黃 媛，趙 巖，胡岸勇，苗俊剛

(北京航空航天大學(xué)微波感知與安防應(yīng)用北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100191)

0 引言

被動(dòng)毫米波相控陣成像系統(tǒng)由于具有穿透力強(qiáng)，對(duì)人體無(wú)危害，對(duì)金屬、液體、易爆品等危險(xiǎn)物品具有較高靈敏度的特點(diǎn)[1]，而成為目前人體安檢領(lǐng)域的重要應(yīng)用技術(shù)。隨著相控陣技術(shù)的發(fā)展，大規(guī)模陣列得到了日益廣泛的應(yīng)用，陣列天線單元數(shù)目的急劇增加使得移相器的數(shù)目也會(huì)增多，產(chǎn)生了移相控制部分尺寸大、功耗高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問(wèn)題，因此降低移相器及其控制系統(tǒng)的尺寸和結(jié)構(gòu)復(fù)雜度成為相控陣設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵[2]。本文采用軟硬件協(xié)同的方法設(shè)計(jì)了一種多通道移相控制器，通過(guò)在單硅基片中進(jìn)行嵌入式設(shè)計(jì)，完成對(duì)子陣單元16路模擬移相器通道相位的同步調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)控制模塊的小型化、簡(jiǎn)單化。

1 相控陣近場(chǎng)波束形成原理

作為一種電掃描陣列技術(shù)，相控陣是通過(guò)改變各單元的發(fā)射或接收信號(hào)的相位來(lái)達(dá)到控制整個(gè)陣面的波束合成的目的。當(dāng)有一定傾角的波束到達(dá)天線陣時(shí),若能使得各陣元間的相位差與到達(dá)信號(hào)的相位差相抵消,則天線陣接收來(lái)自該方向的輻射增益最大[3]。在相控陣系統(tǒng)中往往用移相器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)天線陣元的相位調(diào)節(jié)。

如圖1所示，每一排有16個(gè)移相器通道，負(fù)責(zé)水平方向上的波束形成，波束掃描區(qū)域?yàn)閳D中梯形網(wǎng)格部分，以第8通道移相器為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系。以F點(diǎn)為例，在波束掃描平面與移相器組的縱向距離和移相通道間距已知時(shí)，可計(jì)算出F點(diǎn)到移相器各通道的距離L1，L2，…，L15，L16，根據(jù)相位差與波程差的關(guān)系公式：

(1)

式中：Δφ為相位差；ΔL為電磁波傳播的路程差；λ為電磁波的波長(zhǎng)。

圖1 相控陣相位聚焦原理

因此，對(duì)于指定的區(qū)域，可以在上位機(jī)里提前計(jì)算出所有波束形成點(diǎn)對(duì)于每個(gè)移相器通道需要調(diào)節(jié)的相位值，將其換算成對(duì)應(yīng)的控制電壓后，再通過(guò)總線傳輸技術(shù)將相關(guān)命令和相位數(shù)據(jù)發(fā)送給移相器[4]，實(shí)現(xiàn)對(duì)移相器的實(shí)時(shí)控制，完成陣列對(duì)一定近場(chǎng)區(qū)域范圍內(nèi)的波束合成和波束掃描。

2 總體設(shè)計(jì)方案

在相控陣系統(tǒng)中，每個(gè)天線單元后面都接有移相器，對(duì)每個(gè)通道的相位調(diào)節(jié)均需要與上位機(jī)建立通信。對(duì)于大規(guī)模陣列，接口形式及數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的選擇是至關(guān)重要的。在降低整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜度的條件下，采用以太網(wǎng)和TCP/IP協(xié)議進(jìn)行移相控制器與上位機(jī)通信可以滿足大規(guī)模陣列帶來(lái)的多線程要求，充分發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫詮?qiáng)的特點(diǎn)，使各個(gè)單元都能夠與上位機(jī)獨(dú)立地建立連接，實(shí)現(xiàn)高速、穩(wěn)定、可靠的數(shù)據(jù)傳輸。

Zynq-7000是一款基于ARM+FPGA架構(gòu)的高集成度片上系統(tǒng)(system on chip，SOC)芯片。這種架構(gòu)能夠極大地降低物理尺寸，同時(shí)在其處理系統(tǒng)部分(processing system，PS)集成有以太網(wǎng)接口模塊[5]，可以簡(jiǎn)化接口設(shè)計(jì)，方便與上位機(jī)通信。因此針對(duì)系統(tǒng)需求選用Zynq-7000作為平臺(tái)進(jìn)行移相控制器的設(shè)計(jì)。

整個(gè)相控陣移相控制系統(tǒng)的組成框圖見圖2。包括體感攝像頭、上位機(jī)、Zynq-7000控制模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、16路移相器以及電源模塊。

