基于片上PowerPC的Vxworks處理平臺(tái)的波束控制設(shè)計(jì)

張?jiān)隼^++許大進(jìn)

摘要：片上嵌入式系統(tǒng)憑借其諸多方面的優(yōu)勢，如成本低、功耗低、尺寸小、處理速度快、可靠性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、靈活性、產(chǎn)品上市時(shí)間以及設(shè)計(jì)開發(fā)周期短等優(yōu)勢，將嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)VxWorks 和基于FPGA 的片上PowerPC 平臺(tái)相結(jié)合，使產(chǎn)品體積更小、環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)、運(yùn)行更可靠、擴(kuò)展和升級(jí)更靈活、生產(chǎn)成本更低。必將成為將來雷達(dá)產(chǎn)品上的主流技術(shù)。本文提出了在其內(nèi)嵌PowerPC440 處理器上構(gòu)建Vxworks 操作系統(tǒng)平臺(tái)的雷達(dá)的波束控制設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：PowerPC440 Vxworks 嵌入式計(jì)算機(jī) 波束控制

中圖分類號(hào)：TN958.92 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2014）08-0007-02

1 引言

PowerPC440是一款基于Book-E 增強(qiáng)PowerPC架構(gòu)的高性能、低功耗處理器，具有超標(biāo)量、流水線處理單元，并擁有嵌入式SIC產(chǎn)品規(guī)范所需要的其他功能要素，如存儲(chǔ)管理、cache控制、定時(shí)器、各種軟硬件調(diào)試機(jī)制等。能夠有效支持SOC設(shè)計(jì)，從而進(jìn)一步節(jié)省計(jì)算機(jī)整體的空間和功耗，是能滿足波束控制處理的一款平臺(tái)。Xilinx公司提供的EDK開發(fā)工具是一種專門針對(duì)FPGA內(nèi)部嵌入式處理器的集成開發(fā)工具包，主要的軟件設(shè)計(jì)由EDK中的子工具包SDK完成。用戶可以通過集成在EDK中的XPS來調(diào)用各種工具完成嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)的搭建工作。基于內(nèi)嵌PPC440硬核系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)技術(shù)的功能設(shè)計(jì)，通過調(diào)整嵌入CPU的總線控制及外圍接口設(shè)計(jì)，運(yùn)行vxWorks操作系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)波控系統(tǒng)的小型化、高可靠性、實(shí)時(shí)性要求。

2 波束控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

2.1 波控系統(tǒng)的基本原理

相控陣?yán)走_(dá)搜索時(shí)，波束控制系統(tǒng)根據(jù)天線波束指向的空間位置，計(jì)算出相應(yīng)的方位或仰角初始相位值，然后再計(jì)算出陣列線中每個(gè)單元移相器所需的相位值，求出陣列中各個(gè)移相器需要的波束控制碼，并打入相應(yīng)的寄存器使移相器移相，從而使天線波束指向預(yù)定的搜索空域。在天線的掃描過程中，整個(gè)天線系統(tǒng)保持相對(duì)固定，即天線本身不做任何機(jī)械運(yùn)動(dòng)，而是由波控系統(tǒng)通過控制陣列天線中各個(gè)單元中移相器的幅度和相位，得到所需要的波束指向，實(shí)現(xiàn)控制電磁波束的掃描。根據(jù)雷達(dá)原理一個(gè)間距為d的N個(gè)單元線陣，在同相饋電時(shí)，最大輻射方向就是其法線方向[1]。

天線系統(tǒng)的每個(gè)T/R組件內(nèi)各有一個(gè)移相器，通過波控系統(tǒng)對(duì)移相器的控制，使其相位在0～2π之間調(diào)整，由此控制天線的主瓣指向。天線相位控制掃描工作原理如下圖1所示。

2.2 波控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)波束控制系統(tǒng)的性能要求，以基本模塊為基礎(chǔ)，波束控制系統(tǒng)的對(duì)象T/R設(shè)計(jì)成模塊形式[2]，波控系統(tǒng)的原理框圖如下圖2所示。

