基于PowerPC和FPGA的相控陣雷達波束控制系統設計

龔俊亮　朱弘

摘 要：隨著雷達技術的不斷發展，相控陣雷達波束控制的計算量越來越大、實時性越來越高。本文提出一種基于PowerPC和FPGA的主從處理器架構的相控陣雷達波束控制系統設計方法，PowerPC多任務軟件基于VxWorks實時操作系統，相比傳統的波束控制系統，基于PowerPC和FPGA主從處理器結構的波束控制系統具有結構緊湊、功耗低、處理能力強、實時性好和資源利用率高的特點。

關鍵詞：PowerPC；FPGA；相控陣雷達；波束控制系統

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.06.131

1 引言

傳統的雷達波束控制系統多基于PC104處理器，PC104 處理器通常采用X86架構，其存在處理性能較低、功耗大、發熱量大和接口不豐富等問題。PowerPC是由IBM、Apple和Motorola公司共同設計和開發的，采用RISC架構，具有可伸縮性好和方便靈活的特點。PowerPC體系結構基于RISC，將定點計算、浮點計算和程序流控制分開，允許各個功能單元執行獨立的指令，以完成任務所需時間最短為目標。PowerPC處理能力強，性能優異、體積小、重量輕、散熱量小，在航空航天、石油、水利、交通運輸、工業控制、數控采集等領域獲得了廣泛的應用。FPGA作為一種專用集成電路，解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數量有限的缺點，具有體系結構和邏輯單元靈活、集成度高以及適用范圍寬等特點。將PowerPC和FPGA結合的相控陣雷達波束控制系統能夠充分利用PowerPC的高性能處理能力和FPGA的定制電路設計能力，同時兼顧功耗、成本、設計周期等因素，是對體積要求小、負載要求輕、計算能力要求高的相控陣雷達波束控制系統的有效解決方法。

2 方案設計

（1）系統總體架構。主處理器為P2020 通用嵌入式雙核處理器，從處理器為XC7K325T FPGA，主處理器基本功能是根據天線波束指向要求，計算各天線單元移相器所要求的波控碼，傳輸至每一個移相器，控制每一個移相器相位狀態的轉換。從處理器主要完成波控碼值的分發，可以通過并行或者串行的方式，以減少碼值分發的時間。系統總體框圖如圖1所示。系統主要包括電源設計、時鐘設計、DDR3 與Flash接口設計。

（2）復位及電源電路設計。一個穩定、準確的電源是系統正常工作的根本保障。該設計中需要提供5V（接口芯片）、3.3V（FPGA和PowerPC）、1.0V（FPGA Core）、1.2V（FPGA GTX）、1.8V（FPGA AUX）。電源設計的復雜度可想而知，同時，為了使系統能夠正常穩定工作，上電時序的設計也非常重要。系統采用12V電源輸入，采用四片Linear公司LTM4620將12V轉換為模塊各電路單元所需電壓，P2020 處理器在頻率為1000MHz時，其功耗典型值為5.3W，最大6.5W，XC7K325T依據在本工程中的應用，其功耗約為7.5W，FLASH最大功耗1W，DDR2最大功耗1.2W，再加上其它器件的功耗，波束控制系統模塊最大功耗23w，電源電路的設計必須留存足夠的余量。

（3）時鐘電路設計。系統板載有25M、100M兩種有源晶振，以25M晶振為基準，通過IDT公司的IDT2305NZ時鐘緩沖芯片進行緩沖，再經TI公司的CDCM61004時鐘管理芯片對IDT2305NZ輸出的25M晶振進行倍頻，產生各模塊所需的時鐘，DDR和FPGA高速口均為125M差分時鐘；以100M晶振為時鐘源，產生PowerPC、FPGA、DDR所需的100M時鐘頻率。

（4）DDR3與FLASH存儲器電路設計。采用P2020 SDRAM機制實現P2020與DDR3 SDRAM內存芯片的通信。選用4片Micro 公司128M*16bits高速COMS同步動態隨機存儲器MT41J128M16。P2020總線的MDQ0～MDQ63分別接到4片DDR3的DQ0～DQ15上，將其數據寬度從16bits擴展至64bits。同時，P2020的地址總線MA00～MA13連接至4片DDR3地址線A0～A13。實現8k*64bits數據的訪問。FLASH芯片選用SPANSION公司的S29GL01GS10TFI010，32位地址總線，大端模式，8位訪問時從A31為最低位，16位訪問時從A30為最低位。數據位寬16bits。

3 軟件設計

雷達波束控制系統軟件設計的操作系統采用Wind River公司的VxWorks6.5版本。VxWorks操作系統是美國Wind River公司1983年開發的專門為嵌入式微處理器設計的一種硬實時操作系統，軟件從功能上分，主要是VxWorks操作系統BSP的設計和波控程序的設計。軟件設計層次結構包括Bootrom、VxWorks操作系統、應用程序三個部分。BootRom：主要用于操作系統映像、應用程序的加載，運行在目標機上，可以通過網絡RJ45接口、串行RS232接口與宿主計算機板卡建立連接這種方式，把操作系統的映像、應用程序更新到系統的FLASH存儲設備中，同時提供相關的功能，設置BOOTROM的啟動方式、啟動參數、自身更新BootRom程序。Vxworks操作系統：主要提供嵌入式系統所需要的任務調度、同步機制、中斷處理、文件管理等基本功能、與目標機相關的設備驅動。嵌入式VxWorks操作系統內核和相關組件是由WindRiver公司提供的，在波控軟件設計中，需提供與操作系統相關的硬件驅動程序。應用程序：應用程序為運行在VxWorks操作系統之上的波控程序。

4 結語

本研究針對相控陣雷達波控系統的需求，設計了基于PowerPC和FPGA的波束控制系統，綜合利用二者的優點，使波束控制系統具有結構緊湊、功耗低、處理能力強、實時性好等優點，為大型相控陣設備的開發打下良好的基礎。

參考文獻：

[1]李晉軍，李滔，齊金剛.基于PowerPC+FPGA的視頻處理器設計實現[J].電子工程設計，2013（16）：124-127.

[2]周凱，張浩，王曉平.基于PowerPC的嵌入式遠程數據采集與監測系統設計[J].機電一體化，2007（03）：30-34.

作者簡介：龔俊亮（1988-），江西豐城人，工程師，主要從事：雷達波控設計。