一種基于FPGA的時(shí)序控制模塊設(shè)計(jì)

摘 要：文章提出了一種基于FPGA控制天線和接收機(jī)的辦法，時(shí)序控制板接收到控制碼后根據(jù)要求生成具體的控制信號(hào)（一本振，二本振，移向碼等信息），再將控制信號(hào)實(shí)時(shí)發(fā)給AD板，同時(shí)用串碼將控制信息傳給天線和接收機(jī)。本設(shè)計(jì)以EP1SGX25DF672I6為主要部件，該模塊已在某型號(hào)中應(yīng)用，其工作穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：FPGA；控制模塊；設(shè)計(jì)

引言

接收機(jī)和天線是雷達(dá)系統(tǒng)關(guān)鍵的部件。一般相控陣?yán)走_(dá)天線陣元或子陣都是通過(guò)移相器來(lái)實(shí)現(xiàn)，波束控制系統(tǒng)計(jì)算控制陣面每只移相器的相位，從而在陣面不轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下實(shí)現(xiàn)天線波束的指向變化[1]。控制接收機(jī)時(shí)，需要把一本振、二本振的控制信息碼送給頻率源，使其輸出所需頻點(diǎn)的本振信號(hào)。文章提出了一種控制天線和接收機(jī)的辦法，由FPGA實(shí)現(xiàn)，主控芯片選擇ALTERA公司的EP1SG

X25DF672I6。

1 硬件設(shè)計(jì)

時(shí)序控制模塊在系統(tǒng)中的位置如圖1所示，控制模塊從光纖接收DSP板發(fā)過(guò)來(lái)的控制碼，再根據(jù)控制碼控制三個(gè)天線和三個(gè)接收機(jī)，同時(shí)將當(dāng)前工作狀態(tài)發(fā)給AD采集板。

模塊中FPGA采用ALTERA公司Stratix系列器件EP1S60。該系列是ALTERA公司于2002年新推出的高密度FPGA器件，基本結(jié)構(gòu)主要包括：邏輯陣列塊（LABs），每個(gè)邏輯陣列塊由10個(gè)邏輯單元（LE）組成，LABs用于實(shí)現(xiàn)用戶設(shè)計(jì)的邏輯功能；輸入輸出塊（IOBs），IOBs提供封裝引腳和LAB之間的接口，LABs利用一個(gè)通用的布線矩陣實(shí)現(xiàn)互連。[2]這個(gè)布線矩陣由位于水平和垂直布線通道交叉點(diǎn)上的一組布線開(kāi)關(guān)構(gòu)成；數(shù)字信號(hào)處理（DSP）塊，DSP塊由硬件乘法器、加法器、減法器、累加器和流水線寄存器組成，能夠高效地實(shí)現(xiàn)高精度的DSP功能；此外，Stratix系列器件結(jié)構(gòu)還包括存儲(chǔ)塊，時(shí)鐘延遲鎖相環(huán)等電路。

時(shí)序控制模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下：模塊外接5V電源，通過(guò)MIC37501產(chǎn)生3.3V和1.5V電壓給FPGA供電。FPGA控制信號(hào)通過(guò)100芯J30J控制天線、接收機(jī)，通過(guò)37芯J30J反饋控制信息給AD采集板，驅(qū)動(dòng)74LCX541和74FCT16424用來(lái)轉(zhuǎn)換電壓。該設(shè)計(jì)中配置器件 EPC16采用被動(dòng)串行方式加載 FPGA。（圖2）

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 模塊中器件的控制要求

（1）接收機(jī)控制。一本振控制：工作模式為1時(shí)，一本振為UCF（取值1-6），工作模式為2時(shí)為掃描模式，一本振從1到6循環(huán)，一本振駐留時(shí)間為UST；工作模式為3時(shí)為重點(diǎn)掃描模式，一本振以駐留時(shí)間UST從minFQ到maxFQ循環(huán)。二本振控制：二本振以周期ST在0，1，2之間循環(huán)。