系統(tǒng)的工作原理如下：嵌入式PC接收到指令信息，產(chǎn)生陣面組件的移相數(shù)據(jù)，并根據(jù)各種模式參數(shù)，產(chǎn)生不同工作模式下的開關(guān)信號(hào)以及不同的工作時(shí)序。各種數(shù)據(jù)和開關(guān)狀態(tài)在時(shí)序控制下，完成數(shù)據(jù)的組合以及并串轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過信號(hào)的分配和電路的驅(qū)動(dòng)，完成移相數(shù)據(jù)向T/R組件的傳輸。另外配合時(shí)序的控制，完成陣面移相器的布相任務(wù)。

目前在波束控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中普遍采用二級(jí)緩存同步布相，即提前將下一波束的布相數(shù)據(jù)計(jì)算好并依次鎖存在一級(jí)緩存中，當(dāng)波束進(jìn)行切換時(shí)由波位切換信號(hào)將一級(jí)緩存中的布相數(shù)據(jù)同步打入到二級(jí)緩存中，二級(jí)緩存中的數(shù)據(jù)將直接控制T/R組件，其工作示意圖如圖3。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 基于FPGA 的片上PowerPC系統(tǒng)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)分為兩大部分。其中底層系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要完成BSP（板級(jí)支持包）功能；而用戶應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)則包括用戶硬件驅(qū)動(dòng)及用戶上層應(yīng)用軟件。由于EDK中帶有許多IP核及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)軟件，因此，底層系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)大部分可在EDK集成開發(fā)工具中完成，如操作系統(tǒng)的選擇、操作系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的選擇、中斷/異常處理例程的設(shè)置等各種系統(tǒng)軟件參數(shù)的設(shè)置。由于有底層驅(qū)動(dòng)軟件的隔離，所以用戶應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)通常都具有通用性，使用C語言即可完成。波控系統(tǒng)軟件平臺(tái)選用嵌入式實(shí)時(shí)操作系VxWorks，該操作系統(tǒng)具有集成度高、內(nèi)核小、多任務(wù)、中斷響應(yīng)實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)，在很多軍工產(chǎn)品中已得到充分驗(yàn)證。采用基于Xilinx嵌入式FPGA設(shè)計(jì)，在FPGA內(nèi)使用嵌入式PowerPC440 CPU核作為處理器，具有相當(dāng)大的靈活性可按需要隨意裁減的操作系統(tǒng)軟件，并擁有較多的開發(fā)和調(diào)試工具。編譯環(huán)境為WorkBench6.7，提供了圖形化的實(shí)時(shí)應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)，它包含一套完整的面向嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)和調(diào)試工具，很好的解決了波束控制系統(tǒng)中軟件調(diào)試難題[3]。

3.2 軟件系統(tǒng)工作流程及功能模塊

波束控制系統(tǒng)軟件工作流程如圖4。

根據(jù)軟件工作處理工作流程，將軟件系統(tǒng)各模塊功能描述如下：

（1）初始化模塊：內(nèi)存申請(qǐng)，設(shè)置工作初始參數(shù)，UDP網(wǎng)絡(luò)初始化，初始移相碼表的建立等。

（2）移相碼表建立：根據(jù)當(dāng)前的工作模式，對(duì)不同頻點(diǎn)的波束進(jìn)行校正處理，并將校正結(jié)果保存在移相碼表中，作為下次工作的移相碼表。

（3）波束控制模塊：根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)信息，快速查詢波控碼表，按移相器地址順序的打入各移相器，實(shí)現(xiàn)波束控制。

