基于VxWorks的多阵面雷达控制系统的设计和实现

袁 志，王益民

(南京电子技术研究所， 南京210039)

0 引言

大型远程警戒雷达天线由四个天线阵面组成(以下用A、B、C和D分别代表四个阵面的阵面号)，每个阵面的水平扫描范围为90°，通过不同阵面的顺序切换，实现360°的全方位水平扫描［1-2］，雷达控制系统只有一套控制和定时，四个阵面采用统一控制的方式，不能同时控制多个阵面实现多阵面同时工作，只能完成单一的环扫方式。

随着雷达技术的不断发展，新型雷达天线阵面采用了数字阵设计，数字阵具有高信杂比、快速自适应零点控制和更有效的时间、能量管理等优点。采用新体制对雷达各系统也提出了新的研制需求，其中数字阵控制系统最主要的要求是能够对每个阵面独立控制，可以让多个阵面独立工作或者某几个阵面同时工作，实现灵活的扫描方式。独立工作指控制单一阵面工作或者控制多阵面轮流工作(即实现多阵面环扫的功能)，这种方式同一时间段内只有一个阵面在工作。同时工作指的是任意两个或两个以上阵面同时对外发射或接收信号，这要求每个阵面拥有独立的定时和控制信号，且相互之间不影响，能够形成独立的收发波束，完成雷达不同的功能。另外，同时工作对系统的时序、中断响应、系统控制等提出新的要求，本文阐述了雷达控制系统的设计方法以及关键技术的实现。

1 系统硬件组成

雷达控制系统对雷达系统多阵面工作进行控制调度，包括接收雷达任务计算机的指令，实现对雷达工作参数到天线阵面和其他系统的传输及对频率源工作的控制。控制定时器产生雷达所需各种时序，传输给频率源和天线阵面等雷达其他系统。雷达控制系统包括主控器、同步传输模块、接口控制模块、定时器A、定时器B、定时器C和定时器D，四块定时器模块对应四个阵面，系统硬件框图如图1所示。

图1 雷达控制系统组成

其中，主控器为VME总线的嵌入式计算机，用来完成和上层任务计算机的网络通信，向系统内其他模块发送VME命令;同步传输板、接口控制板、四块定时器都采用FPGA为核心设计，同步传输板主要从VME总线接收主控器命令，通过FPGA的ROCKETIO高速串行模块打包发送四个阵面的系统控制包信息［3-4］，传送给天线阵面。接口控制板接收VME命令并产生频率源所需的各种控制信息，通过快速总线传输给频率源，完成对频率源的控制;四块定时器主要从VME总线接收工作模式信息，分别产生对应四个阵面所需的系统定时信号，在工作周期结束时产生VME中断信号反馈给雷达主控器，主控器收到中断信号后触发中断服务任务运行，再发送下一次的VME命令，从而保证控制系统循环有序地执行。

2 系统软件组成

2.1 VxWorks操作系统的特点

雷达控制软件驻留在雷达控制系统的计算机上，主要功能包括:(1)上层任务计算机的网络通信;(2)对网络信息进行判断，放入不同的消息队列;(3)产生各模块所需的控制参数;(4)响应定时器的VME硬件中断，通过VME总线向各模块发送工作模式命令。具体功能如图2所示。

图2 雷达控制单元功能图

其工作流程是基于VxWorks实时操作系统的中断服务任务和VME总线的多中断为核心来实现［5-7］。VxWorks具有较好的兼容性和可移植性，具体特点有以下五点［8-10］:

(1)实时性强:最大响应时间≤10 μs。

(2)高效的任务管理:管理任务数目不限，具有256个优先级，采用基于优先级的抢占式调度策略，同时也提供了轮转调度算法。

(3)快速灵活的任务间通信:任务间通信手段灵活，有信号量、管道、消息队列、信号、网络套接字和共享内存等。

(4)高效的中断和异常事件处理:中断服务程序在特定的空间运行，不同于其他任何任务，因此中断处理没有任务的上下文切换。

(5)VxWorks网络能与许多运行其他协议的网络进行通信，如 TCP/IP、4.3BSD、NFS、UDP、SNMP、FTP 等。

2.2 多阵面控制系统设计

单阵面工作是多阵面工作方式的基础，实际工作中主要是多阵面同时工作，多阵面轮流工作的方式。这也使得系统的复杂度提高，新型数字阵雷达控制系统的特点如下三点:

