基于Power PC與FPGA的雷達天線遠程操控系統設計實現

陳煒浩，王金寧，陳雪峰

（中國電子科技集團公司第二十八研究所，江蘇南京 210007）

1 應用背景

某雷達將需要的雷達信號通過網絡送至遠程顯控臺，并在遠程顯控臺對雷達進行遠程操控，如圖1所示。

圖1 雷達遠程操控系統示意圖

在雷達實際使用過程中，雷達操作員經常會在雷達“手控”模式下，使用手輪操控雷達天線來回反復掃描某個目標，觀察目標回波的波形，對目標屬性進行判斷，如果手輪轉動與雷達天線轉動有較大延遲，會造成操作員手眼不協調，影響目標屬性的判斷。

2 延遲的產生

在遠程操控系統中，雷達操控臺位定時輸出在該時間段內手輪轉動的脈沖數，雷達接口設備接收到脈沖數后還原為手輪脈沖信號控制雷達天線。

從手輪轉動到天線轉動的延遲主要由以下幾方面產生，如圖2所示。

圖2 信號延遲示意圖

DELAY1為遠程顯控臺從搖動手輪到輸出網絡報文的延遲，在實際的工作中DELAY1約為50ms；DELAY2為網絡傳輸延遲，一般要求DELAY2小于2ms；DELAY3為雷達接口設備從接收網絡報文到輸出手輪信號的延遲；

DELAY4為雷達設計時從收到手輪信號到天線轉動固定的機械延遲（DELAY4約100～200ms，操作員已經適應了該延遲）；

本文主要針對DELAY3，設計雷達接口設備，在收到遙控終端送來的網絡數據后，以很小的DELAY4延遲生成天線所需的信號。

3 方案設計

雷達天線的操控信號為AB相信號，如圖3所示。A相位超前為正轉，B相位超前為反轉。雷達接口設備需要將網絡數據轉換為AB相信號，以實現雷達天線系統的遠程操作控制。

圖3 手輪輸出波形

為實現較小的延遲，選擇具有較強通信能力的PowerPC作處理器，系統采用嵌入式Linux操作系統，結合FPGA進行設計。PowerPC模塊主要接收網絡送來的脈沖數，解析后通過LocalBus寫入到FPGA的寄存器中，FPGA接收到脈沖數后進行處理輸出AB相信號，如圖4所示。

圖4 雷達接口設備信號流程圖

4PowerPC系統設計

4.1 硬件設計

PowerPC處理器選用Freescale公司的MPC8377E[1]，該處理器集成e300c4處理器核，片內具有32Kbytes的指令cache和32Kbytes的數據cache，工作主頻可達800Mhz。MPC8377E可以支持2GB DDR2內存。MPC8377E的本地LocalBus總線擴展一片NOR FLASH作為系統的存儲空間。其作用是用來存儲bootloader、操作系統內核、文件系統。通過88E1111網絡芯片接入千兆光以太網（見圖5）。

圖5 PowerPC硬件系統架構

4.2 軟件設計

PowerPC處理器運行遠程操控控制程序和LocalBus總線驅動程序，遠程操控控制程序通過網路接收雷達天線遠程操控命令，對命令進行解析翻譯，根據命令類型將操控命令通過LocalBus總線驅動程序向FPGA的相應寄存器寫入控制命令。

LocalBus總線驅動程序實現主從設備號申請、設備注冊、FPGA地址功能映射、設備硬件控制等功能[2]。Linux內核通過一個file_operations結構體組織對設備操作的具體實現函數，該驅動在設備注冊時實現FPGA地址功能映射，通過file_operations結構體中fpga_write函數實現用戶層內核層數據交互和FPGA數據寫入[3]。

LocalBus配置為通用片選機制（GPCM），向FPGA寫入手輪值，LocalBus寫時序如圖6所示。其中參數tWC，tAWCS，tCSWP，tAWE，tWEN可以由軟件進行靈活配置，時序簡單，易于FPGA設計實現。

圖6 LocalBus寫時序

5 FPGA設計

FPGA 采用 Altera 公司 Straix系列的 EP1S25[4]，PowerPC 將脈沖數寫入到FPGA后，FPGA按照LocalBus寫時序解析出手輪脈沖個數值，開始生成AB相信號。流程如圖7所示。

圖7 FPGA手輪波形產生流程圖

（1）FPGA解析出新的手輪脈沖值后，判斷手輪是正轉或反轉；

（2）將脈沖值與N相加（N為還需要產生的脈沖個數）；

（3）生成一個固定脈沖寬度、固定相位差的AB信號，每產生一次脈沖信號，N-1，直至N=0；

（4）AB輸出0電平。

輸入輸出波形如圖8所示。

6 實踐與應用

經過實際測試，在輸出AB相脈沖寬度4ms時，雷達接口設備從接收到網絡信號到輸出的延遲小于5ms，其中PowerPC從網絡接收到LocalBus輸出延遲小于3ms，FPGA從收到PowerPC寫入數據到輸出波形延遲最大約2ms。充分體現了嵌入式系統和FPGA的實時性優勢。

本設計已經進行了實踐及應用，經過長時間、大范圍的使用，功能穩定，運行良好，在以后的工程應用中具備推廣前景。

圖8 FPGA手輪波形產生波形圖

[1]Freescale Semiconductor.MPC8377EPowerQUICCTMII Pro ProcessorHardware Specifications[EB/OL].www.freescale.com.

[2]Jonathan Corbet，Alessandro Rubini&Greg Kroah-Hartman.LINUX設備驅動程序[M].魏永明，耿岳，鐘書毅，譯.3版.北京：中國電力出版社，2009.

[3]Daniel P.Bovet&Marco Cesati著.深入理解LINUX內核[M].陳莉君，張瓊聲，張宏偉，譯.3版.北京：中國電力出版社，2009.

[4]Altera Corporation.Stratix Device Handbook[EB/OL].www.altera.com.