实时操作系统在雷达信号处理中的应用研究

　　现今的信号处理设备越来越复杂，不仅要求高速的处理能力，而且要求功能多样化，仅仅追求速度已经不能满足需求。尤其在复杂多变的环境中，要求信号处理机能够完成多种处理功能，并能方便灵活地切换工作模式。因此有必要发展一种可重构和可扩展的通用信号处理系统，能将信号处理机多功能化、模块化、标准化和通用化。将嵌入式操作系统与高速实时信号处理机结合，可以很好地实现这些要求。在雷达系统中，信号处理不仅需要很高的处理速度，而且要满足控制显示多方面的需求，如果没有操作系统，实现起来不仅复杂而且不便于系统的模块化和标准化。因此，采用实时操作系统实现雷达系统的控制和显示功能。本文主要介绍了为什么使用实时操作系统以及基于DSP/BIOSⅡ实时操作系统的总体软件设计思想和方案。

　　1、总体硬件方案设计

　　本信号处理机以TMS320C5509作为整个系统的，由于考虑到图像的缓存需要较大的存储空间，所以扩展了三星公司的16 Mb的SDRAM--KM416S1020C作 为扩展存储器。整个系统的工作流程是由控制器和D/A提供给前端采样头所需的信号，并启动A/D对采样头传来的模拟信号进行采样，DSP接收之后做相应的信号处理，根据键盘的设定将图像按照一定的要求显示到彩色图形液晶上，并通过USB接口将数据传送到PC机存储以便做进一步的处理和显示。总体硬件框图如图1所示。

　　TMS320C5509数字信号处理器是德州仪器公司（TI）TMS320C5000系列中新推出的一种，极大降低了功耗，达到了每个MIPS只需0.05 mW的水平，与市场上的主流产品TMS320C54x相比，功耗降低了6倍。TMS320C5509的内核是从TMS320C54x上发展而来的，所以可以完全兼容现在市场主流的TMS320C54x系列处理器的指令，既保护了用户在软件方面的投资，又使得熟悉TMS320C54x编程的软件人员几乎不用再学习就可以编写他的软件。同时，TMS320C5509中还集成了大量诸如AD,USB控制器之类的片内外设，使其成为了一款具有SOC（片上系统）性质处理器，用户只需外加很少的辅助器件就可以构成一个较完整的DSP系统。从以上特点可以看出，TMS320C5509非常适合于应用在便携式系统中。

　　2、实时操作系统DSP/BIOSⅡ的简介

　　DSP是一种基于精简指令集的可编程数学计算芯片，可以对数字信号进行时频域变换、频谱分析、滤波、估值、增强、压缩等处理，广泛应用于家用电器、多媒体系统、雷达、卫星系统、移动通信、网络会议、医学仪器、实时图像识别与处理、语音处理、自适应制导控制、模式识别、定位、导航、联合战术无线电系统和智能基站等领域。本文重点介绍通用DSP在雷达信号处理系统中的典型应用，以及研制基于DSP的雷达信号处理系统的关键技术。

　　作为面向数字信号处理的可编程嵌入式处理器，DSP具有高速、灵活、可靠、可编程、低功耗、接口丰富、处理速度快、实时性好等特点。雷达信号处理系统所涉及的主要技术，包括数据重采样、参数估计、自适应滤波、恒虚警处理、脉冲压缩、自适应波束形成和旁瓣对消等，通常需要完成大量具有高度重复性的实时计算。DSP可以利用硬件算术单元、片内存储器、哈佛总线结构、专用寻址单元、流水处理技术等特有的硬件结构，高速完成FFT、FIR、复数乘加、相关、三角函数以及矩阵运算等数字信号处理。因此，DSP非常适合雷达数字信号处理算法的实现。

　　TI公司的DSP/BIOSⅡ是一种专门为TI公司的TMS320系列DSP芯片设计的嵌入式实时多任务操作系统。主要由5个部分组成：

　　（1）线程和调度（Procedure and Scheduling）

　　DSP/BIOSⅡ提供了4种不同的执行线程，包括HWI（硬中断任务）、SWI（软中断任务）和TSK（任务）等，每一类线程又具有不同的执行、挂起、休眠等特性。DSP/BIOSⅡ支持基于静态优先级的调度方法，又可以通过修改内核提供抢先式多任务服务。

　　（2）硬件抽象（Hardware Abstraction）

　　他提供了PIP和SIO两种数据传输模式，可以方便DSP与外设之间的数据交换。Pipe（数据管道）使用了较少的内存，并且传输的速度快、效率高。SIO（流）对内存有了更高的抽象，便于创建设备驱动程序更加结构化的方法。

　　（3）资源管理（Resoure Management）

　　利用DSP/BIOSⅡ的逻辑接口可以对特定的硬件部分进行访问和配置。DSP/BIOSⅡ不仅可以通过其设置工具来定义内存映射、中断向量表而且还可以设置定时器、串行口等硬件设备。

　　（4）通信和同步（Communication and Synchronization）

　　DSP/BIOSⅡ支持旗语（Semaphores）、邮箱（Mailbox）和数据队列（Queue）等多种内部线程通信和同步的方式。旗语是主要的同步方式，可以使任务通过旗语来运行和挂起，还可以用互斥旗语来管理缓冲区和设备。

