基于并口通信的多模式波束控制軟件設(shè)計(jì)與應(yīng)用

侯 田，孫立春，陳文蘭

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088；2.孔徑陣列與空間探測(cè)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230088；3.智能情報(bào)處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230088)

0 引 言

雷達(dá)是重要的信息獲取設(shè)備，是各種先進(jìn)的作戰(zhàn)平臺(tái)和指揮控制系統(tǒng)的耳目，在國防建設(shè)、經(jīng)濟(jì)建設(shè)、科學(xué)研究中應(yīng)用廣泛并獲得了持續(xù)發(fā)展[1]。相控陣?yán)走_(dá)利用電子技術(shù)控制陣列天線各輻射單元的饋電相位來改變波束方向以實(shí)現(xiàn)電掃描[2]。相控陣?yán)走_(dá)波束指向和波束形狀具有快速變化的能力，因此，相控陣?yán)走_(dá)的性能可得到很大提高，工作方式可以增加，便于實(shí)現(xiàn)多種雷達(dá)功能，在工作環(huán)境與工作目標(biāo)變化情況下，使雷達(dá)具有很強(qiáng)的自適應(yīng)能力[1]。

波束控制系統(tǒng)通過發(fā)送每一個(gè)天線單元上移相器的波控碼來控制陣列天線的波束指向。波束控制系統(tǒng)是有源相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)所特有的，它取代了傳統(tǒng)機(jī)械掃描雷達(dá)中的伺服掃描設(shè)備。天線無需轉(zhuǎn)動(dòng)可使天線波束快速掃描，避免了機(jī)械慣性的影響，有源相控陣?yán)走_(dá)縮短了控制反應(yīng)時(shí)間，掃描速度顯著提高，波束控制更加靈活[2]。

由于波束控制系統(tǒng)在有源相控陣?yán)走_(dá)中的重要性，工程師們對(duì)于波束控制的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)也投入了很大的精力。根據(jù)不同的功能需求、硬件平臺(tái)、通信方式、控制模式，已經(jīng)出現(xiàn)了很多優(yōu)秀的實(shí)踐，如：毫米波有源相控陣?yán)走_(dá)波束控制系統(tǒng)[2]、基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)的相控陣?yán)走_(dá)波束控制系統(tǒng)[3]，基于VxWorks的有源相控陣?yán)走_(dá)波束控制系統(tǒng)[4]。

現(xiàn)有的波束控制系統(tǒng)大多針對(duì)整個(gè)有源相控陣系統(tǒng)，滿足天線整體波束控制的需求。相控陣?yán)走_(dá)各T/R組件由于加工、制造以及元器件參數(shù)等方面原因,造成各通道的幅度相位的不一致,這就要求測(cè)試時(shí)先要對(duì)各通道幅相誤差進(jìn)行校正。校正時(shí)，由于T/R組件各通道間控制性能的差異與天線單元間互耦的影響，很難一次完成各通道幅相誤差校正，就需要再次進(jìn)行微調(diào)。常用的波束控制系統(tǒng)，需要進(jìn)行校正算法設(shè)計(jì)，對(duì)于有源相控陣系統(tǒng)集成調(diào)試的適用性不強(qiáng)。通過本文中開放的波束控制軟件界面，可手動(dòng)輸入波束控制碼，方便測(cè)試人員根據(jù)校正后的幅相誤差進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)整，達(dá)到快速測(cè)試的目的。為了同時(shí)滿足有源相控陣天線的通道測(cè)試需求、單元測(cè)試需求和系統(tǒng)測(cè)試需求，本文設(shè)計(jì)的基于并口通信的多模式波束控制軟件實(shí)現(xiàn)了對(duì)有源相控陣天線不同層級(jí)的控制。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

有源相控陣天線波束掃描的快速與靈活性,使相控陣?yán)走_(dá)具有機(jī)械掃描雷達(dá)所不能實(shí)現(xiàn)的多樣性和靈活性,而且自適應(yīng)能力強(qiáng)。有源相控陣天線波束的這些特性是通過波束控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的。

