基于VxWorks的多陣面雷達(dá)控制系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)

袁 志，王益民

(南京電子技術(shù)研究所， 南京210039)

0 引言

大型遠(yuǎn)程警戒雷達(dá)天線由四個天線陣面組成(以下用A、B、C和D分別代表四個陣面的陣面號)，每個陣面的水平掃描范圍為90°，通過不同陣面的順序切換，實現(xiàn)360°的全方位水平掃描［1-2］，雷達(dá)控制系統(tǒng)只有一套控制和定時，四個陣面采用統(tǒng)一控制的方式，不能同時控制多個陣面實現(xiàn)多陣面同時工作，只能完成單一的環(huán)掃方式。

隨著雷達(dá)技術(shù)的不斷發(fā)展，新型雷達(dá)天線陣面采用了數(shù)字陣設(shè)計，數(shù)字陣具有高信雜比、快速自適應(yīng)零點控制和更有效的時間、能量管理等優(yōu)點。采用新體制對雷達(dá)各系統(tǒng)也提出了新的研制需求，其中數(shù)字陣控制系統(tǒng)最主要的要求是能夠?qū)γ總€陣面獨立控制，可以讓多個陣面獨立工作或者某幾個陣面同時工作，實現(xiàn)靈活的掃描方式。獨立工作指控制單一陣面工作或者控制多陣面輪流工作(即實現(xiàn)多陣面環(huán)掃的功能)，這種方式同一時間段內(nèi)只有一個陣面在工作。同時工作指的是任意兩個或兩個以上陣面同時對外發(fā)射或接收信號，這要求每個陣面擁有獨立的定時和控制信號，且相互之間不影響，能夠形成獨立的收發(fā)波束，完成雷達(dá)不同的功能。另外，同時工作對系統(tǒng)的時序、中斷響應(yīng)、系統(tǒng)控制等提出新的要求，本文闡述了雷達(dá)控制系統(tǒng)的設(shè)計方法以及關(guān)鍵技術(shù)的實現(xiàn)。

1 系統(tǒng)硬件組成

雷達(dá)控制系統(tǒng)對雷達(dá)系統(tǒng)多陣面工作進(jìn)行控制調(diào)度，包括接收雷達(dá)任務(wù)計算機的指令，實現(xiàn)對雷達(dá)工作參數(shù)到天線陣面和其他系統(tǒng)的傳輸及對頻率源工作的控制。控制定時器產(chǎn)生雷達(dá)所需各種時序，傳輸給頻率源和天線陣面等雷達(dá)其他系統(tǒng)。雷達(dá)控制系統(tǒng)包括主控器、同步傳輸模塊、接口控制模塊、定時器A、定時器B、定時器C和定時器D，四塊定時器模塊對應(yīng)四個陣面，系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

圖1 雷達(dá)控制系統(tǒng)組成

其中，主控器為VME總線的嵌入式計算機，用來完成和上層任務(wù)計算機的網(wǎng)絡(luò)通信，向系統(tǒng)內(nèi)其他模塊發(fā)送VME命令;同步傳輸板、接口控制板、四塊定時器都采用FPGA為核心設(shè)計，同步傳輸板主要從VME總線接收主控器命令，通過FPGA的ROCKETIO高速串行模塊打包發(fā)送四個陣面的系統(tǒng)控制包信息［3-4］，傳送給天線陣面。接口控制板接收VME命令并產(chǎn)生頻率源所需的各種控制信息，通過快速總線傳輸給頻率源，完成對頻率源的控制;四塊定時器主要從VME總線接收工作模式信息，分別產(chǎn)生對應(yīng)四個陣面所需的系統(tǒng)定時信號，在工作周期結(jié)束時產(chǎn)生VME中斷信號反饋給雷達(dá)主控器，主控器收到中斷信號后觸發(fā)中斷服務(wù)任務(wù)運行，再發(fā)送下一次的VME命令，從而保證控制系統(tǒng)循環(huán)有序地執(zhí)行。

2 系統(tǒng)軟件組成

2.1 VxWorks操作系統(tǒng)的特點

雷達(dá)控制軟件駐留在雷達(dá)控制系統(tǒng)的計算機上，主要功能包括:(1)上層任務(wù)計算機的網(wǎng)絡(luò)通信;(2)對網(wǎng)絡(luò)信息進(jìn)行判斷，放入不同的消息隊列;(3)產(chǎn)生各模塊所需的控制參數(shù);(4)響應(yīng)定時器的VME硬件中斷，通過VME總線向各模塊發(fā)送工作模式命令。具體功能如圖2所示。

圖2 雷達(dá)控制單元功能圖

其工作流程是基于VxWorks實時操作系統(tǒng)的中斷服務(wù)任務(wù)和VME總線的多中斷為核心來實現(xiàn)［5-7］。VxWorks具有較好的兼容性和可移植性，具體特點有以下五點［8-10］:

(1)實時性強:最大響應(yīng)時間≤10 μs。

(2)高效的任務(wù)管理:管理任務(wù)數(shù)目不限，具有256個優(yōu)先級，采用基于優(yōu)先級的搶占式調(diào)度策略，同時也提供了輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法。

(3)快速靈活的任務(wù)間通信:任務(wù)間通信手段靈活，有信號量、管道、消息隊列、信號、網(wǎng)絡(luò)套接字和共享內(nèi)存等。

(4)高效的中斷和異常事件處理:中斷服務(wù)程序在特定的空間運行，不同于其他任何任務(wù)，因此中斷處理沒有任務(wù)的上下文切換。

(5)VxWorks網(wǎng)絡(luò)能與許多運行其他協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，如 TCP/IP、4.3BSD、NFS、UDP、SNMP、FTP 等。

