一種基于可編程SoC的小型化波控單元設(shè)計(jì)

洪 偉，鐘 文，錢倩云

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州 225101)

0 引 言

波束控制單元是相控陣面的重要組成部分。在工程實(shí)踐中不僅要快速精確地計(jì)算出各個(gè)陣面單元移相器的波束控制數(shù)碼，對(duì)天線單元之間的幅度和相位誤差進(jìn)行修正補(bǔ)償，使天線快速準(zhǔn)確地指向預(yù)定的空間方向，且需要對(duì)移相器的工作狀態(tài)、故障等信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，還要滿足在天線測(cè)試狀態(tài)下能夠靈活單獨(dú)地控制每一個(gè)移相器的波束控制數(shù)碼和工作狀態(tài)，完成天線的測(cè)試[1]。

可編程SoC是以傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，將專用的中央處理器單元和可編程邏輯資源集成在單個(gè)芯片中，可編程SoC設(shè)計(jì)更加靈活，體積顯著縮小，可靠性和系統(tǒng)整體性能明顯提高[2]。本文使用可編程SoC設(shè)計(jì)了一種小型化波控單元。

1 設(shè)計(jì)方案

波控單元主要由SoC控制器、DDR3存儲(chǔ)器、Flash存儲(chǔ)器、網(wǎng)絡(luò)接口模塊、電平轉(zhuǎn)換模塊、時(shí)鐘模塊和電源模塊組成，波控單元組成框圖如圖1所示。SoC控制器是波控單元的核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)命令的解析，波束指向的解算，陣面各模塊控制邏輯的產(chǎn)生以及陣面狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。DDR3存儲(chǔ)器作為大容量高速存儲(chǔ)單元，為SoC控制器的運(yùn)行提供程序執(zhí)行空間和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，同時(shí)為陣面校正數(shù)據(jù)提供高速緩存。Flash存儲(chǔ)器作為非易失性存儲(chǔ)單元，用于SoC控制器啟動(dòng)程序和執(zhí)行程序的存儲(chǔ)，同時(shí)用于陣面校正數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。網(wǎng)絡(luò)接口模塊收發(fā)千兆以太網(wǎng)數(shù)據(jù)，用于波控單元與系統(tǒng)設(shè)備之間的命令和數(shù)據(jù)傳輸。電平轉(zhuǎn)換模塊對(duì)波控單元輸入輸出信號(hào)進(jìn)行變換，以滿足各模塊不同的信號(hào)電平需求，并對(duì)輸出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)整，保證信號(hào)傳輸質(zhì)量。時(shí)鐘模塊根據(jù)系統(tǒng)參考時(shí)鐘產(chǎn)生波控單元各模塊所需的工作時(shí)鐘。電源模塊對(duì)輸入供電電源進(jìn)行變換、濾波，為各模塊提供符合要求的電源。

圖1 波控單元組成框圖

2 工程設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

SoC控制器、DDR3存儲(chǔ)器、Flash存儲(chǔ)器、網(wǎng)絡(luò)接口模塊和電平轉(zhuǎn)換模塊構(gòu)成了波控單元的核心電路，本文著重對(duì)核心電路設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

2.1.1 SoC控制器選型及設(shè)計(jì)

常用的可編程SoC控制器實(shí)現(xiàn)方案主要有2種：一種是在FPGA上部署軟處理器實(shí)現(xiàn)，例如在賽靈思公司的FPGA上部署MicroBlaze處理器；另一種是直接使用集成了硬處理器和可編程邏輯的器件，例如賽靈思公司的ZYNQ系列器件。雖然使用軟處理器的方案靈活性更高，但是軟處理器的性能通常遠(yuǎn)低于硬處理器。以賽靈思公司的產(chǎn)品為例，典型應(yīng)用下，MicroBlaze的性能不到ZYNQ中處理器性能的十分之一[3]。SoC控制器是波控單元的核心，其處理能力的高低直接影響到波控單元的性能，所以本設(shè)計(jì)使用集成了硬處理器的ZYNQ系列器件作為SoC控制器，通過(guò)對(duì)資源和功能等因素的綜合考慮，實(shí)際選用器件型號(hào)為XC7Z045，該型器件擁有約17 Mb的內(nèi)部存儲(chǔ)器和350個(gè)通用IO引腳。