(1)数字阵需要多阵面同时工作，所以存在四个独立中断服务任务，区别于以往的一个中断服务任务。

(2)数字阵系统有四块定时器，并且四块定时器工作模式、脉冲个数、周期、脉宽等受控参数也不一定相同，有四个VME中断;而以往多阵面共用一块定时器，并且每个阵面定时信号相同，只有一个VME定时中断。

(3)数字阵系统中不仅有阵面号控制射频信号的开关，四个阵面定时和控制信号也是独立的;而以往阵面切换仅仅靠阵面号去控制射频信号的开关。

下面将具体介绍多阵面工作时雷达控制系统的运行。

2.2.1 单阵面工作

单阵面工作时只有一个中断服务任务执行，可以看作多阵面轮流工作的一个特殊情况。工作流程如图3所示。

图3 单阵面工作流程图

单阵面工作是典型的中断服务处理任务，任务获取队列消息，等待中断触发信号到来后执行任务，任务完成再次获取队列消息，循环执行。以中断信号作为触发保证了上一个工作周期已经结束，然后立即转入下一工作周期任务。

2.2.2 多阵面轮流工作

多阵面轮流工作时，多个中断服务任务轮流运行，在同一时间内只有一个中断服务任务处理消息命令，消息命令的处理状态如图4所示。

工作中阵面不切换时，中断服务任务响应的中断信号就是对应定时器的中断信号。阵面切换时，中断服务任务响应的中断信号不是对应定时器的中断信号，而是上一个工作阵面定时器的中断信号。举例说明:在A阵面中断服务任务执行时，定时器A产生中断信号，从A阵面转到B阵面的时候，为了保证无缝连接，B阵面的中断服务任务执行第一个消息时的触发中断信号应该是A阵面定时器最后一个中断信号;以此类推，在每个阵面切换时都如此。具体在设计中不仅要知道当前消息的阵面号，还要知道上一个消息命令的阵面号，通过两个阵面号判断有没有变换阵面，在变换时就要做特别的判断处理了，否则只以本阵面定时器中断为触发条件。以B阵面为例，如图5所示。

图4 轮流工作消息状态图

图5 轮流工作流程图

由图5可以看出，通过存储的上一次执行的中断服务任务的阵面号和本次阵面号比较，得出阵面有没有变换，同时也看出这种方式不仅仅可以实现多阵面环扫，理论上四个阵面可以执行类似乱序的轮流工作方式。

2.2.3 多阵面同时工作

多阵面同时工作时，网络消息通过阵面号区别后放入不同的消息队列，每个中断服务任务各自执行。以下是A、B双阵面工作时中断服务任务处理消息命令的状态如图6所示。

在多阵面同时工作时，要区分每个定时器的VME中断信号，由于定时器共用同一优先级的中断信号，区分中断的方法只有通过中断向量来区分，设计中采用VME总线的 GAP，GA［0～4］信号作为中断向量，GAP，GA［0～4］信号是由模块在机箱物理插槽位置来决定的，这样就可以区分不同定时器中断信号。A、B双阵面同时工作时流程图如图7所示。

图6 同时工作消息状态图

图7 同时工作流程图

由图7可以看出多阵面同时工作时定时器中断信号只会转换为对应中断服务任务的触发信号。也就是有且仅有本阵面定时器中断能触发对应的中断服务任务。而工作模式的判别使多阵面的多个触发信号不再互斥，能够同时触发，满足同时工作的要求。

3 结束语

本文所阐述的多阵面雷达控制系统采用基于Vx-Works操作系统设计，利用了VxWorks操作系统的多任务工作特性，高效独立的中断处理能力，以及网络通信等功能，实现了雷达多阵面同时工作和多阵面轮流工作的方式，大大提高了雷达工作的多功能性和灵活性。目前该系统已经在某数字多阵面阵雷达上得到应用。

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