一种基于TLK2711传输的AD采集数据FPGA处理仿真验证系统的制作方法

一种基于tlk2711传输的ad采集数据fpga处理仿真验证系统
技术领域
1.本发明属于空间微波遥感技术领域，涉及星载探测雷达地面大型试验中的回波特性分析、算法优化、处理流程问题定位等环节，尤其涉及一种基于tlk2711传输的ad采集数据fpga处理仿真验证系统。


背景技术：

2.在月球、火星、小行星等行星探测中，测距测速敏感器是着陆器的重要载荷，主要功能是发射雷达波至天体表面，接收后向散射的回波，并对回波进行采样、优化和处理，从而获得探测器相对于天体表面的距离和速度等重要参数信息。为了满足探测器在整个着陆过程中安全、稳定和可靠，测距测速敏感器必须进行大量试验(吊高、塔架、校飞试验等)的验证工作，这些试验具有准备周期长、试验难度大、需多部门协同完成等特点。地面验证阶段，为确保每次试验验证的充分性，敏感器除获取最终的测距、测速结果及相关遥测信息外，原始回波信号的获取及后处理也至关重要；同时为提升试验效果，算法优化必须结合硬件产品的实际处理流程，确保优化措施可靠有效，避免无效试验。
3.传统的数据采集设备使用ad采样，受限于芯片差别、硬件设计差异，与星载信号处理器采集的原始回波信号难以统一；同时传统的基于matlab的算法仿真技术通常未考虑与硬件实时处理一致性的问题，对fpga定点运算中的截位控制也未考虑，导致仿真结果与实际处理结果偏差较大。针对星载探测雷达算法日益复杂、外场试验难度大成本高、算法优化需要结合硬件实时处理流程等需求，迫切需要一种系统设计简单、原始回波数据准确可靠、能够高效进行试验数据分析、算法优化、故障快速定位排查的仿真验证方法。


技术实现要素：

4.本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于tlk2711传输的ad采集数据fpga处理仿真验证系统。
5.本发明的技术解决方案是：
6.一种基于tlk2711传输的ad采集数据fpga处理仿真验证系统，包括tlk2711、数据采集设备、fpga实时处理仿真单元、matlab后处理仿真单元和结果对比单元；
7.所述tlk2711安装于测距测速敏感器硬件电路中，测距测速敏感器硬件电路中的fpga将其接收的原始回波数据转发给tlk2711，tlk2711对接收的数据进行并串转换，得到串行数据发送给数据采集设备；
8.数据采集设备将接收的串行数据进行解析处理，将处理后的数据同时发送给fpga实时处理仿真单元和matlab后处理仿真单元；
9.fpga实时处理仿真单元对接收的数据按照测距测速敏感器硬件电路fpga的处理方式进行仿真处理，得到fpga仿真处理结果；
10.matlab后处理仿真单元按照测距测速算法流程对接收的数据进行仿真处理，得到matlab仿真处理结果；
11.结果对比单元将fpga仿真处理结果和matlab仿真处理结果进行比对，若两者处理结果相对误差＜0.1％，则fpga处理仿真验证通过；若两者处理结果相对误差≥0.1％，则fpga处理仿真验证不通过。
12.测距测速敏感器硬件电路包括ad芯片和fpga；ad芯片用于采集原始回波数据，对其进行模数转换后发送给fpga，fpga一方面将接收的原始回波数据转发给tlk2711，另一方面对接收的原始回波数据进行下变频、滤波和fft处理。
13.硬件电路中ad芯片和tlk2711的参数需满足如下关系：
14.n
ad
×
f
ad
×
λ<f
2711
×
α
×
β
15.其中，n
ad
为ad芯片采样位宽，f
ad
为ad芯片采样速率，λ为采样占空比，f
2711
为tlk2711传输速率，α为tlk2711传输效率，β为tlk2711降额因子。
16.tlk2711的数据传输协议如下：
17.数据包头部、尾部均填充同步数据码；
18.数据包中应包含辅助信息，所述辅助信息包括处理过程中的截位控制码、处理结果、采样时间和数据包计数，所述辅助信息由tlk2711从接收的数据中提取。
