《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于SOPC的分布式干擾系統(tǒng)嵌入式網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)
現(xiàn)代電子技術(shù)
薛慧敏,,武傳華,,路后兵
摘要: 基于SOPC的分布式干擾系統(tǒng)嵌入式網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì),摘要:分布式干擾是對(duì)抗現(xiàn)代雷達(dá)網(wǎng),、通信網(wǎng)、武器制導(dǎo)網(wǎng)和預(yù)警機(jī)的有效手段,,網(wǎng)絡(luò)是分布式干擾系統(tǒng)發(fā)揮作戰(zhàn)性能的重要保證。為了解決分布式干擾系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信的需求,,設(shè)計(jì)了基于FPGA且具有網(wǎng)絡(luò)通信功能的SoPC,,開發(fā)了
Abstract:
Key words :

摘要:分布式干擾是對(duì)抗現(xiàn)代雷達(dá)網(wǎng)、通信網(wǎng),、武器制導(dǎo)網(wǎng)和預(yù)警機(jī)的有效手段,,網(wǎng)絡(luò)是分布式干擾系統(tǒng)發(fā)揮作戰(zhàn)性能的重要保證。為了解決分布式干擾系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信的需求,,設(shè)計(jì)了基于FPGA且具有網(wǎng)絡(luò)通信功能的SoPC,,開發(fā)了網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明,,該SoPC可實(shí)現(xiàn)控制參數(shù)和偵察信號(hào)時(shí)域,、頻域數(shù)據(jù)的高速傳輸,,且具有體積小,靈活,,成本低,,功耗小的特點(diǎn),可滿足分布式干擾系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求,。
關(guān)鍵詞:分布式干擾,;嵌入式網(wǎng)絡(luò);FPGA,;SoPC

0 引言
    分布式干擾系統(tǒng)是一種綜合化,、一體化、小型化,、網(wǎng)絡(luò)化和智能化系統(tǒng),,是將眾多體積小,重量輕,,廉價(jià)的小功率偵察干擾機(jī)裝置在易于投放的小型平臺(tái)上,,撒布在接近被干擾目標(biāo)空域地,通過(guò)指令啟動(dòng),,自主組網(wǎng),,并根據(jù)控制對(duì)敵方雷達(dá)網(wǎng)、通信網(wǎng),、制導(dǎo)網(wǎng)和預(yù)警機(jī)等電子信息系統(tǒng)實(shí)施接近式偵察和干擾,,這將在未來(lái)的電子對(duì)抗中發(fā)揮重要作用。分布式干擾系統(tǒng)采用逼近的分布式網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu),,形成一種“面對(duì)面”的電子戰(zhàn)系統(tǒng),,共同完成對(duì)敵信號(hào)的探測(cè)、定位,、干擾任務(wù),。因此,嵌入式網(wǎng)關(guān)是分布式干擾系統(tǒng)研究的關(guān)鍵技術(shù)之一,。目前國(guó)內(nèi)對(duì)分布式干擾系統(tǒng)的研究還停留在理論基礎(chǔ)上,,而對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)的研究不多。本文首次在現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(Field Programmable GateArray,,F(xiàn)PGA)上設(shè)計(jì)了應(yīng)用于分布式干擾系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)的可編程片上系統(tǒng)(System on a Programmable Chip,,SoPC),開發(fā)了簡(jiǎn)化的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序,,研究了分布式干擾系統(tǒng)中的嵌入式網(wǎng)關(guān)技術(shù),。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文設(shè)計(jì)的SoPC在滿足分布式干擾系統(tǒng)要求的同時(shí),實(shí)現(xiàn)了控制參數(shù)和偵察信號(hào)時(shí)域,、頻域數(shù)據(jù)的高速傳輸,。

