基于Linux平台的天气雷达高速数据采集系统的驱动

Linux是开放源代码、网络化的操作系统，具有稳定、高效、内核可自由配置等特点。采用Linux 操作系统作为开发平台与采用VxWorks 和Windows 作为开发平台相比不仅有免费的优势，而且对于发展核心技术，提高信息安全有着极其重要的意义，是自主研发的一个方向。随着我国天气雷达的快速发展，天气雷达在民用和军事领域的应用越来越广泛。目前，天气雷达高速数据采集、传输等功能大都基于Windows平台进行开发实现，实现由Windows平台向Linux平台的转换，对于发展中国自主知识产权气象软件核心技术， 提高信息安全有着极其重要的意义。本文基于Linux 操作系统（2.6.23内核），实现了天气雷达高速数据采集及处理，对天气雷达系统由Windows平台向Linux平台移植具有参考价值。
　　1 数据采集系统分析
　　1.1 工作原理
　　天气雷达高速数据采集系统由I/Q数据采集、FIFO缓冲、FPGA控制模块及PCI总线芯片PLX9054组成，系统结构框图如图1所示。
　　
　　其核心部分为FPGA控制模块，主要实现4个功能：（1）根据雷达量程和距离分辨率调整AD采样时钟的频率；（2）控制AD两路采样数据写入FIFO 缓冲以及DMA 传输时从FIFO中连续读出数据； （3）与PCI总线控制芯片PLX9054 进行控制交互， 实现局部总线的读写控制、地址译码和中断触发；（4）与PLX9054 进行数据交互，使用FPGA内部RAM保存控制天气雷达发射机和接收机工作的命令及数据，完成对雷达工作的控制。
　　I/Q数据采集输出数据速度为2.4 Mb/s（I、Q数据各为24 bit），通过FPGA控制，合并写入到FIFO缓冲。FIFO缓冲为32 bit、深度为16 KB的数据缓存，有效位为24 bit；与计算机总线的接口采用32 bit的PCI总线接口芯片PLX9054，PC机通过它完成与数据采集系统的数据交互。
　　1.2 PC机与采集系统数据访问
　　1.2.1 局部地址分配
　　PC机与天气雷达高速数据采集系统的数据访问通过PCI总线芯片PLX9054实现，访问目标为FIFO缓冲和FPGA片内RAM。对FIFO缓冲和FPGA片内RAM分配不同局部地址，通过对局部地址总线进行译码确定需要访问的目标。FIFO 数据采用DMA传输方式连续读出， 每次传输长度最大为8 KB，因此，设置FIFO空间32 bit局部地址范围为0x20000000～0x2000FFFF，映射空间为PCI 地址空间bar2。
　　FPGA片内RAM位宽为32 bit， 采用局部地址范围为0x40000000～0x400FFFFF。映射空间为PCI地址空间bar3。
　　1.2.2 数据访问方式
　　FIFO缓冲为可编程FIFO，由FPGA根据片内存储的雷达参数进行控制。当FIFO中数据达到设置的大小时，触发PCIPLX9054引发PCI中断，通过该中断向驱动程序申请发起DMA 传输。驱动程序响应该中断后设置PCIPLX9054的DMA寄存器， 发起方向从局部总线到PCI总线的DMA传输，完成FIFO数据向PC机的传输。
　　FPGA片内RAM通过PCI地址映射，使用IO操作方式进行数据读写访问。
　　2 Linux程序实现
　　天气雷达高速数据采集系统基于Linux2.6内核平台程序，由基于PCI总线的设备驱动程序、数据采集及处理程序组成。
　　2.1 设备驱动程序实现
　　设备驱动程序的功能是在Linux2.6系统平台下，通过对PCI总线控制芯片PLX9054的控制，实现PC机与采集板的数据交互，实现雷达采集数据的实时接收及雷达工作状态的控制。从功能结构上，设备驱动主要由设备装载及初始化、提供给用户层的接口函数、中断及DMA数据传输三部分组成。
　　2.1.1 设备装载及卸载
　　设备装载和卸载即是Windows系统中设备驱动安装和卸载。在Linux2.6中，装载和卸载主要通过调用系统提供的PCI总线驱动注册函数pci_register_drive和注销函数pci_unregister_driver来实现，其注册的driver数据结构如下：
　　static struct pci_driver plx9054_pci_driver = {
　　.name = ‘pci9054’，
　　.id_table = plx9054_pci_tbl，
　　.probe = plx9054_probe，
　　.remove = plx9054_remove，
　　};
　　当系统引导时，高速数据采集系统板上电后，板上PCI总线固件对PLX9054设备进行缺省配置，为设备的每个地址区域分配好资源。装载函数在驱动中用module_init声明，进行设备的初始化工作，调用PCI总线驱动注册函数，根据id_table定义的信息对PCI设备PLX9054进行探测识别，完成PLX9054设备驱动的PCI总线注册，然后调用驱动注册的probe函数，完成PLX9054设备使能、PCI地址空间映射、PLX9054设备数据结构初始化、设备注册（注册为字符设备）等操作。卸载函数用module_exit声明，是装载的逆过程，通过调用PCI总线驱动卸载函数，继而调用注册的remove函数、注销设备及PCI地址空间映射、释放分配给设备的数据结构空间等操作，完成系统资源释放。
　　2.1.2 设备接口函数
　　设备接口函数为用户提供与设备进行交互的不同功能接口，主要完成用户与设备的读、写及设备控制访问等功能，其数据结构设计为：
　　static const struct file_operations plx9054_fops = {
　　.owner = THIS_MODULE，
　　.open = plx9054_open， /*打开设备*/
　　.release = plx9054_close， /*释放设备*/
　　.ioctl = plx9054_ioctl， /*IO操作*/
　　.read = plx9054_read， /*读设备*/
　　};
　　这个数据结构在设备装载过程中，作为设备注册的参数完成与设备挂接、使用户在系统调用中能访问到上述关联的设备接口函数。
　　设备打开函数plx9054_open完成以下操作：设备私有数据结构内存空间分配及初始化，DMA连续物理内存空间申请，为天气雷达最大距离探测采集数据的大小；调用pci_map_single将分配的DMA内存空间映射为用于DMA传输地址；DMA数据缓冲区分配（容量为2 MB），缓冲区保存每次DMA传输中获取的数据；调用request_irq对中断函数p9054_interrupt进行中断号申请；对天气雷达工作参数进行缺省配置，启动雷达工作。设备释放函数PLX9054_close完成的操作与设备打开函数与PLX9054_open相反。IO操作函数PLX9054_ioctl通过sys_ioctl系统调用，完成用户与设备的信息查询、雷达工作参数配置与查询，如驱动软件版本号、雷达当前工作各参数配置和查询，主要用于对FPGA中RAM内存空间的雷达工作参数数据访问。由于这部分数据对访问速度要求不高，使用IO操作能很好地满足设计要求。读设备函数PLX9054_read将驱动DMA数据缓冲区中的数据实时读取到用户空间缓冲区内，完成采集数据从设备到用户的读取操作。