（4）故障監(jiān)測模塊：檢測系統(tǒng)各插件工作狀態(tài)，并輸出到顯控終端。

（5）網(wǎng)絡(luò)模塊：負(fù)責(zé)與外部設(shè)備的通信[4]。

4 結(jié)語

本文將嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)VxWorks和基于FPGA的片上PowerPC平臺(tái)相結(jié)合，用于雷達(dá)波束控制設(shè)計(jì)中，使產(chǎn)品體積更小、環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)、運(yùn)行更可靠、擴(kuò)展和升級(jí)更靈活、生產(chǎn)成本更低。借助于高效的開發(fā)—風(fēng)河公司workbench和Xilinx公司推出的完整的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)工具EDK（Embedded Development Kit），可以極大的簡化嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)軟件設(shè)計(jì)和BSP生成的復(fù)雜性，同時(shí)，也大大縮短了開發(fā)周期。在工程實(shí)踐中工作穩(wěn)定可靠，取得了預(yù)期的效果，可以預(yù)見，基于FPGA片上PowerPC的Vxworks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的綜合處理平臺(tái)，將會(huì)在各個(gè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1]張光義.相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)[M].北京：國防工業(yè)出版社，1994.

[2]丁鷺飛.雷達(dá)原理[M].西安：西北電訊工程學(xué)院出版社，1983.

[3]薛小剛，葛毅敏.Xilinx ISE 9.x設(shè)計(jì)指南[M].北京：人民郵電出版社，2007.

[4]劉浩，陳之濤.基于VxWorks的有源相控陣?yán)走_(dá)波束控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).全國第21屆計(jì)算機(jī)技術(shù)與應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議（CACIS·2010）暨全國第2屆安全關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.

摘要：片上嵌入式系統(tǒng)憑借其諸多方面的優(yōu)勢，如成本低、功耗低、尺寸小、處理速度快、可靠性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、靈活性、產(chǎn)品上市時(shí)間以及設(shè)計(jì)開發(fā)周期短等優(yōu)勢，將嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)VxWorks 和基于FPGA 的片上PowerPC 平臺(tái)相結(jié)合，使產(chǎn)品體積更小、環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)、運(yùn)行更可靠、擴(kuò)展和升級(jí)更靈活、生產(chǎn)成本更低。必將成為將來雷達(dá)產(chǎn)品上的主流技術(shù)。本文提出了在其內(nèi)嵌PowerPC440 處理器上構(gòu)建Vxworks 操作系統(tǒng)平臺(tái)的雷達(dá)的波束控制設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：PowerPC440 Vxworks 嵌入式計(jì)算機(jī) 波束控制

中圖分類號(hào)：TN958.92 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2014）08-0007-02

1 引言

PowerPC440是一款基于Book-E 增強(qiáng)PowerPC架構(gòu)的高性能、低功耗處理器，具有超標(biāo)量、流水線處理單元，并擁有嵌入式SIC產(chǎn)品規(guī)范所需要的其他功能要素，如存儲(chǔ)管理、cache控制、定時(shí)器、各種軟硬件調(diào)試機(jī)制等。能夠有效支持SOC設(shè)計(jì)，從而進(jìn)一步節(jié)省計(jì)算機(jī)整體的空間和功耗，是能滿足波束控制處理的一款平臺(tái)。Xilinx公司提供的EDK開發(fā)工具是一種專門針對(duì)FPGA內(nèi)部嵌入式處理器的集成開發(fā)工具包，主要的軟件設(shè)計(jì)由EDK中的子工具包SDK完成。用戶可以通過集成在EDK中的XPS來調(diào)用各種工具完成嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)的搭建工作?；趦?nèi)嵌PPC440硬核系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)技術(shù)的功能設(shè)計(jì)，通過調(diào)整嵌入CPU的總線控制及外圍接口設(shè)計(jì)，運(yùn)行vxWorks操作系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)波控系統(tǒng)的小型化、高可靠性、實(shí)時(shí)性要求。