2.2 多陣面控制系統(tǒng)設(shè)計

單陣面工作是多陣面工作方式的基礎(chǔ)，實際工作中主要是多陣面同時工作，多陣面輪流工作的方式。這也使得系統(tǒng)的復(fù)雜度提高，新型數(shù)字陣?yán)走_(dá)控制系統(tǒng)的特點如下三點:

(1)數(shù)字陣需要多陣面同時工作，所以存在四個獨立中斷服務(wù)任務(wù)，區(qū)別于以往的一個中斷服務(wù)任務(wù)。

(2)數(shù)字陣系統(tǒng)有四塊定時器，并且四塊定時器工作模式、脈沖個數(shù)、周期、脈寬等受控參數(shù)也不一定相同，有四個VME中斷;而以往多陣面共用一塊定時器，并且每個陣面定時信號相同，只有一個VME定時中斷。

(3)數(shù)字陣系統(tǒng)中不僅有陣面號控制射頻信號的開關(guān)，四個陣面定時和控制信號也是獨立的;而以往陣面切換僅僅靠陣面號去控制射頻信號的開關(guān)。

下面將具體介紹多陣面工作時雷達(dá)控制系統(tǒng)的運行。

2.2.1 單陣面工作

單陣面工作時只有一個中斷服務(wù)任務(wù)執(zhí)行，可以看作多陣面輪流工作的一個特殊情況。工作流程如圖3所示。

圖3 單陣面工作流程圖

單陣面工作是典型的中斷服務(wù)處理任務(wù)，任務(wù)獲取隊列消息，等待中斷觸發(fā)信號到來后執(zhí)行任務(wù)，任務(wù)完成再次獲取隊列消息，循環(huán)執(zhí)行。以中斷信號作為觸發(fā)保證了上一個工作周期已經(jīng)結(jié)束，然后立即轉(zhuǎn)入下一工作周期任務(wù)。

2.2.2 多陣面輪流工作

多陣面輪流工作時，多個中斷服務(wù)任務(wù)輪流運行，在同一時間內(nèi)只有一個中斷服務(wù)任務(wù)處理消息命令，消息命令的處理狀態(tài)如圖4所示。

工作中陣面不切換時，中斷服務(wù)任務(wù)響應(yīng)的中斷信號就是對應(yīng)定時器的中斷信號。陣面切換時，中斷服務(wù)任務(wù)響應(yīng)的中斷信號不是對應(yīng)定時器的中斷信號，而是上一個工作陣面定時器的中斷信號。舉例說明:在A陣面中斷服務(wù)任務(wù)執(zhí)行時，定時器A產(chǎn)生中斷信號，從A陣面轉(zhuǎn)到B陣面的時候，為了保證無縫連接，B陣面的中斷服務(wù)任務(wù)執(zhí)行第一個消息時的觸發(fā)中斷信號應(yīng)該是A陣面定時器最后一個中斷信號;以此類推，在每個陣面切換時都如此。具體在設(shè)計中不僅要知道當(dāng)前消息的陣面號，還要知道上一個消息命令的陣面號，通過兩個陣面號判斷有沒有變換陣面，在變換時就要做特別的判斷處理了，否則只以本陣面定時器中斷為觸發(fā)條件。以B陣面為例，如圖5所示。

圖4 輪流工作消息狀態(tài)圖

圖5 輪流工作流程圖

由圖5可以看出，通過存儲的上一次執(zhí)行的中斷服務(wù)任務(wù)的陣面號和本次陣面號比較，得出陣面有沒有變換，同時也看出這種方式不僅僅可以實現(xiàn)多陣面環(huán)掃，理論上四個陣面可以執(zhí)行類似亂序的輪流工作方式。

2.2.3 多陣面同時工作

多陣面同時工作時，網(wǎng)絡(luò)消息通過陣面號區(qū)別后放入不同的消息隊列，每個中斷服務(wù)任務(wù)各自執(zhí)行。以下是A、B雙陣面工作時中斷服務(wù)任務(wù)處理消息命令的狀態(tài)如圖6所示。

在多陣面同時工作時，要區(qū)分每個定時器的VME中斷信號，由于定時器共用同一優(yōu)先級的中斷信號，區(qū)分中斷的方法只有通過中斷向量來區(qū)分，設(shè)計中采用VME總線的 GAP，GA［0～4］信號作為中斷向量，GAP，GA［0～4］信號是由模塊在機箱物理插槽位置來決定的，這樣就可以區(qū)分不同定時器中斷信號。A、B雙陣面同時工作時流程圖如圖7所示。

圖6 同時工作消息狀態(tài)圖

圖7 同時工作流程圖

由圖7可以看出多陣面同時工作時定時器中斷信號只會轉(zhuǎn)換為對應(yīng)中斷服務(wù)任務(wù)的觸發(fā)信號。也就是有且僅有本陣面定時器中斷能觸發(fā)對應(yīng)的中斷服務(wù)任務(wù)。而工作模式的判別使多陣面的多個觸發(fā)信號不再互斥，能夠同時觸發(fā)，滿足同時工作的要求。

3 結(jié)束語

本文所闡述的多陣面雷達(dá)控制系統(tǒng)采用基于Vx-Works操作系統(tǒng)設(shè)計，利用了VxWorks操作系統(tǒng)的多任務(wù)工作特性，高效獨立的中斷處理能力，以及網(wǎng)絡(luò)通信等功能，實現(xiàn)了雷達(dá)多陣面同時工作和多陣面輪流工作的方式，大大提高了雷達(dá)工作的多功能性和靈活性。目前該系統(tǒng)已經(jīng)在某數(shù)字多陣面陣?yán)走_(dá)上得到應(yīng)用。

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