本文中的有源相控陣天線包含32個(gè)T/R組件，每個(gè)T/R組件有8個(gè)通道，一共256個(gè)有源通道。所設(shè)計(jì)的波束控制系統(tǒng)由波束控制計(jì)算機(jī)、波束控制板組成。如圖1所示，其中波束控制軟件運(yùn)行在波束控制計(jì)算機(jī)上，通過波束控制計(jì)算機(jī)的并口與波束控制板連接。波束控制板連接T/R組件，控制T/R組件每個(gè)通道的發(fā)射移相、接收移相、發(fā)射衰減、接收衰減、使能及發(fā)射狀態(tài)、工作模式、脈寬和周期。

圖1 波束控制系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 波束控制軟件界面介紹

如圖2所示，波束控制軟件界面包含通道選擇(每個(gè)T/R組件有8個(gè)通道可選)、組件碼值(發(fā)射移相、接收移相、發(fā)射衰減、接收衰減)及狀態(tài)(發(fā)射、衰減、負(fù)載)輸入、工作模式選擇(正常工作、連續(xù)接收、脈沖發(fā)射)、脈寬和周期設(shè)置、讀取文件等。

圖2 波束控制軟件界面

2.2 并口通信

并口通訊已廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)領(lǐng)域[5]。人們利用計(jì)算機(jī)并口進(jìn)行數(shù)據(jù)采集[6]，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)中斷控制[7]，產(chǎn)生雷達(dá)波形[8]，實(shí)現(xiàn)軌跡控制[9]，進(jìn)行數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)[10]。

在目前的Windows XP/Windows 7操作系統(tǒng)下，不能直接對(duì)端口寄存器進(jìn)行訪問，這是由于Windows XP/Windows 7對(duì)系統(tǒng)底層操作采取了屏蔽的策略，對(duì)用戶而言，系統(tǒng)變得更為安全，但這卻給接口和接口軟件開發(fā)人員帶來了不小的困難，因?yàn)橹灰獞?yīng)用程序中涉及到底層的操作，開發(fā)人員就不得不深入到Windows的內(nèi)核去編寫屬于系統(tǒng)級(jí)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。對(duì)并口的讀寫操作就是如此，由于Windows對(duì)系統(tǒng)的保護(hù)，應(yīng)用程序不允許直接I/O操作[11]。

本文中設(shè)計(jì)的波控軟件通過調(diào)用第三方IO接口驅(qū)動(dòng)庫WinIO中的I/O端口讀寫函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)并口寄存器的讀寫。

WinIO驅(qū)動(dòng)庫由Yario Kaplan編寫，共包含5個(gè)文件：WinIo.h、WinIo.lib、WinIo.vxd、WinIo.sys和WinIo.dll。如圖3所示，介紹了新建軟件工程后，WinIO驅(qū)動(dòng)庫的使用步驟。

圖3 WinIO驅(qū)動(dòng)庫使用流程圖

完成這5步工作，就可以在工程程序中繞過Windows的安全限制訪問并口了。

調(diào)用WinIO驅(qū)動(dòng)庫中讀寫端口的函數(shù)GetPortVal和SetPortVal可實(shí)現(xiàn)發(fā)送和接收并口數(shù)據(jù)。具體使用方法見參考文獻(xiàn)[11]。

本波束控制軟件通過計(jì)算機(jī)并口向波控板發(fā)送碼值，實(shí)現(xiàn)對(duì)組件的控制。組件的數(shù)據(jù)協(xié)議如表1所示。

2.3 多模式控制

本文中設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的波控軟件要滿足天線單通道測(cè)試、天線性能測(cè)試和天線多波束自動(dòng)掃描多方面的需求，因此，在軟件設(shè)計(jì)中考慮軟件需要具備多模式控制能力：第1種單通道測(cè)試模式，通過波束控制軟件可以單獨(dú)對(duì)每一組件的任意通道進(jìn)行控制；第2種天線性能測(cè)試模式，對(duì)天線所有通道同時(shí)進(jìn)行控制；第3種天線多波束模式，實(shí)現(xiàn)天線多波束自動(dòng)掃描。