19.数据采集设备采用与tlk2711相同的数据传输协议。
20.数据采集设备将接收的串行数据进行解析处理，得到数据包以及辅助信息，同时发送给fpga实时处理仿真单元和matlab后处理仿真单元。
21.matlab后处理仿真单元运行时，过程数据均进行量化及取整处理，且量化时与fpga内部量化位宽一致，取整处理时与fpga定点取整方式保持一致。
22.若fpga处理仿真验证不通过，则通过分析比对各步骤执行完成时数据的一致性，快速定位引发数据不一致的处理步骤，进行问题排查。
23.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
24.本发明系统设计简单，使用高速串行传输芯片tlk2711对探测雷达大型外场试验的原始数据进行传输并存储，可确保每次大型外场试验都可以取得原始的真实回波数据；采用fpga实时处理与matlab后处理相结合的数据分析技术，可实现理论算法与硬件产品实时处理的并行验证，处理结果一致性好，为高效进行试验数据分析、准确快速定位问题、算法修正优化提供了强有力的支撑，有效提升了大型试验的效率、避免了试验反复带来的高额成本。
附图说明
25.图1是本发明方法的流程图；
26.图2是本发明方法fpga实时处理与matlab后处理仿真流程图；
27.图3是本发明方法实施例中fpga数据处理位宽流程；
28.图4是本发明方法实施例中fpga处理与matlab处理结果相对误差曲线。
具体实施方式
29.下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整
的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
30.本发明设计如下：
31.设计测距测速敏感器硬件电路，所述硬件电路包括ad芯片、fpga和tlk2711；ad芯片用于采集原始回波数据，对其进行模数转换后发送给fpga，fpga一方面将接收的原始回波数据转发给tlk2711，另一方面对接收的原始回波数据进行下变频、滤波和fft处理；tlk2711对接收的原始回波数据进行并串转换，得到串行数据发送给数据采集设备。
32.数据采集设备将接收的串行数据进行解析处理，将处理后的数据同时发送给fpga实时处理仿真单元和matlab后处理仿真单元；
33.fpga实时处理仿真单元对接收的数据按照测距测速敏感器硬件电路fpga的处理方式进行仿真处理，得到fpga仿真处理结果；
34.matlab后处理仿真单元按照测距测速算法流程对接收的数据进行仿真处理，仿真过程需考虑fpga实时处理过程的数字量化、截位控制等操作，得到matlab仿真处理结果；
35.结果对比单元将fpga仿真处理结果和matlab仿真处理结果进行比对，若处理结果相对误差＜0.1％，则fpga处理仿真验证通过；若两者处理结果相对误差≥0.1％，则fpga处理仿真验证不通过，此时通过分析比对各步骤执行完成数据的一致性，快速定位引发数据不一致的处理步骤，缩小问题排查范围。
36.若fpga处理仿真验证通过，但测量结果不满足算法预期，则可根据原始回波特性对测距测速算法流程进行优化，matlab仿真满足要求后，修改fpga实时处理的程序，可进一步改善测量的精度及性能。
37.本发明仿真验证系统能够准确反映硬件实时处理的结果，针对原始回波信号算法优化措施可快速通过matlab仿真、fpga实时处理仿真进行快速验证，优化措施可快速准确的落实在实际产品中。
38.硬件电路设计
39.用于实现测量功能的产品硬件电路需包含ad芯片的设计、高速数据传输芯片tlk2711的设计、fpga设计等。
40.根据项目需求(采样率、数据位宽、有效位数等)选择ad芯片，ad芯片的设计需参照对应芯片的器件手册进行设计，pcb外围电路设计应考虑数字、模拟区域的隔离。
