郭立俊

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所　合肥　230088)

0　引言

雷達(dá)任務(wù)管理是相控陣?yán)走_(dá)的重要組成部分，完成天線、發(fā)射、接收、信號(hào)處理等分系統(tǒng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、解析及處理任務(wù)，并對(duì)整機(jī)故障進(jìn)行分析、判斷和顯示，完成整機(jī)系統(tǒng)故障閉環(huán)和隔離。

目前機(jī)載雷達(dá)任務(wù)管理主要控制方案主要由工業(yè)控制領(lǐng)域中的PC-104計(jì)算機(jī)模塊和FPGA芯片構(gòu)成，計(jì)算機(jī)模塊是通過(guò)底板與主板(或者其他接口板)對(duì)接構(gòu)成的，在高振動(dòng)的環(huán)境下有接觸不良的隱患，無(wú)法滿足系統(tǒng)高可靠性要求[1]。同時(shí)SOPC技術(shù)逐漸成為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)，不僅具備了一般嵌入式系統(tǒng)高可靠性的優(yōu)點(diǎn)，而且絕大部分的功能設(shè)計(jì)都在一個(gè)芯片中完成，集成度高，穩(wěn)定性好，可以很好地滿足軍事設(shè)備的研制及批量生產(chǎn)要求。在各種產(chǎn)品應(yīng)用層面上，尤其航空產(chǎn)品對(duì)設(shè)備的體積和功耗要求越來(lái)越嚴(yán)格，降低設(shè)備的功耗等于直接延長(zhǎng)了設(shè)備有效作戰(zhàn)時(shí)間，意義重大。而當(dāng)前的PC104計(jì)算機(jī)模塊在體積和功耗雖有所改善，但具體應(yīng)用中要求增加很多外圍電路器件來(lái)完成相應(yīng)的模擬采集和接口通信等功能，多器件累計(jì)后單板功耗較大。同時(shí)，基于SOPC架構(gòu)設(shè)計(jì)是針對(duì)具體應(yīng)用的按需配置，遠(yuǎn)勝于基于通用處理器的設(shè)計(jì)，能更好地滿足具體工程對(duì)算法和接口的需求。

1　系統(tǒng)分析

1.1　雷達(dá)任務(wù)管理概述

SOPC是SOC技術(shù)和可編程技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，是一種特殊的嵌入式系統(tǒng)，可以由單個(gè)芯片完成整個(gè)系統(tǒng)的主要邏輯功能；其次它還是可編程系統(tǒng)，具有靈活的設(shè)計(jì)方式，可裁減、可擴(kuò)充、可升級(jí)等優(yōu)勢(shì)[2]。

基于SOPC的雷達(dá)任務(wù)管理系統(tǒng)具備高速高效運(yùn)算及完善的系統(tǒng)監(jiān)測(cè)，是NIOS系統(tǒng)、硬實(shí)時(shí)部分、邏輯電路構(gòu)成的一個(gè)組合體。其中系統(tǒng)主要完成天線、接收、信號(hào)處理、數(shù)據(jù)處理、伺服運(yùn)補(bǔ)、記錄儀及電源等正常工作控制及管理，同時(shí)與其他系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信及故障定位。具體任務(wù)主要有以下四個(gè)方面：一是控制功能：包括系統(tǒng)工作模式控制與參數(shù)設(shè)置；二是故障監(jiān)視：檢測(cè)全機(jī)各狀態(tài)點(diǎn)并進(jìn)行故障定位；三是通信功能：完成對(duì)記錄儀、伺服運(yùn)補(bǔ)、信號(hào)處理、數(shù)據(jù)處理、接收分系統(tǒng)及波控等分系統(tǒng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、解析及處理任務(wù)；四是整機(jī)時(shí)序：整機(jī)時(shí)序作為雷達(dá)任務(wù)工作的基準(zhǔn)。具體見(jiàn)接口框圖1所示。

全機(jī)Nios系統(tǒng)主頻采用外時(shí)鐘倍頻到80MHz，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)主要包括軟件和固件源代碼以及關(guān)鍵控制參數(shù)與故障狀態(tài)，總的存儲(chǔ)空間不超過(guò)150MB，整機(jī)硬件系統(tǒng)滿足該型機(jī)載雷達(dá)任務(wù)管理需求。

1.2　雷達(dá)任務(wù)管理硬件組成

雷達(dá)任務(wù)管理采用SOPC硬件平臺(tái)，具體原理框圖見(jiàn)圖2所示，主要由電源和時(shí)鐘模塊、串口模塊、并口模塊、Flash存儲(chǔ)器、Sdram內(nèi)存、FPGA配置芯片及底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)。操作員通過(guò)操作界面對(duì)各系統(tǒng)完成參數(shù)設(shè)置、工作模式選擇等功能，并實(shí)時(shí)顯示故障報(bào)警信息及工作狀態(tài)等[3]。

由圖2所示，原理框圖硬件模塊主要包括電源與時(shí)鐘、配置和存儲(chǔ)電路、串口模塊、并口模塊，主要工程如下：

1)電源與時(shí)鐘

電源類(lèi)型有5VDC、3.3VDC、2.5VDC、1.8VDC和1.2VDC，需要電源轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)來(lái)適配產(chǎn)生。電路系統(tǒng)有多處器件需要時(shí)鐘信號(hào)，保證良好的時(shí)鐘輸出，對(duì)主時(shí)鐘進(jìn)行鎖相處理。具體見(jiàn)圖3所示：

2)配置與存儲(chǔ)電路

配置與存儲(chǔ)電路主要提供軟硬件程序的內(nèi)存和存儲(chǔ)空間，內(nèi)存SDRAM采用型號(hào)為MT48LC32M16A2TG-75IT，存儲(chǔ)器Flash采用信號(hào)為SM29LV256M。