圖2 移相控制系統(tǒng)組成框圖

針對(duì)成像系統(tǒng)需求，移相控制器按照?qǐng)D3所示的時(shí)序工作。在系統(tǒng)上電后首先通過(guò)上位機(jī)向Zynq-7000發(fā)送相位-電壓數(shù)據(jù)和系統(tǒng)相關(guān)配置信息，移相控制器在接收后向上位機(jī)返回狀態(tài)信息，等待開始信號(hào)Start，同時(shí)根據(jù)前端紅外體感攝像頭捕捉到的人體距離信息Distance結(jié)合配置信息開始對(duì)第一個(gè)指定波束進(jìn)行16路通道的相位-電壓數(shù)據(jù)配置并進(jìn)行一級(jí)緩存，當(dāng)觸發(fā)信號(hào)Trigger到來(lái)后，加載信號(hào)DAC_load拉低，使當(dāng)前緩存區(qū)的配置數(shù)據(jù)生效，數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊將相位-電壓配置數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為模擬電壓信號(hào)輸出給移相器，使其生效，此時(shí)即完成在第一個(gè)指定位置的波束形成，之后開始對(duì)下一位置按照相同方式進(jìn)行工作，波束形成與電掃描通過(guò)觸發(fā)信號(hào)和距離信息來(lái)控制，掃描模式則由上位機(jī)下傳的配置信息決定。

圖3 移相控制器工作時(shí)序

3 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

3.1 硬件結(jié)構(gòu)

硬件結(jié)構(gòu)的主要組成見圖4。以Zynq-7000為核心，數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片(digital to analog chip,DAC)AD5668是8通道輸出的DAC芯片，PS端和可編程邏輯部分(programmable logic，PL)的串口UART是預(yù)留硬件引腳接口，JTAG用于設(shè)計(jì)開發(fā)階段的調(diào)試和驗(yàn)證[6]。

圖4 移相控制器硬件組成框圖

3.1.1 Zynq-7000控制模塊

3.1.1.1 PS通信部分

負(fù)責(zé)接收上位機(jī)發(fā)送的相位-電壓網(wǎng)表數(shù)據(jù)和配置信息并將其存入PL端的塊存儲(chǔ)器(block RAM，BRAM)中[7]，同時(shí)將執(zhí)行情況實(shí)時(shí)反饋給上位機(jī),通過(guò)交互完成用戶對(duì)相控陣波束掃描個(gè)數(shù)、波束停留時(shí)間、掃描方式等工作模式的靈活可控的調(diào)節(jié)。

3.1.1.2 PL電壓控制部分

負(fù)責(zé)完成用戶指定工作模式下對(duì)16路通道的同步電壓配置與輸出，其內(nèi)部BRAM存儲(chǔ)區(qū)說(shuō)明見表1。

表1 存儲(chǔ)區(qū)大小及物理地址分配

3.1.2 數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊

數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊由DAC芯片AD5668和參考電壓芯片REF3012組成。電路原理圖見圖5。AD5668為5 V電壓供電，V1至V8為8通道模擬電壓輸出，分別連接8個(gè)移相器芯片的電壓控制端口；REF3012為3.3 V供電，為AD5668提供高精度的參考電壓VREF，其值對(duì)應(yīng)于AD5668能夠輸出的模擬電壓最大值，為1.25 V。

圖5 數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊電路原理圖

3.2 軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 PS端程序設(shè)計(jì)

為了方便用戶空間與硬件交互,同時(shí)實(shí)現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳輸，在PS部分移植Linux操作系統(tǒng)[8]，采用“TCP/IP協(xié)議+Socket流式套接字”模式進(jìn)行板卡與上位機(jī)的通信[9]。

基于C建立linux下的Socket服務(wù)器。程序流程如圖6。在上電后，首先初始化IP地址和端口號(hào)，服務(wù)器處于偵聽狀態(tài)，等待上位機(jī)客戶端的連接請(qǐng)求。在與上位機(jī)客戶端建立網(wǎng)絡(luò)連接后，開始接收由上位機(jī)下傳的指令，根據(jù)不同的指令代碼進(jìn)行相應(yīng)的操作，包括相位-電壓數(shù)據(jù)傳輸、配置信息傳輸、反饋狀態(tài)、復(fù)位、退出、斷開連接等操作。當(dāng)上位機(jī)請(qǐng)求斷開連接時(shí)，服務(wù)器返回偵聽狀態(tài)，繼續(xù)監(jiān)聽，等待下一次上位機(jī)客戶端的連接[10]。