2 波束控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

2.1 波控系統(tǒng)的基本原理

相控陣?yán)走_(dá)搜索時(shí)，波束控制系統(tǒng)根據(jù)天線波束指向的空間位置，計(jì)算出相應(yīng)的方位或仰角初始相位值，然后再計(jì)算出陣列線中每個(gè)單元移相器所需的相位值，求出陣列中各個(gè)移相器需要的波束控制碼，并打入相應(yīng)的寄存器使移相器移相，從而使天線波束指向預(yù)定的搜索空域。在天線的掃描過程中，整個(gè)天線系統(tǒng)保持相對(duì)固定，即天線本身不做任何機(jī)械運(yùn)動(dòng)，而是由波控系統(tǒng)通過控制陣列天線中各個(gè)單元中移相器的幅度和相位，得到所需要的波束指向，實(shí)現(xiàn)控制電磁波束的掃描。根據(jù)雷達(dá)原理一個(gè)間距為d的N個(gè)單元線陣，在同相饋電時(shí)，最大輻射方向就是其法線方向[1]。

天線系統(tǒng)的每個(gè)T/R組件內(nèi)各有一個(gè)移相器，通過波控系統(tǒng)對(duì)移相器的控制，使其相位在0～2π之間調(diào)整，由此控制天線的主瓣指向。天線相位控制掃描工作原理如下圖1所示。

2.2 波控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)波束控制系統(tǒng)的性能要求，以基本模塊為基礎(chǔ)，波束控制系統(tǒng)的對(duì)象T/R設(shè)計(jì)成模塊形式[2]，波控系統(tǒng)的原理框圖如下圖2所示。

系統(tǒng)的工作原理如下：嵌入式PC接收到指令信息，產(chǎn)生陣面組件的移相數(shù)據(jù)，并根據(jù)各種模式參數(shù)，產(chǎn)生不同工作模式下的開關(guān)信號(hào)以及不同的工作時(shí)序。各種數(shù)據(jù)和開關(guān)狀態(tài)在時(shí)序控制下，完成數(shù)據(jù)的組合以及并串轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過信號(hào)的分配和電路的驅(qū)動(dòng)，完成移相數(shù)據(jù)向T/R組件的傳輸。另外配合時(shí)序的控制，完成陣面移相器的布相任務(wù)。

目前在波束控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中普遍采用二級(jí)緩存同步布相，即提前將下一波束的布相數(shù)據(jù)計(jì)算好并依次鎖存在一級(jí)緩存中，當(dāng)波束進(jìn)行切換時(shí)由波位切換信號(hào)將一級(jí)緩存中的布相數(shù)據(jù)同步打入到二級(jí)緩存中，二級(jí)緩存中的數(shù)據(jù)將直接控制T/R組件，其工作示意圖如圖3。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 基于FPGA 的片上PowerPC系統(tǒng)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)分為兩大部分。其中底層系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要完成BSP（板級(jí)支持包）功能；而用戶應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)則包括用戶硬件驅(qū)動(dòng)及用戶上層應(yīng)用軟件。由于EDK中帶有許多IP核及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)軟件，因此，底層系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)大部分可在EDK集成開發(fā)工具中完成，如操作系統(tǒng)的選擇、操作系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的選擇、中斷/異常處理例程的設(shè)置等各種系統(tǒng)軟件參數(shù)的設(shè)置。由于有底層驅(qū)動(dòng)軟件的隔離，所以用戶應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)通常都具有通用性，使用C語言即可完成。波控系統(tǒng)軟件平臺(tái)選用嵌入式實(shí)時(shí)操作系VxWorks，該操作系統(tǒng)具有集成度高、內(nèi)核小、多任務(wù)、中斷響應(yīng)實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)，在很多軍工產(chǎn)品中已得到充分驗(yàn)證。采用基于Xilinx嵌入式FPGA設(shè)計(jì)，在FPGA內(nèi)使用嵌入式PowerPC440 CPU核作為處理器，具有相當(dāng)大的靈活性可按需要隨意裁減的操作系統(tǒng)軟件，并擁有較多的開發(fā)和調(diào)試工具。編譯環(huán)境為WorkBench6.7，提供了圖形化的實(shí)時(shí)應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)，它包含一套完整的面向嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)和調(diào)試工具，很好的解決了波束控制系統(tǒng)中軟件調(diào)試難題[3]。