3)串口模塊

任務(wù)管理與其他系統(tǒng)通信采用異步422串口模式，在構(gòu)建處理器核時(shí)，添加UART模塊，根據(jù)外圍串行接口芯片調(diào)用相應(yīng)得IP核，編譯后形成帶有異步RS422串口的微處理器系統(tǒng)。

4)并口模塊

并口分為控制類(lèi)型和狀態(tài)采集，在構(gòu)建處理器核時(shí)，添加PIO模塊，根據(jù)外圍串行接口芯片調(diào)用相應(yīng)得IP核，編譯后形成帶有并口的微處理器系統(tǒng)。

控制執(zhí)行接口主要針對(duì)信號(hào)處理、接收等系統(tǒng)的狀態(tài)控制和系統(tǒng)模式切換，在進(jìn)行狀態(tài)控制時(shí)，為了最大限度地提高控制有效性和安全性，應(yīng)考慮硬件聯(lián)動(dòng)和軟件相關(guān)，發(fā)送控制命令前要全面檢查系統(tǒng)狀態(tài)，判斷是否允許當(dāng)前的操作，對(duì)于互斥的控制接口既要從硬件上互鎖，又要在軟件上予以禁止，盡量避免諸如因控制順序不合理或時(shí)序紊亂而導(dǎo)致的系統(tǒng)損壞。另外，為了提高控制可靠性，對(duì)每個(gè)控制位進(jìn)行回讀，判斷回讀與送出數(shù)值是否一致，如兩者一致則說(shuō)明控制有效，否則應(yīng)提示維修人員檢查故障。對(duì)于回饋信號(hào)，原則上約定高電平(+5V)為正常，低電平(0V)為故障，這樣可以有效避免由對(duì)方關(guān)閉電源帶來(lái)的故障誤判。

選用具有高集成度的器件及采用集成器件的高密度組裝技術(shù)，最大限度地減輕系統(tǒng)的重量；在結(jié)構(gòu)件選擇方面，為了降低系統(tǒng)的重量，可采用一體化設(shè)計(jì)方法，最大程度上減少連接的中間環(huán)節(jié)，如減少連接電纜、連接器、連接結(jié)構(gòu)件等寄生質(zhì)量，可以考慮采用高強(qiáng)度鋁合金材料、鈦合金材料以及碳纖維等輕質(zhì)材料。因?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)上有眾多繼電器、連接器、集成電路等，所以監(jiān)控分系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)的3U結(jié)構(gòu)，裸板重量在0.6kg左右，功耗為20W左右。

大規(guī)模集成電路，特別是大規(guī)?？删幊碳呻娐返某霈F(xiàn)使電路的設(shè)計(jì)更可靠、更靈活、更方便，它的顯著優(yōu)點(diǎn)就是可以方便地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的電路功能、減少設(shè)備量、降低功耗、提高可靠性等。

2　工程設(shè)計(jì)原理

SOPC系統(tǒng)硬件主要有處理器、內(nèi)存、存儲(chǔ)器、外圍電路組成?；赟OPC系統(tǒng)首先QuartusⅡ建立工程，使用SOPC Builder建立并生成一個(gè)硬件系統(tǒng)，加入定制電路后在QuartusⅡ工程中編譯生成的硬件系統(tǒng)并生成配置文件.sof，在NIOSⅡIDE中建立對(duì)應(yīng)硬件系統(tǒng)的用戶(hù)C/C++工程，編寫(xiě)用戶(hù)程序，編譯生成.elf可執(zhí)行文件，最后將配置文件和可執(zhí)行文件一并下載到FPGA進(jìn)行調(diào)試運(yùn)行[4]。

SOPC設(shè)計(jì)包包括以NIOSⅡ軟核處理器為核心的嵌入式系統(tǒng)的硬件配置、硬件設(shè)計(jì)、硬件仿真、IDE環(huán)境的軟件設(shè)計(jì)、軟件調(diào)試等[5]。根據(jù)系統(tǒng)功能需求分析應(yīng)該分為NIOS Ⅱ系統(tǒng)合邏輯電路部分，具體工程設(shè)計(jì)流程見(jiàn)圖4所示：

Nios系統(tǒng)主要完成系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)通信、人機(jī)交互、故障回饋等功能，同時(shí)，雷達(dá)任務(wù)管理還需要復(fù)雜的時(shí)序任務(wù)，這部分內(nèi)容只能由FPGA的邏輯電路完成[6]。

3　結(jié)束語(yǔ)

任務(wù)管理產(chǎn)生的對(duì)外接口主要有串口和并口。串口作用除了與上位機(jī)數(shù)據(jù)交互外，還要完成與信號(hào)處理、數(shù)據(jù)處理、接收、波束控制及伺服運(yùn)補(bǔ)等系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信[7]。并口作用主要用于狀態(tài)回饋及全機(jī)時(shí)序產(chǎn)生通道。

通過(guò)課題驗(yàn)證，完全能夠解決雷達(dá)任務(wù)管理功能，并具備體積小、功耗低、可裁減與可升級(jí)的特點(diǎn)[8]。然而，Nios系統(tǒng)不支持浮點(diǎn)運(yùn)算，在實(shí)時(shí)計(jì)算方面存在一定的缺陷，因此，需要在此系統(tǒng)中自定義專(zhuān)用的IP核，為雷達(dá)任務(wù)管理系統(tǒng)提供切實(shí)可行的方案，并在后續(xù)的產(chǎn)品中驗(yàn)證使用。

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