基于FPGA的雷達波束控制

這里展開(kāi)介紹一種有源相控陣雷達波束控制系統的硬件平臺及軟件設計。

l 系統原理

為降低電路成本和增加系統可靠性，該系統采用設備量少、維修方便、可靠性高的集中式運算、分布式驅動(dòng)體系。也就是，波束控制算法用一塊電路板(稱(chēng)之為運算板)實(shí)現。
對工作方式，運算板接收來(lái)自雷達控制臺的控制指令(包括主天線(xiàn)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算、傳輸、分配與格式重排。運算板把處理后的串行波束控制碼通過(guò)驅動(dòng)器發(fā)往陣面的波束控制組件驅動(dòng)板。在波束控制組件驅動(dòng)板內再進(jìn)行譯碼、驅動(dòng)，然后送給組件單元作為控制碼，從而實(shí)現波束控制系統的功能。波束控制系統的組成如圖1所示。

2 系統硬件平臺

該相控陣雷達系統要求波束控制系統準確可靠地控制512個(gè)天線(xiàn)單元，波束轉換時(shí)間不大于1 ms。在此分析運算板需要哪些關(guān)鍵器件。運算板要在500μs內完成從雷達控制臺接收指令、波束控制算法及運算結果傳輸的功能，必須選用FPGA器件。參與運算的補償數據是運算的主要對象之一，要能夠實(shí)時(shí)參與波束控制算法的運算過(guò)程，也可以被雷達控制臺在線(xiàn)更新，這就需要運算板具有存儲器。系統采用自定義總線(xiàn)接收雷達控制指令和上報陣面返回的信息。

關(guān)于驅動(dòng)板的硬件設計，不僅要實(shí)現驅動(dòng)、譯碼、系統自檢等功能，還要考慮組件在單獨調試時(shí)驅動(dòng)板的控制功能是否可以方便實(shí)現。由于設備數量較大，在滿(mǎn)足功能的基礎上，要盡可能降低設備成本?；谶@些需求，選用一片單片機和一片EPLD。圖1中虛線(xiàn)左側部分所示運算板硬件組成。其中，雷達控制臺發(fā)送的是波束控制指令、接收的是陣面自檢和檢測信息；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。

圖l中虛線(xiàn)右側部分所示組件驅動(dòng)板的硬件組成。其中接口電路接收波束控制運算板發(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)機自檢和脫機控制調試的功能?？刂坪驼{試方式比其他提供的系統設計方法，更加多樣化和靈活。

3 軟件設計

3．1 運算板FPGA程序設計

波控運算板基本用途就是為滿(mǎn)足陣面天線(xiàn)單元控制的需要。在此，整個(gè)天線(xiàn)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(xiàn)單元，如圖2所示。

天線(xiàn)分時(shí)實(shí)現全孔徑SAR模式和子孔徑GMTI模式兩種工作模式。雷達對空探測或者在SAR工作方式時(shí)，利用天線(xiàn)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(xiàn)單元的坐標原點(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)坐標系：每個(gè)子陣面的物理中心就是每個(gè)陣面天線(xiàn)單元的坐標原點(diǎn)。

根據天線(xiàn)單元此分布特點(diǎn)的控制需求，這里選用兩片FPGA，傳輸采用四路差分串行碼(兩路數據碼、一路地址碼、一路8 MHz時(shí)鐘碼)，就可完成陣面天線(xiàn)單元對波束控制的要求。FPGA內部程序的邏輯功能框圖如圖3所示。其中的串口核、SRAM、FIFO全是調用FPGA 內部的資源。串口核的功能是在波束控制運算板單機調試和雷達近場(chǎng)測試時(shí)，接收來(lái)自調試計算機的控制指令。SRAM用于當雷達工作在陣面監測方式時(shí)，存儲來(lái)自雷達控制計算機的控制碼；FIFO用于存儲運算器計算的結果(運算板單板調試時(shí)用)或組件驅動(dòng)板自檢結果，此結果可以通過(guò)串口返回調試計算機，以此來(lái)判斷FPGA計算的中間結果或者送出的最終結果是否正確和判斷組件單元及相應的信號通路是否良好。運算、傳輸時(shí)鐘產(chǎn)生和運算結果傳送、讀／寫(xiě)FLASH都在運算器中，做在同一個(gè)狀態(tài)機里。波控運算狀態(tài)機如圖4所示。