41.tlk2711接口电路、fpga外围电路参照器件手册进行设计，对tlk2711的数据传输能力进行确认。如果需将ad采样原始数据进行实时传输(单片tlk2711芯片)，需满足：
42.n
ad
×
f
ad
×
λ<f
2711
×
α
×
β
43.其中，ad为采样位宽n
ad
，f
ad
为ad采样速率，λ为采样占空比，f
2711
为tlk2711传输速率，α为传输效率，β为降额因子。
44.单片tlk2711芯片最高传输速率2.5gbps，最高传输效率80％(满位宽)，考虑到辅助数据的传输，传输能力核算中降额因子建议按照0.9进行选取。如不满足实时传输要求，硬件设计可考虑增加多片tlk2711，软件设计可根据实际需求对原始数据进行抽取或压缩处理。
45.(1)确定2711数据的传输协议
46.2711数据的传输协议为高速异步串行的通信协议，为确保高速数据传输的准确性
以及后续仿真处理输入条件的完备性，数据传输协议的制定需要考虑一下几方面因素：
47.1)数据包长度设置合理，头部、尾部填充同步数据码，可实现传输数据的定期同步处理，确保数据采集设备端可准确接收传输数据；
48.2)数据包中，除ad采样数据、同步数据码外，应包含处理过程中的截位控制码、处理结果、采样时间、数据包计数等辅助信息，一方面方便数据采集设备进行统一解包，另一方面可为后续仿真提供准确的输入条件；
49.3)配备通用的具有tlk2711接口电路(接收)的数据采集设备，编写相应软件，按照约定的数据传输协议进行数据解包并存储。
50.(2)fpga实时处理与matlab后处理仿真文件准备
51.根据处理算法的要求，同步进行fpga实时处理仿真单元与matlab后处理仿真单元文件准备工作，包括以下几个方面：
52.1)根据fpga对算法流程的执行情况，梳理出算法功能实现的所有子模块。通常包括ad采集模块、数据缓存模块、数据处理模块等，将这些子模块封装成一个用于仿真验证的完整模块(即fpga实时处理仿真单元)，将原始信号、数据处理过程涉及到的数据位宽、截位控制码等作为该模块输入，并将数据处理的过程数据(用于问题定位)、最终处理结果(用于结果比对)作为输出，建立仿真文件；
53.2)根据算法处理流程，编写对应的matlab后处理程序，过程数据均进行量化及取整处理，与fpga内部量化位宽、定点取整方式保持一致；
54.3)将数据采集设备中的原始回波数据，作为fpga实时处理仿真、matlab后处理仿真的数据源；从辅助信息中提取数据位宽、截位控制码等关键信息，将其作为fpga实时处理、matlab后处理仿真文件的外部输入条件，同步进行仿真。
55.(3)处理结果比对
56.结果对比单元对图2中的“处理结果1”和“处理结果2”进行数据比对，可最终实现fpga实时处理与matlab后处理的比对，原始回波信号的后仿真处理与硬件处理一致性较好。如果最终处理结果一致性差，可通过分析比对各步骤执行完成后截位前的数据的一致性，快速定位异常处理步骤或模块，缩小问题排查范围。
57.根据比对结果，一方面可对fpga处理过程的问题进行快速定位，另一方面可准确掌握原始回波特性，算法优化措施可直接反馈在fpga实时处理中，进一步改善测量的精度及性能。
58.星载探测雷达采用ad芯片进行数据采样，fpga进行后续的数据处理和算法功能实现。本发明在信号处理器硬件电路上设计tlk2711接口电路，可将地面大型试验中的原始回波数据通过该高速接口传送出。配备通用的tlk2711接口的数据采集设备，用于接收信号处理器发送的原始回波数据，按约定的数据传输协议进行解包、存储，用于试验后回波数据的后处理及仿真验证。本发明将fpga中涉及算法功能实现的模块封装成一个单独的仿真处理模块，建立仿真文件；根据算法处理流程，编写对应的回波数据matlab后处理仿真软件。将数据采集设备中的原始回波数据，作为fpga实时处理仿真、matlab后处理仿真的数据源；从辅助数据中提取数据位宽、截位控制码等关键信息，将其作为fpga实时处理、matlab后处理仿真文件的外部输入条件，同步进行仿真。对仿真结果进行比对，算法执行正确时，fpga实时处理仿真与实测结果一致，与matlab后处理仿真结果吻合度高。