1 分布式干擾系統(tǒng)對(duì)嵌入式網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)的要求
    根據(jù)分布式干擾系統(tǒng)的作戰(zhàn)運(yùn)用背景,在設(shè)計(jì)嵌入式網(wǎng)關(guān)硬件平臺(tái)時(shí)應(yīng)從以下幾個(gè)方面考慮:
    (1)微型化,。嵌入式網(wǎng)關(guān)應(yīng)該在體積上足夠小,,保證分布式干擾系統(tǒng)的小型化。
    (2)擴(kuò)展性和靈活性,。分布式干擾系統(tǒng)需要定義統(tǒng)一,、完整的外部接口,方便軟硬件系統(tǒng)的升級(jí),,其嵌入式網(wǎng)關(guān)也應(yīng)具有擴(kuò)展性和靈活性,,可以根據(jù)作戰(zhàn)環(huán)境的需要進(jìn)行升級(jí)。
    (3)穩(wěn)定性和安全性,。穩(wěn)定性要求嵌入式網(wǎng)關(guān)能夠在給定的外部環(huán)境變化范圍內(nèi)正常工作,。安全性設(shè)計(jì)包括代碼安全和通信安全,是軍事領(lǐng)域應(yīng)用的基本要求,。
    (4)低成本,。分布式干擾系統(tǒng)的作戰(zhàn)應(yīng)用表明,系統(tǒng)是大量部署且不能回收的,,因此就要嚴(yán)格限制包括嵌入式網(wǎng)關(guān)在內(nèi)的重要部件的成本,。
    (5)低功耗。嵌入式網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計(jì)直接決定了其能耗水平,,還決定了各種軟件通過(guò)優(yōu)化可能達(dá)到的最低能耗水平,。因此,要合理地設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng),,有效降低系統(tǒng)能耗,。
    (6)具有一定的信號(hào)預(yù)處理能力。嵌入式系統(tǒng)中微處理器的處理能力較弱,,且內(nèi)存較小,嵌入式網(wǎng)絡(luò)的速度普遍不高,。這就要求嵌入式網(wǎng)關(guān)具有一定的信號(hào)預(yù)處理能力,,包括下變頻功能和FFT變換功能,以此來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男省?br />
2 分布式干擾系統(tǒng)中嵌入式網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計(jì)
    嵌入式網(wǎng)關(guān)實(shí)際上就是一個(gè)可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信功能的嵌入式系統(tǒng),。隨著FPGA技術(shù)的迅速發(fā)展,,SoPC作為一種特殊的嵌入式系統(tǒng),具備軟硬件在系統(tǒng)可編程,、可裁減,、可擴(kuò)充、可升級(jí)的功能,已逐漸成為一個(gè)新興的技術(shù)方向,。因此,,本文在設(shè)計(jì)分布式干擾系統(tǒng)的嵌入式網(wǎng)關(guān)時(shí)選用基于FPGA的SoPC解決方案,選用的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為Xilinx公司的ML402開發(fā)平臺(tái),。
2.1 分布式干擾系統(tǒng)中嵌入式網(wǎng)關(guān)的硬件組成
    圖1表示的是分布式干擾系統(tǒng)中嵌入式網(wǎng)關(guān)的硬件組成,,這些硬件除A/D、干擾機(jī)和控制中心外都集成在一塊ML402評(píng)估板上,。系統(tǒng)以帶有32位MicroBlaze微處理器軟核的FPGA作為控制中心,,處理經(jīng)A/D變換后的偵察信號(hào)數(shù)據(jù),然后通過(guò)以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳送到控制中心,,并從控制中心傳回控制參數(shù),。DDR_SDRAM作為片外存儲(chǔ)器,用來(lái)彌補(bǔ)微處理器內(nèi)部存儲(chǔ)器容量小的缺點(diǎn),;CF卡存儲(chǔ)系統(tǒng)軟硬件的bit文件和網(wǎng)絡(luò)配置文件,;串口用來(lái)控制具有遠(yuǎn)程控制功能的偵察接收機(jī),也可在調(diào)試時(shí)輸出系統(tǒng)的運(yùn)行信息,。本文設(shè)計(jì)的嵌入式網(wǎng)關(guān)的各功能部件在FPGA內(nèi)部都以IP核的形式構(gòu)建并連接,,較好地滿足了分布式干擾系統(tǒng)對(duì)嵌入式網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)的要求。