波束控制軟件的單通道測(cè)試模式介紹：當(dāng)對(duì)某一T/R組件的某一特定通道進(jìn)行測(cè)試時(shí)，如測(cè)試T/R組件10的通道4的發(fā)射態(tài)性能時(shí)，則勾選通道4，同時(shí)勾選組件10對(duì)應(yīng)的使能與發(fā)射；若測(cè)試T/R組件10的通道4的接收態(tài)性能時(shí)，則勾選通道4，同時(shí)勾選組件10對(duì)應(yīng)的使能。此外，該功能支持對(duì)多個(gè)T/R組件的某一特定通道進(jìn)行測(cè)試，如測(cè)試組件10、16、18、32的通道3的發(fā)射態(tài)性能時(shí)，則勾選通道3，同時(shí)勾選組件10、16、18、32對(duì)應(yīng)的使能與發(fā)射；若測(cè)試它們的接收態(tài)性能時(shí)，則勾選通道3，同時(shí)勾選組件10、16、18、32對(duì)應(yīng)的使能。使用單通道測(cè)試模式時(shí)，發(fā)送碼值中只有對(duì)應(yīng)組件勾選的通道數(shù)據(jù)有效。

表1 數(shù)據(jù)協(xié)議

天線性能測(cè)試模式介紹：測(cè)試天線發(fā)射態(tài)性能時(shí)，點(diǎn)擊讀取發(fā)射移相文件、讀取接收移相文件、讀取接收衰減文件，勾選256通道全使能和256通道全發(fā)射，點(diǎn)擊發(fā)送碼值；測(cè)試天線接收態(tài)性能時(shí)，點(diǎn)擊讀取發(fā)射移相文件、讀取接收移相文件、讀取接收衰減文件，勾選256通道全使能，點(diǎn)擊發(fā)送碼值。使用天線性能測(cè)試模式時(shí)，逐一發(fā)送32個(gè)組件的所有通道碼值。

天線多波束自動(dòng)掃描模式介紹：直接點(diǎn)擊多波束自動(dòng)掃描按鈕，天線便按照預(yù)先存儲(chǔ)的多個(gè)波控文件自動(dòng)完成掃描。根據(jù)波控文件自動(dòng)生成碼值，多個(gè)波控文件生成多組碼值，按順序向波控板發(fā)送，實(shí)現(xiàn)多波束自動(dòng)掃描。

3 軟件應(yīng)用

在某雷達(dá)試驗(yàn)陣天線測(cè)試過程中，使用本文設(shè)計(jì)的波束控制軟件對(duì)一含有256個(gè)通道的有源相控陣天線進(jìn)行校正和微調(diào)，可以達(dá)到期望的結(jié)果。

圖4是天線陣各通道基態(tài)相位測(cè)試結(jié)果，相位均值約為-113°。選擇波束控制軟件的第1種工作模式——單通道測(cè)試模式，對(duì)各通道進(jìn)行第1次校正，校正時(shí)各通道相位以基態(tài)與均值-113°差值做通道移相，得到第1次校正測(cè)試結(jié)果，如圖5實(shí)線所示?？梢钥闯觯捎诟魍ǖ篱g存在移相誤差，一次校正結(jié)果未滿足要求，需要微調(diào)。第2次校正針對(duì)偏離基態(tài)相位均值的各通道進(jìn)行微調(diào)，微調(diào)時(shí)，在操作界面中同時(shí)勾選需要微調(diào)的通道，調(diào)整通道移相值，再次測(cè)試得到如圖5虛線所示測(cè)試結(jié)果。

圖4 天線陣各通道基態(tài)相位測(cè)試結(jié)果

圖5 天線陣各通道一次校正與微調(diào)后相位測(cè)試結(jié)果

2次測(cè)試后，完成有源相控陣天線全部256通道的相位校正，相位值在均值-113°附近呈隨機(jī)分布，滿足移相誤差要求。

有源相控陣天線通道校正通常占用測(cè)試的絕大部分工作量，校正完成后即可切換至其他工作模式完成天線各項(xiàng)性能測(cè)試。由天線校正測(cè)試過程可以看出，本軟件操作簡(jiǎn)便，校正快捷，有利于提高相控陣天線的測(cè)試效率。

4 結(jié)束語

采用本文中的基于并口通信的多模式波束控制軟件，滿足了項(xiàng)目中相控陣天線單元校正和微調(diào)的需求，在天線測(cè)試中發(fā)揮了重要作用。軟件同時(shí)具備天線性能測(cè)試模式和天線多波束模式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)天線所有通道同時(shí)進(jìn)行控制和天線多波束自動(dòng)掃描功能。

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