一種基于FPGA的雷達(dá)波束控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

O 引言
    波束控制系統(tǒng)的基本功能是給天線陣列中各個(gè)移相器提供所需要的控制信號(hào)。除此基本功能外，現(xiàn)代雷達(dá)還要求波束控制系統(tǒng)高速高效、低成本、小型化，并具有波束控制分系統(tǒng)的自檢；根據(jù)工作頻率，進(jìn)行初相位在線補(bǔ)償；天線相位碼隨機(jī)饋相等功能。同時(shí)，在設(shè)計(jì)生產(chǎn)過程中，為了配合其他系統(tǒng)的檢測，還需要在雷達(dá)的不同工作模式下完善調(diào)試功能。另外，在雷達(dá)的長期使用過程中，要求單個(gè)組件維修時(shí)，波束控制組件驅(qū)動(dòng)板能在脫機(jī)狀態(tài)下正常工作。
    這里展開介紹一種有源相控陣?yán)走_(dá)波束控制系統(tǒng)的硬件平臺(tái)及軟件設(shè)計(jì)。

l 系統(tǒng)原理
    為降低電路成本和增加系統(tǒng)可靠性，該系統(tǒng)采用設(shè)備量少、維修方便、可靠性高的集中式運(yùn)算、分布式驅(qū)動(dòng)體系。也就是，波束控制算法用一塊電路板(稱之為運(yùn)算板)實(shí)現(xiàn)。
    對工作方式，運(yùn)算板接收來自雷達(dá)控制臺(tái)的控制指令(包括主天線的方位和俯仰增量代碼、工作頻率、工作模式代碼等)，進(jìn)行波束控相位碼的計(jì)算、傳輸、分配與格式重排。運(yùn)算板把處理后的串行波束控制碼通過驅(qū)動(dòng)器發(fā)往陣面的波束控制組件驅(qū)動(dòng)板。在波束控制組件驅(qū)動(dòng)板內(nèi)再進(jìn)行譯碼、驅(qū)動(dòng)，然后送給組件單元作為控制碼，從而實(shí)現(xiàn)波束控制系統(tǒng)的功能。波束控制系統(tǒng)的組成如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件平臺(tái)
    該相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)要求波束控制系統(tǒng)準(zhǔn)確可靠地控制512個(gè)天線單元，波束轉(zhuǎn)換時(shí)間不大于1 ms。在此分析運(yùn)算板需要哪些關(guān)鍵器件。運(yùn)算板要在500μs內(nèi)完成從雷達(dá)控制臺(tái)接收指令、波束控制算法及運(yùn)算結(jié)果傳輸?shù)墓δ?，必須選用FPGA器件。參與運(yùn)算的補(bǔ)償數(shù)據(jù)是運(yùn)算的主要對象之一，要能夠?qū)崟r(shí)參與波束控制算法的運(yùn)算過程，也可以被雷達(dá)控制臺(tái)在線更新，這就需要運(yùn)算板具有存儲(chǔ)器。系統(tǒng)采用自定義總線接收雷達(dá)控制指令和上報(bào)陣面返回的信息。
    關(guān)于驅(qū)動(dòng)板的硬件設(shè)計(jì)，不僅要實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)、譯碼、系統(tǒng)自檢等功能，還要考慮組件在單獨(dú)調(diào)試時(shí)驅(qū)動(dòng)板的控制功能是否可以方便實(shí)現(xiàn)。由于設(shè)備數(shù)量較大，在滿足功能的基礎(chǔ)上，要盡可能降低設(shè)備成本。基于這些需求，選用一片單片機(jī)和一片EPLD。圖1中虛線左側(cè)部分所示運(yùn)算板硬件組成。其中，雷達(dá)控制臺(tái)發(fā)送的是波束控制指令、接收的是陣面自檢和檢測信息；傳輸模塊產(chǎn)生和發(fā)送串行波束控制碼、傳送所需要的時(shí)鐘、定時(shí)信號(hào)。
    圖l中虛線右側(cè)部分所示組件驅(qū)動(dòng)板的硬件組成。其中接口電路接收波束控制運(yùn)算板發(fā)來的串行波束控制碼；組件單元接收的是TTL電平的控制碼(包括發(fā)射移相碼、接收移相碼、衰減碼、T／R開關(guān)控制碼)。EPLD完成譯碼和控制分發(fā)代碼，SCU完成聯(lián)機(jī)自檢和脫機(jī)控制調(diào)試的功能?？刂坪驼{(diào)試方式比其他提供的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，更加多樣化和靈活。

3 軟件設(shè)計(jì)
3．1 運(yùn)算板FPGA程序設(shè)計(jì)
    波控運(yùn)算板基本用途就是為滿足陣面天線單元控制的需要。在此，整個(gè)天線陣面等分成四個(gè)子陣面。每個(gè)子陣面包括a×b個(gè)天線單元，如圖2所示。

