基于Nios的分布式波束控制系統(tǒng)設(shè)計

張德平+沈全成+郭世杰+彭霖

摘要：針對多功能相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)對波束控制系統(tǒng)的快速響應(yīng)能力的要求，該文基于FPGA中構(gòu)建的Nios嵌入式軟核CPU，設(shè)計了一種分布式的波束控制系統(tǒng)，將天線陣面T/R組件相位計算分解到多個波束控制分機(jī)中并行處理，相對于DSP+FPGA集中式波束控制系統(tǒng)，提高了實時性，簡化了硬件電路設(shè)計，降低了系統(tǒng)的功耗。

關(guān)鍵詞：波束控制系統(tǒng)；相控陣天線；NIOS；分布式

中圖分類號：TN958.92 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）15-0258-03

Abstract： Multifunction phased array radar needs the beam-steering system having quick response， a distributed beam-steering system was designed based on Nios II cpu in FPGA. Compare to central system base on DSP and FPGA， this design has quick response because of distributed and parallel computation， simple circuit， and low power dissipation.

Key words： Beam-Steering System； Phased Array Radar； NIOS； distributed

1 背景

在相控陣系統(tǒng)中，波束控制系統(tǒng)的性能直接影響雷達(dá)系統(tǒng)性能的發(fā)揮，在相控陣電子戰(zhàn)中，電子偵察告警、電子對抗要求波束控制系統(tǒng)必須具有快捷的波束捷變能力（一般為μs級），因此在波束系統(tǒng)設(shè)計中必須解決高速運算，信號傳輸，在線幅相補償?shù)葐栴}[1]。

集中式波束控制系統(tǒng)，在應(yīng)對復(fù)雜度提升和實時性要求提高的方法，往往只有通過采用性能和成本更高的數(shù)字信號處理器，成本和功耗不斷提高。本文設(shè)計了一種基于Nios的分布式波束控制系統(tǒng)將整個陣面T/R組件的配相計算分解到每個波束控制分機(jī)，每個分機(jī)只要負(fù)責(zé)單個天線列模塊的T/R組件的配相計算，計算復(fù)雜度大為降低，實時性指標(biāo)容易滿足。

2 波束控制原理[2]

波束控制系統(tǒng)的基本功能是根據(jù)不同的波束指向要求， 完成陣列中每個單元移相器的相位計算，通過控制電路驅(qū)動移相器移相，從而使天線波束指向規(guī)定的方向。

平面相控陣天線陣面置于（y，z）平面上，如圖1所示。相鄰天線單元之間的間距分別為d1，d2，位置為（k，i）的天線單元通道中移相器中波束控制碼為C（k，i）。當(dāng)目標(biāo)方向為球坐標(biāo)（）時，考慮相位誤差補償δ的情況下，送到第（k，i）單元通道內(nèi)波束控制數(shù)碼為

3 系統(tǒng)方案設(shè)計

集中式的波束控制系統(tǒng)采用單個設(shè)備完成整個陣面的T/R組件的波束控制碼計算，計算規(guī)模為M*N，當(dāng)天線陣面中T/R組件規(guī)模較大時，實時性往往難以滿足系統(tǒng)指標(biāo)要求。本文提出一種基于Nios的分布式波束控制系統(tǒng)架構(gòu)，如圖2所示，由于采用N個波束控制分機(jī)來并行完成陣面T/R組件相位控制，每個分機(jī)的計算量為M，計算規(guī)模大大降低，實時性提供，系統(tǒng)指標(biāo)更容易滿足。由于使用分布式并行計算，原先由大容量FPGA+高性能DSP才能滿足指標(biāo)，現(xiàn)通過在中等容量FPGA中配置高性能可剪裁的NIOS II 軟核CPU即可滿足指標(biāo)，節(jié)約成本，降低功耗。

每個波束控制分機(jī)由CAN總線接口單元，計算單元，配相單元，在線監(jiān)測單元，在線配置單元5個功能模塊構(gòu)成。通過CAN總線接口單元解析控制中心的指令和數(shù)據(jù)；通過計算單元實現(xiàn)移相器相位碼的計算和校驗；通過在線監(jiān)測單元完成列模塊BIT信息采集和統(tǒng)計；通過在線配置單元，實現(xiàn)控制中心對每個波束控制分機(jī)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)和程序維護(hù)。

各波控分機(jī)通過CAN總線與控制中心互聯(lián)，上電后各分機(jī)通過讀取板上的撥碼開關(guān)數(shù)值，來進(jìn)行初始化配置，保證各分機(jī)軟硬件一致，卻可以響應(yīng)不同的CAN數(shù)據(jù)和指令。根據(jù)控制中心指令進(jìn)入3個不同的工作模式：