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2.2 SoPC的片上總線設(shè)計(jì)
    受分布式干擾系統(tǒng)體積和電源能量的限制,,其網(wǎng)絡(luò)通信必須采用猝發(fā)通信的方式,,這就對(duì)嵌入式網(wǎng)關(guān)微處理器的處理能力提出了更高的要求。MicroBlaze微處理器的總線是其優(yōu)于其他同類CPU的重要部分,,每種總線都有鮮明的特點(diǎn)和明確的外設(shè),。只有合理使用不同的總線來(lái)訪問(wèn)不同的外設(shè),且正確地協(xié)調(diào)這些總線的工作,,才能最大限度地發(fā)揮MicroBlaze的優(yōu)勢(shì),。因此,SoPC的片上總線設(shè)計(jì)是該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn),。
    Xilinx以IBM CoreConnect總線通信鏈為嵌入式處理器的設(shè)計(jì)基礎(chǔ),,提供了豐富的接口資源,主要有處理器本地總線(Processor Local Bus,,PLB)接口,、高速的本地存儲(chǔ)器總線(LMB,Local Memory Bus)接口,、快速單連接(Fast Simplex Link,,F(xiàn)SL)主從設(shè)備接口、緩存鏈路(Xilinx Cache Link,,Xilinx,,XCL)接口,。PLB總線可將外設(shè)IP核連接到Microblaze系統(tǒng)中,常用在速度要求不高的場(chǎng)合,;LMB專門用于實(shí)現(xiàn)對(duì)片上的塊RAM的高速訪問(wèn),;XCL則用于實(shí)現(xiàn)對(duì)片外存儲(chǔ)器的高速訪問(wèn)。FSL是Microblaze處理器特有的一個(gè)基于FIFO的單向鏈路,,可實(shí)現(xiàn)用戶自定義IP核與MicroBlaze內(nèi)部通用寄存器的直接相連,,一般用在傳輸速度要求較高的場(chǎng)合。
    在本文設(shè)計(jì)的分布式干擾系統(tǒng)的嵌入式網(wǎng)關(guān)中,,SysACE CF卡,、中斷控制INTC、GPIO和串口UART與MieroBlaze處理器之間只進(jìn)行參數(shù)傳遞,,對(duì)速度要求不高,,因此使用PLB總線與MieroBlaze處理器和多端口內(nèi)存控制器(Multi Port Memory Controller,MPMC)相連,;MPMC與Mic-roBlaze處理器之間使用XCL相連,。自定義IP核FFT輸出信號(hào)的頻譜數(shù)據(jù),對(duì)傳輸速度要求很高,,因此使用FSL總線與MicroBlaze內(nèi)部通用寄存器直接相連,。DDC輸出信號(hào)的時(shí)域數(shù)據(jù),對(duì)傳輸速度要求最高,;為滿足傳輸速度要求,,本文參照以太網(wǎng)控制器Soft TEMAC開發(fā)了XPS_LL_Exam-ple IP核,通過(guò)該IP核的LocalLink接口將信號(hào)的時(shí)域數(shù)據(jù)傳輸?shù)組PMC中進(jìn)行處理,。分布式干擾系統(tǒng)的嵌入式網(wǎng)關(guān)片上總線設(shè)計(jì)如圖2所示,。

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2.3 SoPC的實(shí)現(xiàn)
    本文設(shè)計(jì)的SoPC是利用Xilinx公司的嵌入式開發(fā)套件(Embedded Development Kit,EDK)實(shí)現(xiàn)的,。EDK集成了硬件平臺(tái)產(chǎn)生器,、軟件平臺(tái)產(chǎn)生器、仿真模型生成器,、軟件編譯器和軟件調(diào)試等工具,。用戶使用EDK可以對(duì)硬件平臺(tái)進(jìn)行任意的添加和裁減,同時(shí)可以方便地添加自定義的IP核,,極大地方便了開發(fā)過(guò)程,,提高設(shè)計(jì)效率。本文利用EDK實(shí)現(xiàn)圖2所示的各功能部件IP核的添加,,并實(shí)現(xiàn)了IP核的地址分配和總線架構(gòu)、外設(shè)接口的連接,。