59.实施例
60.对火星探测器测距测速敏感器的某次外场试验的数据采集设备解析的原始回波数据进行分析。
61.实施例中与ad采集、2711数据传输相关的参数:
62.1)ad采样位宽(n
ad
)：12bit；
63.2)ad采样率(f
ad
)：40mhz；
64.3)波形占空比(n
ad
)：1；
65.4)tlk2711传输速率(f
2711
)：2.0gbps；
66.5)传输效率(α)：60％；
67.6)降额因子(β)：0.9
68.经核算，参数设置ad采样原始数据进行实时传输的要求。
69.测距测速敏感器输出的2711接口数据拆分为长度4012个字节的子包进行传输。前12个字节包含帧头、波束及距离段信息、帧号、子包序号等信息，用于数据采集设备进行解包处理和信号处理器状态确认；第13～4012字节传输原始回波及辅助数据。
70.单帧数据包含n个子包，前n
‑
1子包传输原始回波数据，第n个字包传输当前帧的辅助数据，包含处理流程截位控制、测量结果、接口控制、遥控遥测状态等信息。2711高速数据传输协议如表1所示。
71.表1 2711高速传输协议
[0072][0073]
fpga程序实时处理包含ad采集、数字下变频处理、fir滤波、数据缓存、加窗处理、fft处理等，其中fir滤波、加窗处理(hamming窗)、fft后的处理数据涉及截位控制。整个fpga处理数据的位宽流图如图3所示。
[0074]
处理流程中涉及流程截位控制、数据量化位宽情况如下：
[0075]
1)fir滤波
[0076]
截位前：28bit，截位后：16bit；
[0077]
截位控制码：动态，从辅助数据中获取；
[0078]
2)加窗处理
[0079]
截位前：28bit，截位后：16bit；
[0080]
截位控制码：固定截取高16bit；
[0081]
3)fft处理
[0082]
截位前：30bit，截位后：16bit；
[0083]
截位控制码：动态，从辅助数据中获取；
[0084]
将fpga程序中实时处理模块的功能封装成一个单独的仿真模块并编写仿真文件；按照上述流程编写相对应的matlab后处理程序。对数据采集设备提供的原始回波信号进行仿真，截位控制信息从2711下传的辅助数据中获取。
[0085]
分析fpga程序实时处理仿真结果以及利用tlk2711的数据通过matlab进行后处理
后的结果，得到fpga处理的相对误差，相对误差在0.05％以内，如图4所示。测试结果表明：实时处理结果与算法理论结果一致性好，敏感器在本次外场试验中工作正常，fpga程序对算法执行准确，测量数据有效。
[0086]
因此，本发明采用的基于tlk2711传输的ad采集数据fpga处理仿真验证系统具有处理流程一致性好、操作简单等特点。基于tlk2711接口的测试系统硬件设计简单，数据传输稳定；对fpga处理模块进行封装，减少了模块间的接口控制，提升了仿真的效率；matlab后处理仿真考虑了硬件的实际处理流程，确保了仿真结果的准确性。
[0087]
本发明针对星载探测雷达算法日益复杂、外场试验难度大成本高、算法优化需要结合硬件实时处理流程等需求，使用基于tlk2711接口的测试系统获取原始回波信号，通过对fpga实时处理仿真、matlab后处理仿真结果，对测量算法的功能、性能进行确认，实现了理论值与最终实现值的精度比对。有效弥补了传统数据采集设备与星载信号处理器采集的原始回波信号不一致、理论算法仿真与硬件实时处理结果相对误差大等不足。
[0088]
本发明可以用于探测雷达大型试验的数据分析、算法优化、故障快速定位排查等环节，提升了大型外场试验的效能，具有测试系统设计简单、fpga实时处理与算法理论处理结果一致性好、适用性广泛的特点。
[0089]
以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。