（2）天線控制。天線的控制與接收機(jī)的控制相似，工作模式為1時(shí)波位選擇輸入的固定波位，三個(gè)陣面的當(dāng)前波位分別為BeamPos_1，BeamPos_2，BeamPos_3（取值1-24）；工作模式2時(shí)為掃描模式，三陣面當(dāng)前波位從1到24循環(huán)，每個(gè)波位駐留時(shí)間為UBT；模式3時(shí)為重點(diǎn)掃描模式，當(dāng)前波位從最小波位（minBP）到最大波位（maxBP）循環(huán)，每個(gè)波位駐留時(shí)間為uBT。

2.2 生成接收機(jī)控制碼

工作模式為1時(shí)直接光纖接收一本振；工作模式為2時(shí)，第N個(gè)周期時(shí)一本振為（N-1）%24+1；工作模式為3時(shí)一本振為minFQ +（N-1）%D（D=maxFQ-minFQ）。獲得一本振后再根據(jù)接相關(guān)協(xié)議生成串碼控制接收機(jī)。

以接收的ST為周期直接循環(huán)得到二本振。

2.3 生成天線控制碼

控制天線時(shí)可以與一本振相似的辦法獲取當(dāng)前陣面波位，然后根據(jù)當(dāng)前陣面波位讀取移向碼。系統(tǒng)一共三個(gè)陣面，每個(gè)陣面24個(gè)波位，每個(gè)波位14個(gè)兩字節(jié)移向碼。通過(guò)光纖接收的1008（3*24*14）個(gè)移向碼被寫入雙口RAM里，寫地址如表1所示：

工作模式為1時(shí)，第一個(gè)陣面第一個(gè)移向碼低字節(jié)的讀地址為（BeamPos_1-1）*28+1，第二個(gè)移向碼低字節(jié)讀地址為高低字節(jié)的讀地址為（BeamPos_1-1）*28+3，依次遞推；第二個(gè)陣面第一個(gè)移向碼低字節(jié)的讀地址為（BeamPos_2-1）*28+673；第三個(gè)陣面第一個(gè)移向碼低字節(jié)的讀地址為（BeamPos_3-1）*28+1345。

工作模式為2時(shí)，第N個(gè)周期時(shí)（令K=（N-1）%24；K=0，1……23）第一個(gè)陣面第一個(gè)移向碼低字節(jié)的讀地址為k*28+1，第二個(gè)移向碼低字節(jié)讀地址為k*28+3，依次遞推；第二個(gè)陣面第一個(gè)移向碼低字節(jié)的讀地址為k*28+673，第三個(gè)陣面第一個(gè)移向碼低字節(jié)的讀地址為k*28+1345。

工作模式為3時(shí)，第N個(gè)周期時(shí)（令K=（N-1）%D；K=0，1……D-1，D=maxBP-minBP）第一個(gè)陣面第一個(gè)移向碼低字節(jié)的讀地址為（minBP+k-1）*28+1，第二個(gè)移向碼低字節(jié)讀地址為（minBP+k-1）*28+3，依次遞推；第二個(gè)陣面第一個(gè)移向碼低字節(jié)的讀地址為（minBP+k-1）*28+673，第三個(gè)陣面第一個(gè)移向碼低字節(jié)的讀地址為（minBP+k-1）*28+1345。

2.4 串口發(fā)送

移向碼信息以同步串口協(xié)議傳給天線，串口由數(shù)據(jù)din，時(shí)鐘sclk，和片選nsync組成，效果如圖3所示。

串口程序模塊如圖4所示，其中輸入時(shí)鐘為10M。

3 結(jié)束語(yǔ)

該模塊同時(shí)完成了對(duì)接收機(jī)和天線系統(tǒng)的控制與監(jiān)控，在一片F(xiàn)PGA上完成時(shí)序和對(duì)天線接收機(jī)的監(jiān)控，提高了效率，節(jié)省了資源和功耗，減小了設(shè)備體積，在某些體積要求高的項(xiàng)目里有重要意義。

參考文獻(xiàn)

[1]張宇馳.基于FPGA平臺(tái)的波控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].南京理工大學(xué)，2012，

[2]孫強(qiáng)毅.基于FPGA的中頻數(shù)字接收機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].信息科學(xué)，2009.

作者簡(jiǎn)介：劉立業(yè)（1988，04-），男，安徽岳西，漢族，碩士，助理工程師，研究方向：數(shù)據(jù)采集。