp接口，该技术方案会使dma核会占用pl端逻辑资源，这仍是一种采用pl端资源升级路径，需要更高性能或更大逻辑规模的zynq芯片型号，倒是成本更高且资源利用不足。

7、综上所述，现有测风雷达通信技术存在低硬件成本与高速通信无法兼顾，测量精度不高的问题。

技术实现思路

1、本发明缓解了现有测风雷达通信技术存在低硬件成本与高速通信无法兼顾，测量精度不高的问题。本发明提供如下方案：

2、方案一、一种测风雷达通信系统，所述测风雷达通信系统包括数据采集子系统、可编程逻辑端pl、ddr3存储器和处理系统端ps；

3、所述数据采集系统，用于采集光信号；还用于基于所述光信号，获得adc采样数据；还用于向所述可编程逻辑端pl发送adc采样数据；

4、所述可编程逻辑端pl，用于根据所述处理系统端ps发送的pl控制参数，将所述adc采样数据转换为功率谱数据帧，并发送给所述ddr3存储器；还用于向所述处理系统端ps发送pl.intr0中断信号；还用于向所述处理系统端ps发送pl状态信息；

5、所述处理系统端ps，用于根据所述pl.intr0中断信号，从ddr3存储器中读取功率谱数据帧，并将其转换为气象数据；还用于将pl控制参数发送给所述可编程逻辑端pl。

6、进一步地，在本发明的一个实施例中，所述处理系统端ps包括arm0核、片内共享存储器ocm和arm1核；

7、所述arm0核，用于当所述pl.intr0中断信号触发时，将所述功率谱数据帧进行特征分析，获得气象数据；还用于将所述气象数据发送给所述片内共享存储器ocm；还用于生成中断信号sgi0，并发送给所述arm1核；

8、所述片内共享存储器ocm，用于存储所述气象数据；

9、所述arm1核，用于根据所述中断信号sgi0，从所述片内共享存储器ocm中读取所述气象数据，并将所述气象数据传输给上位机；还用于根据所述中断信号sgi0，将pl控制参数发送给所述可编程逻辑端pl；还用于将中断信号sgi1发送给所述arm0核。

10、进一步地，在本发明的一个实施例中，所述可编程逻辑端pl包括数据链路模块、数据缓冲器、数据传输模块和交互功能模块；

11、所述数据链路模块，用于根据所述处理系统端ps发送的pl控制参数，将所述adc采样数据通过数据处理，获得功率谱数据帧；所述数据处理包括采样、加窗、傅里叶变换、功率谱计算和功率谱累加；

12、所述数据缓冲器fifo，用于将所述功率谱数据帧进行数据位宽转换和跨时钟域，获得缓冲后的功率谱数据帧；

13、所述数据传输模块，用于将所述缓冲后的功率谱数据帧发送给所述ddr3存储器；

14、所述交互功能模块，用于接收所述处理系统端ps发送的pl控制参数；还用于将所述pl控制参数发送给所述数据链路模块；还用于将所述pl状态信息发送给所述处理系统端ps。

15、进一步地，在本发明的一个实施例中，所述可编程逻辑端pl和所述ddr3存储器之间通过axi hp高速端口连接。

16、进一步地，在本发明的一个实施例中，所述数据采集系统中，将所述光信号通过光学探测系统转换为模拟回波信号，通过电子学数据采集系统将所述模拟回波信号进行adc采样，获得adc采样数据。

17、进一步地，在本发明的一个实施例中，所述arm0核，还用于将所述功率谱数据帧通过以太网口上传至上位机，用于系统状态监控与数据实时显示。

18、进一步地，在本发明的一个实施例中，所述交互功能模块包括若干个寄存器；

19、所述若干个寄存器，用于将所述pl控制参数发送给所述可编程逻辑端pl；还用于将所述pl状态信息发送给所述处理系统端ps；

20、所述若干个寄存器，通过axi-gpio ip核+gp接口映射到arm1核的地址空间。

21、方案二、一种测风雷达通信方法，包括以下阶段：

22、数据采集阶段：

23、采集光信号，并将所述光信号转换为模拟回波信号；将所述模拟回波信号通过adc采样获得adc采样数据；

24、雷达通信阶段：

25、根据pl控制参数，将所述adc采样数据通过数据处理，获得功率谱数据帧；所述数据处理包括采样，加窗，傅里叶变换，功率谱计算和功率谱累加；

26、当所述pl.intr0中断信号触发时，将所述功率谱数据帧进行特征分析，获得气象数据；

27、当所述中断信号sgi0触发时，更新所述气象数据结果和所述pl控制参数。

28、本发明所述的一种测风雷达通信系统和方法是基于zynq双核amp异构架构实现的，有效缓解了现有测风雷达通信技术存在低硬件成本与高速通信无法兼顾，测量精度不高的问题。具体有益效果包括：