圖4中：S1為運算使能控制和狀態(tài)轉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算結果；S3產(chǎn)生被傳送數據的地址和時(shí)鐘及將并行的計算結果轉為串行；S4對FLASH進(jìn)行寫(xiě)操作；S5對FLASH進(jìn)行讀操作；S6對SRAM進(jìn)行寫(xiě)操作；S7先對SRAM讀操作，然后按照預定格式拼位，以便跳入S3狀態(tài)將SRAM中的數據傳出。S1中狀態(tài)機的狀態(tài)轉換條件即為譯碼得到的來(lái)自雷達控制臺的控制指令。狀態(tài)機將根據不同的控制指令進(jìn)入相應的狀態(tài)處理程序段。

其中的S2狀態(tài)機實(shí)現的陣面第(m，n)個(gè)組件的移相值運算如下：

式中：m為行坐標值；n為列坐標值。當雷達工作在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為雷達控制計算機根據波束指向角而發(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，用于隨機饋相。等式右端的ψ0m,n，ψ，△ψ預存在片外的FLASH中，FPGA通過(guò)對FLASH的讀操作將對應地址空間的數據存入相應寄存器，在狀態(tài)機的控制下參與移相值的計算。

在FPGA中，此算式的實(shí)現采用Verilog硬件描述語(yǔ)言編程，控制變量做加法循環(huán)即可實(shí)現該算法。對隨機饋相的運算，是將按單元排列方式所對應的、預先存在FLASH中的一組隨機數δi.j(其存儲位數不小于4位)，和波束控制系統計算的移相器量化相移值結尾相位△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 運算板調試的控制程序設計

運算板的初期調試和驗證對于整個(gè)產(chǎn)品的實(shí)現至關(guān)重要，此階段直接決定了產(chǎn)品實(shí)現的可行性和進(jìn)度。在此選用ViSUalBasic 6．0開(kāi)發(fā)設計程序，基于Windows的VB提供了一個(gè)MSCOMM 32．OCX串行通信控件，用串口電平轉換器接上兩對差分信號線(xiàn)，就可以實(shí)現與運算板FPGA異步串行口的通信。所設計的控制程序可以模擬產(chǎn)生雷達控制臺的控制指令和定時(shí)器的定時(shí)信號、實(shí)現對SRAM和FLASH信息的寫(xiě)入和讀出，完成對FPGA運算結果的回送數據校驗。

根據需要，所設計的程序分為八個(gè)模塊，分別為串口通信控制、雷達控制指令產(chǎn)生、定時(shí)信息產(chǎn)生、對FLASH的各種操作控制、補償數據文件的寫(xiě)入／讀出操作、理論運算結果顯示、FPGA運算結果回送顯示、自檢方式所需要的控制等。

3．3 驅動(dòng)板的程序設計

該驅動(dòng)板程序設計的關(guān)鍵點(diǎn)和特點(diǎn)在于單片機和EPLD的程序既能夠聯(lián)機工作，又能夠獨立地控制組件，實(shí)現組件的單機調試功能，即裝機和測試用同一個(gè)程序。

驅動(dòng)板的單片機串口接收來(lái)外來(lái)的控制指令，判斷波束控制系統是處在哪種工作狀態(tài)。如果是聯(lián)機工作，則SCU接收聯(lián)機自檢指令，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，等待通道狀態(tài)讀取指令到達后，將它們回送到運算板，在所設計的控制界面內可以顯示，從而得知波束控制系統整個(gè)子系統的運行工作情況。如果是模擬子系統控制指令，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)自單片機還是雷達系統，如果是單片機，則接收來(lái)自調試計算機的指令；否則，直接接收來(lái)自雷達系統的控制指令。單片機的程序設計主要分為四部分：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據子程序。后兩者子程序設計流程示意如圖5所示。其中，指令字包含的信息分別為開(kāi)關(guān)狀態(tài)碼、陣面回數信息、陣面回數狀態(tài)、陣面自檢信息、移相值和衰減值。

這里仍然選用VB編寫(xiě)調試控制程序，用來(lái)模擬產(chǎn)生來(lái)自運算板的控制信號，實(shí)現對驅動(dòng)板的調試控制。編寫(xiě)的調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)送數據校對信息顯示。

4 結論

該FPGA程序設計既可滿(mǎn)足天線(xiàn)對波束控制0．5 ms內完成運算和傳輸數據的時(shí)間要求，又滿(mǎn)足波束控制分系統在線(xiàn)自檢；根據工作頻率，進(jìn)行初相位在線(xiàn)補償；天線(xiàn)相位碼隨機饋相的功能需求。其調試控制程序，不僅滿(mǎn)足單板調試、補償文件寫(xiě)入或者讀出操作的需要，還用于雷達天線(xiàn)暗室測試的控制。同樣，單片機和EPLD的程序設計，滿(mǎn)足天線(xiàn)組件對波束控制系統裝機和測試用同一個(gè)程序的要求。調試過(guò)程中，兩者都有友好的控制界面可操作。