這里展開(kāi)介紹一種有源相控陣雷達(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(chēng)之為運(yùn)算板)實(shí)現(xiàn),。
對(duì)工作方式,，運(yùn)算板接收來(lái)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(guò)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埽仨氝x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(duì)象之一,，要能夠?qū)崟r(shí)參與波束控制算法的運(yùn)算過(guò)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(cè)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(lái)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(kāi)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,。控制和調(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(duì)空探測(cè)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(duì)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(chǎng)測(cè)試時(shí),，接收來(lái)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(cè)方式時(shí)，存儲(chǔ)來(lái)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(guò)串口返回調(diào)試計(jì)算機(jī)，以此來(lái)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(xiě)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(duì)FLASH進(jìn)行寫(xiě)操作；S5對(duì)FLASH進(jìn)行讀操作,；S6對(duì)SRAM進(jìn)行寫(xiě)操作,；S7先對(duì)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(lái)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(duì)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(guò)對(duì)FLASH的讀操作將對(duì)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(yǔ)言編程,，控制變量做加法循環(huán)即可實(shí)現(xiàn)該算法,。對(duì)隨機(jī)饋相的運(yùn)算，是將按單元排列方式所對(duì)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(duì)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(kāi)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(duì)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(duì)SRAM和FLASH信息的寫(xiě)入和讀出,，完成對(duì)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(duì)FLASH的各種操作控制,、補(bǔ)償數(shù)據(jù)文件的寫(xiě)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(cè)試用同一個(gè)程序,。

驅(qū)動(dòng)板的單片機(jī)串口接收來(lái)外來(lái)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(kāi)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(kāi)與EPLD之間的通信控制開(kāi)關(guān),，將來(lái)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(lái)自單片機(jī)還是雷達(dá)系統(tǒng)，如果是單片機(jī),，則接收來(lái)自調(diào)試計(jì)算機(jī)的指令,；否則，直接接收來(lái)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(kāi)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(xiě)調(diào)試控制程序,，用來(lái)模擬產(chǎn)生來(lái)自運(yùn)算板的控制信號(hào),，實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)板的調(diào)試控制。編寫(xiě)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(duì)信息顯示,。

4 結(jié)論

該FPGA程序設(shè)計(jì)既可滿足天線對(duì)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(xiě)入或者讀出操作的需要,，還用于雷達(dá)天線暗室測(cè)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(duì)波束控制系統(tǒng)裝機(jī)和測(cè)試用同一個(gè)程序的要求,。調(diào)試過(guò)程中，兩者都有友好的控制界面可操作,。