3.2 軟件系統(tǒng)工作流程及功能模塊

波束控制系統(tǒng)軟件工作流程如圖4。

根據(jù)軟件工作處理工作流程，將軟件系統(tǒng)各模塊功能描述如下：

（1）初始化模塊：內(nèi)存申請(qǐng)，設(shè)置工作初始參數(shù)，UDP網(wǎng)絡(luò)初始化，初始移相碼表的建立等。

（2）移相碼表建立：根據(jù)當(dāng)前的工作模式，對(duì)不同頻點(diǎn)的波束進(jìn)行校正處理，并將校正結(jié)果保存在移相碼表中，作為下次工作的移相碼表。

（3）波束控制模塊：根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)信息，快速查詢波控碼表，按移相器地址順序的打入各移相器，實(shí)現(xiàn)波束控制。

（4）故障監(jiān)測模塊：檢測系統(tǒng)各插件工作狀態(tài)，并輸出到顯控終端。

（5）網(wǎng)絡(luò)模塊：負(fù)責(zé)與外部設(shè)備的通信[4]。

4 結(jié)語

本文將嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)VxWorks和基于FPGA的片上PowerPC平臺(tái)相結(jié)合，用于雷達(dá)波束控制設(shè)計(jì)中，使產(chǎn)品體積更小、環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)、運(yùn)行更可靠、擴(kuò)展和升級(jí)更靈活、生產(chǎn)成本更低。借助于高效的開發(fā)—風(fēng)河公司workbench和Xilinx公司推出的完整的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)工具EDK（Embedded Development Kit），可以極大的簡化嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)軟件設(shè)計(jì)和BSP生成的復(fù)雜性，同時(shí)，也大大縮短了開發(fā)周期。在工程實(shí)踐中工作穩(wěn)定可靠，取得了預(yù)期的效果，可以預(yù)見，基于FPGA片上PowerPC的Vxworks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的綜合處理平臺(tái)，將會(huì)在各個(gè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1]張光義.相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)[M].北京：國防工業(yè)出版社，1994.

[2]丁鷺飛.雷達(dá)原理[M].西安：西北電訊工程學(xué)院出版社，1983.

[3]薛小剛，葛毅敏.Xilinx ISE 9.x設(shè)計(jì)指南[M].北京：人民郵電出版社，2007.

[4]劉浩，陳之濤.基于VxWorks的有源相控陣?yán)走_(dá)波束控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).全國第21屆計(jì)算機(jī)技術(shù)與應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議（CACIS·2010）暨全國第2屆安全關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.

摘要：片上嵌入式系統(tǒng)憑借其諸多方面的優(yōu)勢，如成本低、功耗低、尺寸小、處理速度快、可靠性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、靈活性、產(chǎn)品上市時(shí)間以及設(shè)計(jì)開發(fā)周期短等優(yōu)勢，將嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)VxWorks 和基于FPGA 的片上PowerPC 平臺(tái)相結(jié)合，使產(chǎn)品體積更小、環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)、運(yùn)行更可靠、擴(kuò)展和升級(jí)更靈活、生產(chǎn)成本更低。必將成為將來雷達(dá)產(chǎn)品上的主流技術(shù)。本文提出了在其內(nèi)嵌PowerPC440 處理器上構(gòu)建Vxworks 操作系統(tǒng)平臺(tái)的雷達(dá)的波束控制設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：PowerPC440 Vxworks 嵌入式計(jì)算機(jī) 波束控制

中圖分類號(hào)：TN958.92 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2014）08-0007-02

