分布式波控的設計與實現

顧國帥 楊徐路 王正之

摘要：大型有源相控陣雷達的天線陣面由幾千或上萬個射頻收發通道組成，如何快速的實現天線波束快速的切換成為檢驗雷達性能的重要指標之一。

關鍵詞：CAN總線；DMA傳輸；FSMC并行總線

中圖分類號：TN958.92 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）05-0034-01

1 引言

天線波束掃描的快速性、靈活性是相控陣雷達的主要特點之一。而天線波束的指向形成是通過波控系統控制射頻通道的相位來實現。波控系統接收中心計算機傳輸的方位信息來實現每個射頻單元的移相量的計算和配相。波控系統控制框圖如圖1所示。

2 整體設計

整個分布式波控系統由多塊波控板組成，通過CAN總線把多塊波控板與中心計算機連接在一起。中心計算機通過CAN總線發送方位信息，接收到信息后通過高性能ARM芯片計算射頻通道的相位信息，計算完數據后通過DMA的方式快速把數據傳輸給FPGA，再并行傳輸給每個射頻相位單元，快速形成天線指向波束。同時監控每個射頻通道工作的狀態信號打包后通過CAN總線上傳中心計算機。中心計算機更新天線陣面的工作狀態。分布式波控板的硬件電路如圖2所示。

3 硬件單元設計

3.1 計算單元

射頻通道的相位計算通過基于ARM內核的STM32F407 ZGT6C芯片，該芯片工作頻率可以達到168M，使用廣泛，接口齊全。支持FSMC并行總線方式、硬件乘法器、DMA數據傳輸、串行通信支持CAN接口滿足了本設計要求。

3.2 通信單元

整個波控系統的組網通信采用CAN總線接口，ARM芯片自帶CAN控制器，接口芯片是選用AD公司的ADM3053，該接口芯片具有輸入輸出信號物理隔離功能，單節點出現故障不影響整個網絡工作，保證了系統的可靠性和穩定性。分布式波控的內部通信采用ARM芯片自帶的FSMC并行總線方式與SRAM、NOR FLASH、FPGA進行通信。

3.3 電源單元

一路外部輸入電源為+48V，主要為射頻功放芯片供電。該電源模塊選用VICOR公司的B048F080T24等比轉換模塊，輸出+8V電源提供給射頻功放供電。另一路選用Linear公司的LT1764AET電源芯片輸出+5V提供給射頻低噪聲放大器供電。同時轉換出+3.3V、+2.5V、+1.2V給控制電路供電。

3.4 狀態信息采集匯總與射頻通道送數單元

模塊選用Altera公司的大型可編程邏輯器件EP4CE22F17I7，可用I/O口為154個，數據存儲單元為608256bit，可編程邏輯單元為22320個，最高工作頻率200MHz左右。

4 軟件單元設計

分布式波控系統軟件包含兩部分，一部分是ARM軟件設計，另一部分是FPGA的軟件設計。

4.1 ARM軟件

ARM軟件開發是基于MDK-ARMKeilv4.72的開發環境。程序主要功能是對ARM芯片的初始化，包含I/O輸入輸出的設置、工作頻率的配置、CAN口初始化配置、FSMC總線初始化配置、DMA傳輸初始化配置等。初始化完后讀取NOR FLASH中的相位補償數據，然后循環等待CAN口是否接收到中心計算機下發的方位信息。接收信息后，ARM芯片進行相位的計算，計算完后打包發送給FPGA，同時讀取所有狀態信息上傳給中心計算機，接著等待下一包CAN數據，周而復始。ARM軟件流程框圖如圖3所示。

4.2 FPGA軟件

FPGA軟件開發是基于QuartusⅡ13.0的開發環境，程序的主要功能是接收ARM打包數據，對數據進行分解，按通信協議規定的數據格式發送給射頻移相通道，同時時時采集射頻通道的狀態信息打包回傳給ARM芯片。

5 結語

該分布式波控板已經完成調試，并安裝于某型號雷達的有源相控陣陣面上。項目已完成實物驗收，性能穩定可靠，滿足系統要求。

參考文獻

[1]（英）姚文祥.ARM Cortex-M3與Cortex-M4權威指南[M].清華大學出版社，2015.

[2]梅雪松，袁玉卓，曾凱峰.FPGA自學手冊-設計與驗證[M].北京航空航天大學出版社，2017.