29、1、本发明所述的一种测风雷达通信系统和方法，是一种高度协同、资源优化的软硬件程序架构，该架构充分利用zynq平台ps端与pl端的异构特性以及ps内部的多核资源，采用基于功能隔离的双arm核amp（非对称多处理）架构的ps端、基于ocm共享内存结合软件生成中断（sgi）的高效核间通信机制、基于axi-gpio（32位位宽）接口结合自定义轻量级通信协议的pl端与arm1核之间实时、低延迟参数与指令交互通道以及“pl端写ddr3→ps端读ddr3”的批量化、高效率数据交换通道。形成了一套从底层数据流（pl）到中层处理（ps-arm0）再到上层通信控制（ps-arm1）的完整、高效、松耦合的系统架构，构建了一个分工明确、协同高效的数据处理与通信系统。

30、本发明充分利用zynq异构计算架构的优势，发挥其在集成度与性能平衡上的独特价值，实现高性能数据处理与高可靠通信，满足测风雷达对高速信号处理、复杂算法（例如大量三角函数、浮点运算）实时运算及高可靠通信的严苛要求，显著提升了测风雷达系统在实时性、处理吞吐量和系统可靠性方面的综合表现。

31、2、本发明所述的一种测风雷达通信系统，采用“pl端写ddr3→ps端读ddr3”的批量化、高效率数据交换通道，将高速采集并经过初步流水线处理（如滤波、fft）后的大批量数据，通过高性能axi总线（如hp接口）直接写入片外ddr3存储器中的指定缓冲区。

32、该方法利用了ddr3的高带宽和pl通过axi4总线访问内存的能力，避免了ps端参与实时数据搬运，极大程度节约了pl端逻辑资源，并满足了高速数据流对传输带宽的苛刻要求。区别于现有技术中通过dma核操作hp接口，本发明采用axi4总线操作hp接口，不占用pl端逻辑资源，有效利用了arm资源，并且dma传输开销时间相对更小，进而综合逻辑资源用量和性能平衡。

33、因此，本发明可以节省pl端逻辑资源，由于风速测量精度取决于傅里叶变换的点数，常见的是512/1024/2048点数，傅里叶变换则是通过fft ip核实现的，fft点数越多，风速测量精度越高，pl端逻辑资源用量越大。本发明采用pl结合双arm核处理架构，在满足系统性能的前提下，可以节省硬件成本。从占用资源的角度分配各自的功能任务，极大程度节省了pl端逻辑资源，将fft点数从512提高到1024，从而提高了风速测量精度。

34、3、本发明所述的一种测风雷达通信系统，可以最大程度利用基础款zynq实现了集高速信号处理、复杂算法与实时控制于一体的高端工业产品的通信系统。现有技术中，通常采用1个arm核同时实现数传和上下位机通信，该方式只能用于轻量级数据或者分时间段控制（一个总周期内一段时间进行数传，另一段时间进行通信）情况。本发明采用2个arm核，采用amp架构，将数传和通信相互独立开，数传接口不会被通信打断，从而实现大数据量、高效的数据传输；通信功能可以任意时刻进行。不受数传时间限制。

35、4、本发明所述的一种测风雷达通信系统，可以更有效的节约成本，现有技术中的通信功能除端口占用io引脚资源外，通信编解码模块(通信帧组帧和帧解析)、以及数传通信协议实现(比如udp/tcp)也是要占用资源的，如果放在pl端实现，势必会增加逻辑单元使用数量。本发明将这两个功能分配在ps端，节省了pl端逻辑资源。这对“测风雷达”这类pl端逻辑资源紧张(fft ip核会占用大量lut)的工业应用系统来说，能够有效平衡系统性能与硬件成本。

36、本发明实现在单芯片内实现了从雷达信号采集、复杂算法反演到确定性低延迟输出的完整闭环。本发明不仅适用于风机前馈控制，还适用于需要边缘端硬实时处理的各类测风/测速雷达应用场景：例如：气象监测与灾害预警（风切变、下击暴流、湍流告警）；无人机/直升机飞行风场感知与抗扰动控制；输电线舞动、风偏在线监测与联动保护；机场低空风切变、港口侧风即时告警系统；铁路接触网风偏预警与主动拉紧控制；海上平台/舰船动力定位系统的风浪前馈补偿；高层建筑/桥梁结构风致振动的主动阻尼控制；

37、上述场景共同的特征是：对数据处理延迟的确定性和低抖动有严苛要求（通常<20ms），且需在缺乏稳定上位机支持的现场环境中独立运行。本发明的架构从原理上消除了操作系统抖动和网络传输不确定性，具备广泛的跨领域应用潜力。