3 分布式干擾系統(tǒng)中嵌入式網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計(jì)
    分布式干擾系統(tǒng)中嵌入式網(wǎng)關(guān)的軟件包括嵌入式操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序,。EDK集成了軟件平臺(tái)產(chǎn)生器,、軟件編譯器和軟件調(diào)試等工具,因此,,軟件設(shè)計(jì)也在EDK進(jìn)行,。
3.1 嵌入式操作系統(tǒng)的選用
    嵌入式操作系統(tǒng)是嵌入式軟件技術(shù)的核心,介于嵌入式系統(tǒng)硬件和應(yīng)用程序之間,,負(fù)責(zé)調(diào)度并管理應(yīng)用程序,,完成對(duì)嵌入式系統(tǒng)硬件的控制和操作。嵌入式操作系統(tǒng)的選用主要考慮實(shí)時(shí),、高可靠,、低功耗、可抑制性和兼容性,、軟件開發(fā)難易等因素,。本文主要是對(duì)分布式干擾系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信進(jìn)行技術(shù)驗(yàn)證,因此選擇較為簡(jiǎn)單的Xilkernel操作系統(tǒng),。
    Xilkernel是Xilinx公司提供的用于EDK系統(tǒng)的小型,、模塊化的嵌入式操作系統(tǒng)。Xilkernel的內(nèi)核完整,,且占用CPU資源較少,,運(yùn)行速度快,是中小型設(shè)計(jì)的理想操作系統(tǒng),。Xilkernel本身不帶有文件處理系統(tǒng)和TCP/IP協(xié)議棧,,但與LwIP庫(kù)和Treck協(xié)議棧具有良好的接口,加上文件系統(tǒng)支持庫(kù)LibXil MFS,,可形成較為復(fù)雜的嵌入式操作系統(tǒng),。
    首先,在EDK的軟件平臺(tái)設(shè)置中選擇Xilkernel,,并選擇相應(yīng)的文件系統(tǒng)和TCP/IP協(xié)議棧,,本文選擇xilfatfs文件系統(tǒng)和lwip130協(xié)議棧。然后在操作系統(tǒng)和庫(kù)函數(shù)界面對(duì)操作系統(tǒng)進(jìn)行配置,,主要進(jìn)行輸入/輸出,、線程和計(jì)時(shí)器的設(shè)置。最后執(zhí)行產(chǎn)生庫(kù)函數(shù)和BSPs文件,,即可生成與嵌入式系統(tǒng)硬件平臺(tái)相匹配的嵌入式操作系統(tǒng)環(huán)境,。
3.2 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序的開發(fā)
    分布式干擾系統(tǒng)中嵌入式網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)闹饕獢?shù)據(jù)為偵察信號(hào)時(shí)域和頻域數(shù)據(jù),直接影響著網(wǎng)絡(luò)通信的效率,,因此,,本文只對(duì)偵察信號(hào)時(shí)域和頻域數(shù)據(jù)的傳輸進(jìn)行檢測(cè)。網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序采用順序執(zhí)行的結(jié)構(gòu)方式,。為了能夠響應(yīng)外圍設(shè)備的中斷請(qǐng)求,,在程序中為多個(gè)外圍設(shè)備提供了相應(yīng)的中斷服務(wù)程序,。網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序的流程圖如圖3所示。

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4 系統(tǒng)調(diào)試
    用一根千兆網(wǎng)線將圖1所示的硬件系統(tǒng)與PC機(jī)相連,,在PC機(jī)上開發(fā)網(wǎng)絡(luò)客戶端程序,,發(fā)送控制偵察接收機(jī)的數(shù)據(jù)。使用信號(hào)線將AR-ONE通信接收機(jī)輸出端與A/D板相連,,A/D模塊使用ADI公司的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)AD9460,。在偵察接收機(jī)受控工作時(shí),使用串口線將圖1所示硬件系統(tǒng)與AR-ONE通信接收機(jī)串口輸入相連,;在偵察接收機(jī)自主工作和系統(tǒng)調(diào)試時(shí),,使用串口線將圖1所示硬件系統(tǒng)與PC機(jī)相連,在超級(jí)終端中觀察系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài),。將信號(hào)源與AR-ONE通信接收機(jī)信號(hào)輸入端相連,。將軟硬件聯(lián)合編譯生成的bit文件下載到FPGA開發(fā)板上,信號(hào)源輸出95.5MHz的FM信號(hào),,在PC機(jī)上使用無(wú)線電監(jiān)測(cè)測(cè)向系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè),,如圖4、圖5所示,。

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    經(jīng)比對(duì),,PC機(jī)上顯示的正是信號(hào)源輸出信號(hào)的頻域和時(shí)域波形。

5 結(jié)語(yǔ)
    本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于FPGA的SoPC,,利用此SoPC的網(wǎng)絡(luò)功能可實(shí)現(xiàn)PC機(jī)對(duì)通信接收機(jī)的控制,,并可將接收機(jī)偵察信號(hào)的頻域和時(shí)域波形實(shí)時(shí)的傳回PC機(jī)。同時(shí),,基于FPGA IP核的設(shè)計(jì),,使各功能部件集中在FPGA芯片上,滿足了分布式干擾系統(tǒng)對(duì)體積,、成本,、功耗和靈活性的要求。如再加上無(wú)線收發(fā)模塊,,該SoPC可作為分布式干擾系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)的一種解決方案,。

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