　　（5）实时分析（Real-Time Analysis）

　　实时分析工具能够让开发者在程序执行期间对DSP进行交互和诊断。DSP/BIOSⅡ不仅提供了常用的日志（LOG），STS,TRC模块，还提供了CPU负载图（CPULoad Graph）、执行图（Execution Graph）等多种更方便的调试和观察工具。

　　3、基于DSP/BIOSⅡ实时操作系统的软件结构设计

　　使用DSP/BIOSⅡ来做项目的步就是模块划分，即把项目所要完成的功能拆分成几个相对独立的线程来完成（可以认为线程在运行时是独占DSP的），根据线程中使用硬件资源的情况考虑用什么类型的线程来完成。一般来说，用到硬中断的任务放到HWI来完成，用到定时器的任务可以放到PRD（周期任务）中完成。然后是确定线程之间的关系，根据他来设定各个线程的优先级，以及用 什么方式通讯和交换数据。旗语是便于使用的通讯方式。

　　探地雷达信号处理机的信号处理过程：A/D每采来一列数据之后给DSP发一个硬中断信号，每接收到一列数据之后，DSP对这列数据分别进行平均滤波和自适应滤波，同时进行列计数；当列计数到达一帧时，对这一帧图像信号进行小波去噪处理和脉冲压缩，根据键盘的设定把图像显示到图形液晶上，并通过USB接口送到PC主机，以便下一步的处理。

　　根据以上的执行过程，整个软件分解为12个独立的任务，其中列中断、USB数据传送这2个模块是HWI（硬中断）类型的任务，键盘模块属于PRD（周期性）任务（完成对键盘定期扫描），其余模块是SWI（软中断）类型的任务。初始化任务完成对DSP的初始设定后就删除；列中断任务负责给DSP发送列数据来临信息，触发列平均、列自适应任务，完成对一列数据的去噪处理；列计数模块完成对列中断的计数，当到达一帧时，发送帧中断，触发一系列针对帧的数据处理任务；整个软件系统的执行流程如图2所示。

　　DSP/BIOSⅡ提供了强大的分析调试工具。除了常用的方法之外，CPU负载图和执行图是两种非常有效的方法。CPU负载图提供的是目标CPU的负载曲线。CPU负载的定义是除去执行优先级任务以外的时间量。优先级任务是只在其他线程都不运行时才执行的任务。因此，CPU负载图包括从目标向主机传送数据和执行附加后台任务所需的时间。在执行图中，可以看到各个线程的活动方式。图形中还包括了信号量的活动，周期性函数标记（tick）和时钟模块标记。执行图能从整体上看到项目所有线程的活动状态。根据调试得到的信息可以评估线程的执行情况和CPU的负荷情况，配合其他调试工具，修改设计直到完成项目的功能需要。

　　CPU负载图反映的是软件系统所需要的性能和CPU实际性能的比值，像PC机上性能统计图，如果所需的性能大于DSP的实际性能，就必须修改设计、优化算法、加快时钟频率，甚至更换性能更高的DSP芯片。

　　执行图显示了各个任务执行过程中的细节信息，对于嵌入式应用而言，实时性是非常重要甚至是必须满足的条件，操作系统按很小的间隔进行调度就是力图保证系统响应的实时性。但是在实际中，如果任务分配不好，使得任务不能在调度间隔内完成，就会影响整个系统的实时性，这时，必须对任务划分作合理的修改。

　　4、DSP/BIOSⅡ操作系统使用中要注意的问题

　　（1）很好地使用DSP/BIOSⅡ的关键在于很好地理解操作系统，这有点像算法理论和应用算法的关系。操作系统凝聚了软件领域几十年发展中的精华，有很多概念和结构是需要很深入的理解和思考的，所以，初学者一定得反复看看一些专门讲操作系统的书籍。

　　（2）任务必须写成下面2种形式之一。

　　在DSP/BIOSⅡ开发环境里没有要求显示调用OSTaskDel（），这是因为开发环境自动做了处理，实际原理都是一样的。

　　5、结语

　　近年来，国内外雷达技术研究进展迅猛，各种新体制雷达相继问世，对雷达信号处理器的处理能力、存储能力、可扩展性、软件开发以及数据传输与互连能力等各个方面都提出了更高的要求。DSP技术的采用，增强了数据处理能力，提高了系统的性能指标，促进了现代雷达信号处理技术的发展。尤其是各种新型的DSP产品，对软件、外围接口技术和互连技术的良好支持，使雷达信号处理平台系统结构、拓扑结构得到优化，系统的可扩展性得到提高。随着DSP的开发和应用的深入，DSP将在信息与信号处理、通信与信息系统、自动控制、雷达、军事、航天和航空等许多领域得到更加广泛的应用。

　　本文对探地雷达信号处理机的硬件结构和软件设计都做了介绍，重点介绍了如何在项目应用中使用DSP/BIOSⅡ实时嵌入式操作系统。实时嵌入式操作系统已成为嵌入式系统设计中必不可少的一部分，利用这方面的技术，提高嵌入式系统开发的层次和深度是非常必要的。