1 引言

PowerPC440是一款基于Book-E 增強(qiáng)PowerPC架構(gòu)的高性能、低功耗處理器，具有超標(biāo)量、流水線處理單元，并擁有嵌入式SIC產(chǎn)品規(guī)范所需要的其他功能要素，如存儲(chǔ)管理、cache控制、定時(shí)器、各種軟硬件調(diào)試機(jī)制等。能夠有效支持SOC設(shè)計(jì)，從而進(jìn)一步節(jié)省計(jì)算機(jī)整體的空間和功耗，是能滿足波束控制處理的一款平臺(tái)。Xilinx公司提供的EDK開發(fā)工具是一種專門針對(duì)FPGA內(nèi)部嵌入式處理器的集成開發(fā)工具包，主要的軟件設(shè)計(jì)由EDK中的子工具包SDK完成。用戶可以通過集成在EDK中的XPS來調(diào)用各種工具完成嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)的搭建工作?；趦?nèi)嵌PPC440硬核系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)技術(shù)的功能設(shè)計(jì)，通過調(diào)整嵌入CPU的總線控制及外圍接口設(shè)計(jì)，運(yùn)行vxWorks操作系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)波控系統(tǒng)的小型化、高可靠性、實(shí)時(shí)性要求。

2 波束控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

2.1 波控系統(tǒng)的基本原理

相控陣?yán)走_(dá)搜索時(shí)，波束控制系統(tǒng)根據(jù)天線波束指向的空間位置，計(jì)算出相應(yīng)的方位或仰角初始相位值，然后再計(jì)算出陣列線中每個(gè)單元移相器所需的相位值，求出陣列中各個(gè)移相器需要的波束控制碼，并打入相應(yīng)的寄存器使移相器移相，從而使天線波束指向預(yù)定的搜索空域。在天線的掃描過程中，整個(gè)天線系統(tǒng)保持相對(duì)固定，即天線本身不做任何機(jī)械運(yùn)動(dòng)，而是由波控系統(tǒng)通過控制陣列天線中各個(gè)單元中移相器的幅度和相位，得到所需要的波束指向，實(shí)現(xiàn)控制電磁波束的掃描。根據(jù)雷達(dá)原理一個(gè)間距為d的N個(gè)單元線陣，在同相饋電時(shí)，最大輻射方向就是其法線方向[1]。

天線系統(tǒng)的每個(gè)T/R組件內(nèi)各有一個(gè)移相器，通過波控系統(tǒng)對(duì)移相器的控制，使其相位在0～2π之間調(diào)整，由此控制天線的主瓣指向。天線相位控制掃描工作原理如下圖1所示。

2.2 波控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)波束控制系統(tǒng)的性能要求，以基本模塊為基礎(chǔ)，波束控制系統(tǒng)的對(duì)象T/R設(shè)計(jì)成模塊形式[2]，波控系統(tǒng)的原理框圖如下圖2所示。

系統(tǒng)的工作原理如下：嵌入式PC接收到指令信息，產(chǎn)生陣面組件的移相數(shù)據(jù)，并根據(jù)各種模式參數(shù)，產(chǎn)生不同工作模式下的開關(guān)信號(hào)以及不同的工作時(shí)序。各種數(shù)據(jù)和開關(guān)狀態(tài)在時(shí)序控制下，完成數(shù)據(jù)的組合以及并串轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過信號(hào)的分配和電路的驅(qū)動(dòng)，完成移相數(shù)據(jù)向T/R組件的傳輸。另外配合時(shí)序的控制，完成陣面移相器的布相任務(wù)。