在戰(zhàn)斗模式下，計算單元根據(jù)的CAN接口單元接收到的方位信息，計算波控碼，通過送數(shù)單元向?qū)?yīng)的天線列模塊發(fā)送配相數(shù)據(jù)，使波束指向預(yù)定的方位，在系統(tǒng)時序控制下，通過CAN總線，向控制中心回告BIT信息，完成陣面T/R組件，溫度等信息的監(jiān)測。

在維護(hù)模式下，通過接收CAN總線發(fā)送對應(yīng)分機(jī)的數(shù)據(jù)，在線配置單元通過SPI總線，將數(shù)據(jù)寫入FPGA的串行配置芯片中，完成數(shù)據(jù)和程序的遠(yuǎn)程加載和維護(hù)。

在測試模式下，根據(jù)控制中心的命令，計算單元產(chǎn)生的波控碼可以單獨控制每個T/R組件的開關(guān)狀態(tài)，根據(jù)需要進(jìn)行初始相位補償、隨機(jī)饋相、頻率修正等，方便調(diào)試和維修。

4 硬件設(shè)計

FPGA采用Cyclone II系列的EP2C15，通過配置NIOS II軟核來完成浮點運算，實現(xiàn)計算單元的功能。外圍串行配置芯片采用EPCS16，F(xiàn)PGA配置程序外的剩余空間作為通用數(shù)據(jù)區(qū)，存儲運算所需的數(shù)據(jù)，通過單片機(jī)中在線配置模塊來讀寫。通過Quartus中SOPC Builder，可以快速的定制以32位Nios Ⅱ軟核處理器為核心的嵌入式系統(tǒng)，模塊框圖如圖3所示?；贜IOS II CPU的片上系統(tǒng)[3]主要包括EPCS控制器核用于通用存儲區(qū)數(shù)據(jù)的訪問，JTAG UART 核用于系統(tǒng)調(diào)試，Onchip Memory用于系統(tǒng)內(nèi)存，PLL核用于系統(tǒng)時鐘，定時器用于定時中斷，PIO核用于并行數(shù)據(jù)的輸入輸出以及中斷控制等模塊組成。計算單元以NIOS II CPU為處理器，根據(jù)指令中的工作模式、波束指向、波束寬度和工作頻率等參數(shù)，進(jìn)行基本波束控制碼計算、相位碼修正以及波束控制碼校驗和拼合。為了提高實時性，有些浮點運算如三角函數(shù)采用查表操作，具體表格數(shù)據(jù)存儲在通用存儲區(qū)中，上電后讀入Onchip Memory，提高了系統(tǒng)的實時性。

配相單元主要以FPGA為核心器件，通過數(shù)據(jù)PIO接口接收NIOS 處理器計算的波束控制碼，將處理后的波束控制碼以422差分形式向陣面激勵器按列配送。

陣面監(jiān)測與統(tǒng)計單元接收波束控制系統(tǒng)的自檢數(shù)據(jù)和陣面監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的陣面監(jiān)測數(shù)據(jù)，根據(jù)約定的統(tǒng)計規(guī)則對故障進(jìn)行統(tǒng)計處理。然后通過約定總線接口將處理結(jié)果回告中心計算機(jī)；監(jiān)測數(shù)據(jù)在每個任務(wù)周期都將實時回告中心計算機(jī)。

5 軟件設(shè)計

本設(shè)計的軟件開發(fā)工作分為兩部分，基于NIOS軟核上的應(yīng)用軟件開發(fā)，采用C語言進(jìn)行設(shè)計，軟件流程框圖如圖4所示；基于FPGA[4]的其他功能單元的驅(qū)動開發(fā)，采用硬件描述語言進(jìn)行設(shè)計。雖然分布式的波束控制系統(tǒng)設(shè)備量大，但是降低了運算規(guī)模，提高了實時性和開發(fā)效率。

6 結(jié)束語

采用分布式計算解決了大規(guī)模天線陣面配相計算量大，實時性要求難以滿足的問題；針對分布式系統(tǒng)引入的設(shè)備量增加，調(diào)試和維護(hù)工作量大的問題，通過在線配置模塊，可以在遠(yuǎn)程方便地維護(hù)數(shù)據(jù)和程序；本設(shè)計還具有體積小、集成度高、低功耗等特點。

參考文獻(xiàn)：

[1] 林桂道. 現(xiàn)代相控陣系統(tǒng)的波束控制設(shè)計分析[J]. 艦船科學(xué)技術(shù)，2007，29（3） ：76-78.

[2] 張光義， 趙玉潔. 相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)[M]. 北京： 電子工業(yè)出版社， 2006.

[3] 李蘭英. Nios II 嵌入式軟核SOPC設(shè)計原理及應(yīng)用[M]. 北京： 北京航空航天大學(xué)出版社， 2006.

[4] Altera Corporattion[Z]. Cyclone II Device Handbook， 2005.