SoC控制器內(nèi)部分為處理器系統(tǒng)(PS)和可編程邏輯(PL)系統(tǒng)2個(gè)部分，SoC控制器的硬件設(shè)計(jì)主要包括電源設(shè)計(jì)、啟動(dòng)模式設(shè)計(jì)和信號(hào)接口設(shè)計(jì)。SoC控制器PS和PL的供電是完全獨(dú)立的，在器件內(nèi)部也是相互隔離的，但是根據(jù)波控單元應(yīng)用場(chǎng)景以及從簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的角度考慮，本設(shè)計(jì)將PS的VCCPINT與PL的VCCINT合并供電，PS的VCCPAUX、VCCO_MIO0和VCCO_MIO1與PL的VCCAUX合并供電，PS的VCCPLL通過(guò)濾波電路后與PL的VCCAUX合并供電，減少了電源種類，簡(jiǎn)化了電源網(wǎng)絡(luò)，節(jié)省了設(shè)計(jì)空間。SoC控制器的基礎(chǔ)啟動(dòng)模式有5種，通過(guò)啟動(dòng)模式選擇引腳MIO[5∶3]設(shè)置，本設(shè)計(jì)選擇使用Quad-SPI啟動(dòng)模式。MIO[5∶3]在啟動(dòng)時(shí)需要設(shè)置為“100”，由于MIO[5∶3]同時(shí)為啟動(dòng)Flash存儲(chǔ)器的信號(hào)引腳，所以不能直接接固定電平，需要通過(guò)20 kΩ電阻上拉或下拉至所需電平。SoC控制器PS的IO分為3個(gè)Bank(Bank500，Bank501和Bank502)，用于啟動(dòng)的程序存儲(chǔ)Flash連接至Bank500，網(wǎng)絡(luò)接口模塊連接至Bank501，DDR3存儲(chǔ)器連接至Bank502；PL的IO分為8個(gè)Bank，波控單元所有對(duì)外接口通過(guò)電平轉(zhuǎn)換模塊與PL的IO連接。

2.1.2 存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)

波控單元的存儲(chǔ)器包括高速的DDR3存儲(chǔ)器和非易失性的Flash存儲(chǔ)器。DDR3存儲(chǔ)器與PS的DDR3存儲(chǔ)器專用引腳連接，本設(shè)計(jì)選用DDR3存儲(chǔ)器型號(hào)為MT41J256M16，數(shù)據(jù)寬度16位，數(shù)據(jù)深度256 M，存儲(chǔ)容量512 MB，可以同時(shí)滿足SoC控制器程序運(yùn)行和陣面校正數(shù)據(jù)緩存的需求。DDR3存儲(chǔ)器作為高速器件，運(yùn)行頻率極高，為保證其穩(wěn)定可靠運(yùn)行，在信號(hào)等長(zhǎng)和信號(hào)隔離2個(gè)方面進(jìn)行了重點(diǎn)設(shè)計(jì)。DDR3信號(hào)分為3組：2組數(shù)據(jù)信號(hào)和1組地址與控制信號(hào)。數(shù)據(jù)信號(hào)參照同組的DQS做等長(zhǎng)設(shè)計(jì)，地址與控制信號(hào)參照CK信號(hào)做等長(zhǎng)設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)信號(hào)和地址與控制信號(hào)在不同布線層布線并通過(guò)電源或地平面隔離。Flash存儲(chǔ)器采用了程序存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分開(kāi)的設(shè)計(jì)，程序存儲(chǔ)器存放SoC控制器啟動(dòng)程序和執(zhí)行程序，與PS的IO連接；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器存放陣面校正數(shù)據(jù)，與PL的IO連接，存儲(chǔ)器統(tǒng)一選用串行NOR Flash，最大容量2 Gb。Flash存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)信號(hào)參照時(shí)鐘信號(hào)做等長(zhǎng)設(shè)計(jì)并在信號(hào)線串接15 Ω匹配電阻。

2.1.3 接口模塊設(shè)計(jì)

波控單元的接口模塊包括高速的網(wǎng)絡(luò)接口模塊和低速的電平轉(zhuǎn)換模塊。網(wǎng)絡(luò)接口模塊主要由網(wǎng)絡(luò)接口芯片和網(wǎng)絡(luò)變壓器組成，工作速率10/100/1 000 Mbps，通過(guò)RGMII與SoC控制器連接。為達(dá)到最佳性能，采取了如下設(shè)計(jì)：RXD[3∶0]和RX_CTL參照RX_CLK信號(hào)做等長(zhǎng)設(shè)計(jì)，TXD[3∶0]和TX_CTL參照TX_CLK信號(hào)做等長(zhǎng)設(shè)計(jì)，網(wǎng)絡(luò)變壓器底部禁止布線并做挖空處理。電平轉(zhuǎn)換模塊主要由雙向電平轉(zhuǎn)換芯片和RS422收發(fā)器組成，SoC控制器單端輸入輸出信號(hào)電平+3.3 V，波控單元單端輸入輸出信號(hào)電平+5 V，兩者通過(guò)雙向電平轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)接，波控單元單端信號(hào)輸出端通過(guò)串接電阻改善信號(hào)質(zhì)量以達(dá)到最佳長(zhǎng)線傳輸性能。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

