一種分布式的即插即用軟硬件設(shè)計(jì)方案

榮 笑，王 培，劉曉磊

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

0 引 言

相控陣天線(xiàn)具備波束無(wú)慣性快速掃描、多波束獨(dú)立可控、抗干擾能力強(qiáng)以及可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，在航天、雷達(dá)、衛(wèi)星通信等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1,2]。但相控陣天線(xiàn)同時(shí)存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜度高、軟硬件設(shè)計(jì)技術(shù)要求高等問(wèn)題，尤其當(dāng)天線(xiàn)陣列規(guī)模較大、波束較多時(shí)，單一控制單元無(wú)法滿(mǎn)足系統(tǒng)的復(fù)雜需求，需要多個(gè)控制單元協(xié)作完成系統(tǒng)功能。此時(shí)，如何對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行軟硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)，以在滿(mǎn)足系統(tǒng)復(fù)雜需求的同時(shí)使各功能單元合理互聯(lián)且協(xié)作良好變得尤為重要。從系統(tǒng)應(yīng)用需求角度出發(fā)，提出一種適用于大規(guī)模相控陣天線(xiàn)系統(tǒng)的分布式即插即用軟硬件設(shè)計(jì)方案。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 問(wèn)題分析

圖1是目前被廣泛使用的一種軟硬件設(shè)計(jì)方案，采用的是微控制單元（Micro Control Unit，MCU）加現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（Field-Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）的架構(gòu)[3,4]。其中，F(xiàn)PGA1、FPGA2、……、FPGAn用于控制波束掃描，而MCU用于實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)系統(tǒng)功能，MCU和波束控制單元之間通過(guò)FPGA進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換。

從圖1可以看出，該方案架構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，適用于小規(guī)模相控陣天線(xiàn)。但當(dāng)天線(xiàn)陣列規(guī)模較大、系統(tǒng)功能較復(fù)雜時(shí)，該方案的缺點(diǎn)便突顯出來(lái)。一是全部系統(tǒng)控制功能集中在一個(gè)單元內(nèi)部，對(duì)該單元可靠性要求極高，隨著系統(tǒng)功能復(fù)雜度提高，MCU軟件設(shè)計(jì)復(fù)雜度也隨之提高；二是方案中未考慮相控陣天線(xiàn)的多波束功能，僅能通過(guò)修改MCU軟件來(lái)滿(mǎn)足多波束使用需求，給軟件設(shè)計(jì)帶來(lái)了大量的重復(fù)工作；三是軟硬件設(shè)計(jì)上沒(méi)有模塊化概念，隨著系統(tǒng)需求變化，每個(gè)單元都需要重新設(shè)計(jì)，系統(tǒng)模塊化程度低、復(fù)用率不高且調(diào)試難度大。

1.2 解決方案

針對(duì)上述問(wèn)題，將系統(tǒng)功能重新劃分，按照系統(tǒng)自上而下的設(shè)計(jì)思想將整個(gè)系統(tǒng)看作以下3個(gè)部分。

（1）天線(xiàn)系統(tǒng)。由于相控陣天線(xiàn)的本質(zhì)是實(shí)現(xiàn)不同波束分別工作，因此整個(gè)相控陣天線(xiàn)系統(tǒng)需要一個(gè)波束調(diào)度單元來(lái)實(shí)現(xiàn)波束任務(wù)分發(fā)與調(diào)度工作。

（2）波束控制單元。按照系統(tǒng)波束需求進(jìn)行劃分，有幾個(gè)波束即存在幾個(gè)波束控制單元，波束控制單元用于實(shí)現(xiàn)分發(fā)給波束的全部任務(wù)。

（3）標(biāo)準(zhǔn)化子陣。按照天線(xiàn)單元數(shù)量進(jìn)行劃分，對(duì)子陣控制單元進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，每個(gè)子陣支持固定上限的天線(xiàn)單元，使用時(shí)根據(jù)天線(xiàn)陣列規(guī)模進(jìn)行選擇拼接。

在此基礎(chǔ)上，提出一種新的分布式軟硬件設(shè)計(jì)方案，以系統(tǒng)包含2個(gè)不同頻段的天線(xiàn)為例，設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 新版軟硬件設(shè)計(jì)方案

天線(xiàn)1有n個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化子陣，支持2個(gè)波束獨(dú)立工作，因此包含2個(gè)波束控制單元（1和2）；天線(xiàn)2有m個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化子陣，支持2個(gè)波束獨(dú)立工作，因此包含2個(gè)波束控制單元（3和4）。其中，標(biāo)準(zhǔn)化子陣通過(guò)高速串行通信接口與波束控制單元互聯(lián)，波束控制單元再通過(guò)分布式總線(xiàn)與波束調(diào)度單元互聯(lián)[5]。標(biāo)準(zhǔn)化子陣采用FPGA實(shí)現(xiàn)，波束控制單元和標(biāo)準(zhǔn)化子陣采用片上系統(tǒng)（System-on-a-Chip，SoC）芯片實(shí)現(xiàn)。相較于MCU，SoC芯片具備高速接口，具有高集成、低功耗的特點(diǎn)[6,7]。

1.3 單元功能

在新版方案中，各級(jí)單元具體功能如下文所述。

（1）波束調(diào)度單元。接收上級(jí)任務(wù)，將任務(wù)分發(fā)給各個(gè)波束控制單元，對(duì)各個(gè)波束執(zhí)行的任務(wù)進(jìn)行調(diào)度，并控制波束合成與分解。