    天線分時(shí)實(shí)現(xiàn)全孔徑SAR模式和子孔徑GMTI模式兩種工作模式。雷達(dá)對空探測或者在SAR工作方式時(shí)，利用天線全陣面，形成一個(gè)波束進(jìn)行發(fā)射和接收，陣面的物理中心就是陣面天線單元的坐標(biāo)原點(diǎn)；GMTI工作方式時(shí)，全陣面形成一個(gè)發(fā)射波束，而接收時(shí)則在方位上等分四個(gè)子陣面，形成四個(gè)接收波束，此時(shí)形成四個(gè)坐標(biāo)系：每個(gè)子陣面的物理中心就是每個(gè)陣面天線單元的坐標(biāo)原點(diǎn)。
    根據(jù)天線單元此分布特點(diǎn)的控制需求，這里選用兩片F(xiàn)PGA，傳輸采用四路差分串行碼(兩路數(shù)據(jù)碼、一路地址碼、一路8 MHz時(shí)鐘碼)，就可完成陣面天線單元對波束控制的要求。FPGA內(nèi)部程序的邏輯功能框圖如圖3所示。其中的串口核、SRAM、FIFO全是調(diào)用FPGA內(nèi)部的資源。串口核的功能是在波束控制運(yùn)算板單機(jī)調(diào)試和雷達(dá)近場測試時(shí)，接收來自調(diào)試計(jì)算機(jī)的控制指令。SRAM用于當(dāng)雷達(dá)工作在陣面監(jiān)測方式時(shí)，存儲(chǔ)來自雷達(dá)控制計(jì)算機(jī)的控制碼；FIFO用于存儲(chǔ)運(yùn)算器計(jì)算的結(jié)果(運(yùn)算板單板調(diào)試時(shí)用)或組件驅(qū)動(dòng)板自檢結(jié)果，此結(jié)果可以通過串口返回調(diào)試計(jì)算機(jī)，以此來判斷FPGA計(jì)算的中間結(jié)果或者送出的最終結(jié)果是否正確和判斷組件單元及相應(yīng)的信號(hào)通路是否良好。運(yùn)算、傳輸時(shí)鐘產(chǎn)生和運(yùn)算結(jié)果傳送、讀／寫FLASH都在運(yùn)算器中，做在同一個(gè)狀態(tài)機(jī)里。波控運(yùn)算狀態(tài)機(jī)如圖4所示。

    圖4中：S1為運(yùn)算使能控制和狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件控制及變量初始化；S2完成波束控制算法和按照格式排布計(jì)算結(jié)果；S3產(chǎn)生被傳送數(shù)據(jù)的地址和時(shí)鐘及將并行的計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)為串行；S4對FLASH進(jìn)行寫操作；S5對FLASH進(jìn)行讀操作；S6對SRAM進(jìn)行寫操作；S7先對SRAM讀操作，然后按照預(yù)定格式拼位，以便跳入S3狀態(tài)將SRAM中的數(shù)據(jù)傳出。S1中狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件即為譯碼得到的來自雷達(dá)控制臺(tái)的控制指令。狀態(tài)機(jī)將根據(jù)不同的控制指令進(jìn)入相應(yīng)的狀態(tài)處理程序段。
    其中的S2狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)的陣面第(m，n)個(gè)組件的移相值運(yùn)算如下：
   