波控單元的軟件設(shè)計(jì)主要就是SoC控制器的軟件設(shè)計(jì)，分為PS軟件和PL軟件2個(gè)部分，波控單元軟件架構(gòu)框圖如圖2所示。PS軟件由1個(gè)主程序和多個(gè)任務(wù)處理子程序組成，主程序?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊和任務(wù)調(diào)度功能，將接收到的命令和數(shù)據(jù)按照任務(wù)類型分發(fā)給相應(yīng)的任務(wù)處理子程序處理，并將任務(wù)處理子程序的執(zhí)行結(jié)果發(fā)送給系統(tǒng)，任務(wù)處理子程序是任務(wù)的具體執(zhí)行者，處理的任務(wù)包括波束控制任務(wù)、陣面監(jiān)測(cè)任務(wù)和一些其它任務(wù)。PL軟件由可編程邏輯模塊組成，主要包括T/R組件控制模塊、陣面狀態(tài)控制模塊和陣面狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊，T/R組件控制模塊產(chǎn)生符合時(shí)序要求的信號(hào)，控制T/R組件的幅相參數(shù)和收發(fā)狀態(tài)，陣面狀態(tài)控制模塊產(chǎn)生電平控制信號(hào)，控制陣面的變頻、開(kāi)關(guān)和電源等模塊，陣面狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊通過(guò)串口收集電源狀態(tài)、環(huán)控狀態(tài)等信息。

圖2 波控單元軟件架構(gòu)框圖

2.2.1 軟件流程設(shè)計(jì)

軟件工作流程如圖3所示。主程序啟動(dòng)后先執(zhí)行初始化操作，初始化操作包括對(duì)硬件模塊的初始化和對(duì)軟件模塊的初始化，初始化完成后啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽(tīng)服務(wù)程序，等待系統(tǒng)發(fā)起網(wǎng)絡(luò)連接并與之建立連接，與系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)連接建立后便可接收命令，通過(guò)對(duì)命令類型的識(shí)別任務(wù)調(diào)度調(diào)用不同的任務(wù)處理子程序具體處理命令內(nèi)容，任務(wù)結(jié)束后返回主程序繼續(xù)等待接收命令，開(kāi)始下一個(gè)任務(wù)周期。波束控制任務(wù)作為波控單元最主要的任務(wù)，本文對(duì)其工作流程進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。波束控制任務(wù)處理子程序被主程序調(diào)用后，首先執(zhí)行波控碼計(jì)算和補(bǔ)償操作，對(duì)命令內(nèi)容進(jìn)行解析，獲取頻率、角度和模式等波束參數(shù)并結(jié)合陣面參數(shù)計(jì)算出陣面每個(gè)通道的幅相碼，并用該計(jì)算值查找陣面幅相補(bǔ)償表，得到每個(gè)通道的幅相控制碼，然后執(zhí)行設(shè)置PL模塊參數(shù)操作，將幅相控制碼和其它控制參數(shù)寫(xiě)入PL的邏輯功能模塊中，最后執(zhí)行輸出同步信號(hào)操作，觸發(fā)PL的邏輯功能模塊產(chǎn)生控制信號(hào)完成陣面設(shè)置。

圖3 軟件工作流程圖

2.2.2 T/R組件控制模塊設(shè)計(jì)

圖4 T/R組件控制模塊框圖

T/R組件控制模塊由接口控制器、同步控制器、并串轉(zhuǎn)換控制器、通道參數(shù)寄存器和并串轉(zhuǎn)換寄存器組成，T/R組件控制模塊框圖如圖4所示。PS軟件將T/R通道參數(shù)通過(guò)接口控制器寫(xiě)入通道參數(shù)寄存器，每個(gè)T/R通道對(duì)應(yīng)一個(gè)通道參數(shù)寄存器，通道參數(shù)寄存器在并串轉(zhuǎn)換控制器的控制下經(jīng)過(guò)并串轉(zhuǎn)換寄存器產(chǎn)生串行的數(shù)據(jù)信號(hào)DATAn，并串轉(zhuǎn)換寄存器由并入串出的移位寄存器實(shí)現(xiàn)，并串轉(zhuǎn)換控制器控制并串轉(zhuǎn)換時(shí)序并產(chǎn)生串行時(shí)鐘信號(hào)CLK和使能信號(hào)CS等信號(hào)，同步控制器根據(jù)系統(tǒng)觸發(fā)信號(hào)產(chǎn)生T/R組件收發(fā)切換信號(hào)T/R和同步信號(hào)SYNC等。

3 試驗(yàn)結(jié)果

波控單元設(shè)計(jì)完成后，使用計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)設(shè)備，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)向波控單元發(fā)送測(cè)試數(shù)據(jù)，對(duì)波控單元工作流程和輸出控制時(shí)序進(jìn)行驗(yàn)證。波束參數(shù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到波控單元，PS軟件對(duì)波束參數(shù)處理完畢后控制PL模塊產(chǎn)生控制信號(hào)輸出，控制信號(hào)時(shí)序如圖5所示，在時(shí)鐘信號(hào)和使能信號(hào)的控制下，通道參數(shù)以串碼的形式依次打入T/R組件，最后在同步信號(hào)的控制下完成波束指向的改變。

圖5 控制信號(hào)時(shí)序

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的波控單元實(shí)現(xiàn)了對(duì)陣面的快速控制和全面監(jiān)測(cè)，具有小型化、高可靠和控制靈活等優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于空間有限的小型相控陣面設(shè)計(jì)。