目前在波束控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中普遍采用二級(jí)緩存同步布相，即提前將下一波束的布相數(shù)據(jù)計(jì)算好并依次鎖存在一級(jí)緩存中，當(dāng)波束進(jìn)行切換時(shí)由波位切換信號(hào)將一級(jí)緩存中的布相數(shù)據(jù)同步打入到二級(jí)緩存中，二級(jí)緩存中的數(shù)據(jù)將直接控制T/R組件，其工作示意圖如圖3。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 基于FPGA 的片上PowerPC系統(tǒng)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)分為兩大部分。其中底層系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要完成BSP（板級(jí)支持包）功能；而用戶應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)則包括用戶硬件驅(qū)動(dòng)及用戶上層應(yīng)用軟件。由于EDK中帶有許多IP核及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)軟件，因此，底層系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)大部分可在EDK集成開發(fā)工具中完成，如操作系統(tǒng)的選擇、操作系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的選擇、中斷/異常處理例程的設(shè)置等各種系統(tǒng)軟件參數(shù)的設(shè)置。由于有底層驅(qū)動(dòng)軟件的隔離，所以用戶應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)通常都具有通用性，使用C語言即可完成。波控系統(tǒng)軟件平臺(tái)選用嵌入式實(shí)時(shí)操作系VxWorks，該操作系統(tǒng)具有集成度高、內(nèi)核小、多任務(wù)、中斷響應(yīng)實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)，在很多軍工產(chǎn)品中已得到充分驗(yàn)證。采用基于Xilinx嵌入式FPGA設(shè)計(jì)，在FPGA內(nèi)使用嵌入式PowerPC440 CPU核作為處理器，具有相當(dāng)大的靈活性可按需要隨意裁減的操作系統(tǒng)軟件，并擁有較多的開發(fā)和調(diào)試工具。編譯環(huán)境為WorkBench6.7，提供了圖形化的實(shí)時(shí)應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)，它包含一套完整的面向嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)和調(diào)試工具，很好的解決了波束控制系統(tǒng)中軟件調(diào)試難題[3]。

3.2 軟件系統(tǒng)工作流程及功能模塊

波束控制系統(tǒng)軟件工作流程如圖4。

根據(jù)軟件工作處理工作流程，將軟件系統(tǒng)各模塊功能描述如下：

（1）初始化模塊：內(nèi)存申請(qǐng)，設(shè)置工作初始參數(shù)，UDP網(wǎng)絡(luò)初始化，初始移相碼表的建立等。

（2）移相碼表建立：根據(jù)當(dāng)前的工作模式，對(duì)不同頻點(diǎn)的波束進(jìn)行校正處理，并將校正結(jié)果保存在移相碼表中，作為下次工作的移相碼表。

（3）波束控制模塊：根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)信息，快速查詢波控碼表，按移相器地址順序的打入各移相器，實(shí)現(xiàn)波束控制。

（4）故障監(jiān)測模塊：檢測系統(tǒng)各插件工作狀態(tài)，并輸出到顯控終端。

（5）網(wǎng)絡(luò)模塊：負(fù)責(zé)與外部設(shè)備的通信[4]。

4 結(jié)語

本文將嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)VxWorks和基于FPGA的片上PowerPC平臺(tái)相結(jié)合，用于雷達(dá)波束控制設(shè)計(jì)中，使產(chǎn)品體積更小、環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)、運(yùn)行更可靠、擴(kuò)展和升級(jí)更靈活、生產(chǎn)成本更低。借助于高效的開發(fā)—風(fēng)河公司workbench和Xilinx公司推出的完整的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)工具EDK（Embedded Development Kit），可以極大的簡化嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)軟件設(shè)計(jì)和BSP生成的復(fù)雜性，同時(shí)，也大大縮短了開發(fā)周期。在工程實(shí)踐中工作穩(wěn)定可靠，取得了預(yù)期的效果，可以預(yù)見，基于FPGA片上PowerPC的Vxworks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的綜合處理平臺(tái)，將會(huì)在各個(gè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1]張光義.相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)[M].北京：國防工業(yè)出版社，1994.

[2]丁鷺飛.雷達(dá)原理[M].西安：西北電訊工程學(xué)院出版社，1983.

[3]薛小剛，葛毅敏.Xilinx ISE 9.x設(shè)計(jì)指南[M].北京：人民郵電出版社，2007.

[4]劉浩，陳之濤.基于VxWorks的有源相控陣?yán)走_(dá)波束控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).全國第21屆計(jì)算機(jī)技術(shù)與應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議（CACIS·2010）暨全國第2屆安全關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.