（2）波束控制單元。接收系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度，將系統(tǒng)任務(wù)進(jìn)行分解轉(zhuǎn)化，最終得到波束掃描角度，通過(guò)高速通信接口下發(fā)給連接在該單元的標(biāo)準(zhǔn)化子陣。波束控制具備工作模式切換、故障檢測(cè)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。

（3）標(biāo)準(zhǔn)化子陣。實(shí)現(xiàn)波束掃描功能，每個(gè)子陣支持的天線(xiàn)單元上限、接收或發(fā)射、坐標(biāo)位置以及初始幅相補(bǔ)償值均可配置。

通過(guò)功能劃分重新設(shè)計(jì)后，每個(gè)單元分工明確、功能獨(dú)立，便于進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。隨著系統(tǒng)需求變化，僅需要通過(guò)增減相應(yīng)單元或修改相應(yīng)單元功能即可。如此一來(lái)，整個(gè)系統(tǒng)的功能分布在各個(gè)功能單元中，而非高度集中在某一個(gè)單元內(nèi)部，系統(tǒng)可靠性大大提高[8]。此外，系統(tǒng)調(diào)試時(shí)也可先進(jìn)行單元級(jí)調(diào)試，在互聯(lián)后進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)調(diào)試，降低了調(diào)試工作的難度。

2 即插即用

2.1 概 述

在分布式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，即插即用是一種很重要的設(shè)計(jì)思想，即系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中具備動(dòng)態(tài)檢測(cè)設(shè)備接入或撤出的能力，且可對(duì)接入設(shè)備進(jìn)行配置，使其在系統(tǒng)中正常工作[9]。對(duì)于上述相控陣天線(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，即插即用表現(xiàn)在：當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)化子陣上電連接波束控制單元后，波束控制單元可識(shí)別并對(duì)其進(jìn)行初始配置；當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)化子陣斷電或因故障與波束控制單元斷開(kāi)連接時(shí)，波束控制單元可識(shí)別并將撤出信息記錄并上報(bào)。同理，波束調(diào)度單元對(duì)波束控制單元的接入和撤出也可動(dòng)態(tài)識(shí)別并正確處理。引入即插即用思想，可使系統(tǒng)工作更加智能化。當(dāng)部分單元發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)可快速識(shí)別；當(dāng)單元恢復(fù)工作時(shí)，系統(tǒng)可迅速恢復(fù)工作，而無(wú)需整個(gè)系統(tǒng)重新初始化，因此可靠性也更高。

在即插即用技術(shù)中，設(shè)備識(shí)別時(shí)需要關(guān)注信息配置方式[10]。本方案的設(shè)計(jì)原則是不因引入即插即用思想而增加標(biāo)準(zhǔn)化子陣設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，因此將需要配置的信息放在波束控制單元的存儲(chǔ)芯片中。波束控制單元根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化子陣的設(shè)備識(shí)別碼，讀取相應(yīng)配置信息并對(duì)其進(jìn)行初始配置。

2.2 建立過(guò)程

在上述設(shè)計(jì)方案中，波束控制單元相當(dāng)于波束調(diào)度單元的即插即用設(shè)備，標(biāo)準(zhǔn)化子陣相當(dāng)于波束控制單元的即插即用設(shè)備。本文以標(biāo)準(zhǔn)化子陣為例，給出即插即用設(shè)備上線(xiàn)與下線(xiàn)建立過(guò)程的詳細(xì)步驟。

2.2.1 上線(xiàn)過(guò)程

（1）初始化子陣識(shí)別碼，轉(zhuǎn)入下一步；

（2）查詢(xún)子陣登記信息，判斷子陣是否已在線(xiàn)，若未登記說(shuō)明子陣下線(xiàn)，轉(zhuǎn)入下一步；

（3）發(fā)送心跳幀，用于判斷子陣是否上線(xiàn)，若收到回報(bào)，說(shuō)明子陣已上線(xiàn)，轉(zhuǎn)入下一步；否則，轉(zhuǎn)入第（5）步；

（4）對(duì)子陣進(jìn)行上線(xiàn)登記，根據(jù)識(shí)別碼從存儲(chǔ)芯片中讀取相應(yīng)配置信息，并對(duì)其進(jìn)行初始配置；

（5）變化子陣識(shí)別碼，指向其他子陣，回到第（2）步。

2.2.2 撤 出

（1）初始化子陣識(shí)別碼，轉(zhuǎn)入下一步；

（2）查詢(xún)子陣登記信息，判斷子陣是否已在線(xiàn)，若已登記說(shuō)明子陣在線(xiàn)，轉(zhuǎn)入下一步；

（3）根據(jù)通信協(xié)議，發(fā)送心跳幀、查詢(xún)幀或控制幀，判斷子陣是否響應(yīng)，若子陣超出規(guī)定時(shí)間未響應(yīng)，說(shuō)明子陣已下線(xiàn)，轉(zhuǎn)入下一步；若子陣響應(yīng)，說(shuō)明子陣仍在線(xiàn)，轉(zhuǎn)入第（5）步；

（4）刪除子陣在線(xiàn)登記信息；

（5）變化子陣識(shí)別碼，指向其他子陣，回到第（2）步。

3 結(jié) 論

本文針對(duì)大規(guī)模復(fù)雜相控陣系統(tǒng)提出了一種分布式的即插即用軟硬件設(shè)計(jì)方案，該方案對(duì)系統(tǒng)中各個(gè)單元的功能進(jìn)行了明確劃分，模塊化程度高。目前，該方案已在多個(gè)項(xiàng)目中得到應(yīng)用。從應(yīng)用結(jié)果看，該方案可移植程度高、兼容性好，降低了軟硬件設(shè)計(jì)工作量，提高了系統(tǒng)可靠性，便于前期調(diào)試和后期維護(hù)。