圖6 PS端服務(wù)器程序流程圖

3.2.2 PL端電壓控制程序設(shè)計(jì)

根據(jù)移相控制器工作需求,當(dāng)系統(tǒng)上電后，PL端需要周期性地從BRAM0中讀取各個(gè)配置寄存器的值，不斷刷新，獲取當(dāng)前系統(tǒng)需要的工作模式，起始掃描點(diǎn)位置等信息。在收到距離信息后開始對(duì)第一個(gè)移相器通道進(jìn)行電壓配置，每個(gè)通道的電壓點(diǎn)配置數(shù)據(jù)為32位，格式見圖7，其中數(shù)據(jù)位16位，地址位即通道號(hào)4位，在軟件控制模式下其余位默認(rèn)為0。

圖7 DAC電壓數(shù)據(jù)配置格式

由于在FPGA內(nèi)的程序執(zhí)行完全是按照時(shí)鐘進(jìn)行，因此對(duì)于AD5668嚴(yán)格正確的時(shí)序控制是保證每個(gè)移相器通道相位-電壓數(shù)據(jù)配置正確的關(guān)鍵[11]。AD5668為SPI類型輸入，其時(shí)序圖見圖8。在同步信號(hào)SYNC變?yōu)榈碗娖胶箝_始進(jìn)行數(shù)據(jù)的串行輸入DIN，當(dāng)32位電壓數(shù)據(jù)配置完成后SYNC拉高，完成對(duì)一個(gè)通道的數(shù)據(jù)配置，加載信號(hào)LOAD為軟件加載信號(hào)，用于對(duì)DAC芯片8個(gè)輸出通道的一級(jí)緩存電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行同步輸出，低電平有效。

圖8 AD5668工作時(shí)序

在Vivado中基于verilog語(yǔ)言進(jìn)行電壓控制部分的設(shè)計(jì)開發(fā)[12]，DA控制模塊的狀態(tài)機(jī)如圖9。在狀態(tài)4時(shí)對(duì)單個(gè)通道進(jìn)行相位-電壓數(shù)據(jù)配置，需要32個(gè)DAC時(shí)鐘周期；狀態(tài)6的持續(xù)時(shí)間即是波束停留時(shí)間。在掃描模式下，通過(guò)是否改變距離信息可以實(shí)現(xiàn)對(duì)同一距離下的單幅循環(huán)成像或?qū)Σ煌嚯x下的連續(xù)成像。

圖9 DA控制模塊狀態(tài)機(jī)描述

在這種設(shè)計(jì)方案中，每個(gè)波束的停留時(shí)間完全由相鄰2個(gè)脈沖信號(hào)的時(shí)間間隔決定，而脈沖信號(hào)間隔是用戶通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行設(shè)置產(chǎn)生，因此能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)一定區(qū)域范圍內(nèi)任意位置進(jìn)行任意時(shí)間波束停留，實(shí)現(xiàn)靈活可調(diào)的電掃描，同時(shí)可以在不同工作模式需求下進(jìn)行不同的狀態(tài)機(jī)遷移，滿足對(duì)單步成像、單幅成像、連續(xù)成像等不同成像方式的需求，方便今后對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的校準(zhǔn)與調(diào)試。

4 測(cè)試與驗(yàn)證

對(duì)移相控制器進(jìn)行硬件測(cè)試與設(shè)計(jì)驗(yàn)證，在上位機(jī)一側(cè)建立Windows下的TCP客戶端，在VS2017環(huán)境下編寫控制臺(tái)程序，實(shí)現(xiàn)與PS端的網(wǎng)絡(luò)連接與通信。

在完成相位-電壓數(shù)據(jù)和成像相關(guān)配置信息的傳輸后，通過(guò)vivado自帶的嵌入式邏輯分析儀ILA觀測(cè)最終輸出給DAC的電壓控制信號(hào)。觀測(cè)到的信號(hào)波形如圖10。可以看到，隨著BRAM地址bram_ab的不斷增加，讀取的數(shù)據(jù)bram_db也不斷變化，將輸出的串行電壓數(shù)據(jù)DA_din與bram_db比較，可以看到對(duì)指定波束合成點(diǎn)的16通道移相器的控制電壓數(shù)據(jù)配置正確，且滿足DAC芯片的電壓配置格式及讀寫時(shí)序要求，DA_load在2片DAC交替完成1次電壓配置后拉低，使16路電壓同步生效，輸出給移相器進(jìn)行相位的同步調(diào)節(jié)。

圖10 最終輸出的信號(hào)時(shí)序圖

5 結(jié)論

本文基于Zynq-7000片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種可應(yīng)用于大規(guī)模相控陣系統(tǒng)的多通道移相控制器，在TCP/IP網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下完成對(duì)16單元移相器通道的相位調(diào)節(jié)。整體硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方式靈活，可完成高效、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸與人機(jī)交互，有利于提高成像系統(tǒng)的靈活性和分辨率。采用模塊化進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)預(yù)留多個(gè)接口，方便后期的快速改進(jìn)與升級(jí)。