式中：m為行坐標(biāo)值；n為列坐標(biāo)值。當(dāng)雷達(dá)工作在SAR方式和GMTI的發(fā)射方式時(shí)m=-2a，-2a+1，…，-1，0，1，…，2a-2，2a-1；n=-b／2，-b／2+1，…，-1，0，1，…，b／2-2，b／2-1。對GMTI的接收方式，m=-a／2，-a／2+1，…，-1，O，1，…，a／2-2，a／2-1；n=-b／2，-b／2+1，…，-1，O，1，…b／2-2，b／2-1。ψ0m,n(λ)為初始相位值；α，β為雷達(dá)控制計(jì)算機(jī)根據(jù)波束指向角而發(fā)送的方位遞增量和俯仰遞增量；φ(m，n，t)為相位誤差修正量；△ψ為單位相移量，用于隨機(jī)饋相。等式右端的ψ0m,n，ψ，△ψ預(yù)存在片外的FLASH中，F(xiàn)PGA通過對FLASH的讀操作將對應(yīng)地址空間的數(shù)據(jù)存入相應(yīng)寄存器，在狀態(tài)機(jī)的控制下參與移相值的計(jì)算。
    在FPGA中，此算式的實(shí)現(xiàn)采用Verilog硬件描述語言編程，控制變量做加法循環(huán)即可實(shí)現(xiàn)該算法。對隨機(jī)饋相的運(yùn)算，是將按單元排列方式所對應(yīng)的、預(yù)先存在FLASH中的一組隨機(jī)數(shù)δi.j(其存儲(chǔ)位數(shù)不小于4位)，和波束控制系統(tǒng)計(jì)算的移相器量化相移值結(jié)尾相位△i.j做比較，如果△i.j大于δi.j，則移相器量化相移值加單位相移量△ψ后送給移相器，否則直接將移相器量化相移值送給移相器。
3．2 運(yùn)算板調(diào)試的控制程序設(shè)計(jì)
    運(yùn)算板的初期調(diào)試和驗(yàn)證對于整個(gè)產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要，此階段直接決定了產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)的可行性和進(jìn)度。在此選用ViSUalBasic 6．0開發(fā)設(shè)計(jì)程序，基于Windows的VB提供了一個(gè)MSCOMM 32．OCX串行通信控件，用串口電平轉(zhuǎn)換器接上兩對差分信號(hào)線，就可以實(shí)現(xiàn)與運(yùn)算板FPGA異步串行口的通信。所設(shè)計(jì)的控制程序可以模擬產(chǎn)生雷達(dá)控制臺(tái)的控制指令和定時(shí)器的定時(shí)信號(hào)、實(shí)現(xiàn)對SRAM和FLASH信息的寫入和讀出，完成對FPGA運(yùn)算結(jié)果的回送數(shù)據(jù)校驗(yàn)。
    根據(jù)需要，所設(shè)計(jì)的程序分為八個(gè)模塊，分別為串口通信控制、雷達(dá)控制指令產(chǎn)生、定時(shí)信息產(chǎn)生、對FLASH的各種操作控制、補(bǔ)償數(shù)據(jù)文件的寫入／讀出操作、理論運(yùn)算結(jié)果顯示、FPGA運(yùn)算結(jié)果回送顯示、自檢方式所需要的控制等。
3．3 驅(qū)動(dòng)板的程序設(shè)計(jì)
    該驅(qū)動(dòng)板程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)和特點(diǎn)在于單片機(jī)和EPLD的程序既能夠聯(lián)機(jī)工作，又能夠獨(dú)立地控制組件，實(shí)現(xiàn)組件的單機(jī)調(diào)試功能，即裝機(jī)和測試用同一個(gè)程序。
    驅(qū)動(dòng)板的單片機(jī)串口接收來外來的控制指令，判斷波束控制系統(tǒng)是處在哪種工作狀態(tài)。如果是聯(lián)機(jī)工作，則SCU接收聯(lián)機(jī)自檢指令，讀入組件地址、開關(guān)狀態(tài)、發(fā)射和接收移相碼、衰減控制碼，并將這些控制碼存在指定的寄存器內(nèi)，等待通道狀態(tài)讀取指令到達(dá)后，將它們回送到運(yùn)算板，在所設(shè)計(jì)的控制界面內(nèi)可以顯示，從而得知波束控制系統(tǒng)整個(gè)子系統(tǒng)的運(yùn)行工作情況。如果是模擬子系統(tǒng)控制指令，打開與EPLD之間的通信控制開關(guān)，將來自串口的控制指令，經(jīng)處理發(fā)給EPLD。
    EPLD也要判斷收到的指令來自單片機(jī)還是雷達(dá)系統(tǒng)，如果是單片機(jī)，則接收來自調(diào)試計(jì)算機(jī)的指令；否則，直接接收來自雷達(dá)系統(tǒng)的控制指令。單片機(jī)的程序設(shè)計(jì)主要分為四部分：程序初始化、串口接收中斷服務(wù)子程序、串口發(fā)送中斷子程序和串口回送數(shù)據(jù)子程序。后兩者子程序設(shè)計(jì)流程示意如圖5所示。其中，指令字包含的信息分別為開關(guān)狀態(tài)碼、陣面回?cái)?shù)信息、陣面回?cái)?shù)狀態(tài)、陣面自檢信息、移相值和衰減值。

    這里仍然選用VB編寫調(diào)試控制程序，用來模擬產(chǎn)生來自運(yùn)算板的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對驅(qū)動(dòng)板的調(diào)試控制。編寫的調(diào)試控制程序分為五個(gè)模塊：控制方式選擇、移相角度選擇、衰減值選擇、定時(shí)信息選擇、控制碼發(fā)送和發(fā)送數(shù)據(jù)校對信息顯示。

4 結(jié)論
    該FPGA程序設(shè)計(jì)既可滿足天線對波束控制0．5 ms內(nèi)完成運(yùn)算和傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)間要求，又滿足波束控制分系統(tǒng)在線自檢；根據(jù)工作頻率，進(jìn)行初相位在線補(bǔ)償；天線相位碼隨機(jī)饋相的功能需求。其調(diào)試控制程序，不僅滿足單板調(diào)試、補(bǔ)償文件寫入或者讀出操作的需要，還用于雷達(dá)天線暗室測試的控制。同樣，單片機(jī)和EPLD的程序設(shè)計(jì)，滿足天線組件對波束控制系統(tǒng)裝機(jī)和測試用同一個(gè)程序的要求。調(diào)試過程中，兩者都有友好的控制界面可操作。