一种相控阵系统远程升级方法

高群福，孙维新

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄050081； 2.中国人民解放军63790部队，四川 西昌 615000)

一种相控阵系统远程升级方法

高群福1，孙维新2

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄050081； 2.中国人民解放军63790部队，四川 西昌 615000)

为解决超大规模相控阵收发组件程序升级困难和维护升级繁琐的问题，提出了一种自主远程升级方法。对于已经部署的相控阵系统，利用现有硬件设备、网络架构，设计了一套程序远程自主烧录、自主切换机制，通过远程计算机利用网络接口，可以在几分钟内完成对数千个收发组件的程序升级。应用测试结果表明，与人工升级方法相比，远程升级方法效率高，成本低，安全可靠。

远程更新；CRC校验；软核；相控阵

0 引言

目前超大规模相控阵系统天线数量以数万计，数字波束形成体制被广泛使用，现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)作为数据处理核心部件，广泛应用到收发组件中，数量以千计，数量庞大[1-2]。系统部署后，在初期调试阶段，不可避免地需要升级收发组件的程序，采用人工升级的方式，升级分布在空间广大且数量众多的收发组件，需要几周甚至更长时间，耗费了大量人力，增加了系统调试时间。对于共形相控阵[3-4]，组件的安装高度、位置是人工升级时必须考虑的安全因素。

远程升级技术通过在FPGA内部构建程序文件接收、程序主动引导机制，在不增加新设备、不改动现有硬件的基础上，实现自主升级。通过创新的程序引导机制、容错机制，保证远程升级的快速、可靠。

1 方案设计

设备组成如图1所示。将需要升级的组件程序存放在控制中心的计算机上，计算机通过以太网至485网络将程序远程发送到组件[5-6]，组件接收升级文件，存储到本地指定空间。

组件复位后，扫描最新的升级程序并开始运行，也可以接收控制中心指令，从指定程序空间启动。

图1 设备组成

2 关键技术

2.1 远程更新原理

计算机将程序文件通过网络发送到组件，组件完成数据校验后写入到本地存储器中，程序文件传送完成后进入程序切换过程，程序切换过程的状态转换入如图2所示。

图2 远程更新状态转换

FPGA上电复位后，总是从地址0的位置开始启动[7]，该位置存放了组件的主引导程序启动，主引导程序启动后，开始在指定位置扫描是否由最新的应用程序配置，如果发现有新应用程序，则启动应用程序，如果没有新应用程序则一直在主引导程序下运行。

主引导程序启动应用程序时，如果发生错误则返回主引导程序，主引导程序、应用程序之间可以任意切换。主引导程序不会被更新，应用程序可以被更新，应用程序启动或运行时发生任何错误都会退回到主引导程序[8-9]。

2.2 程序文件存储

组件程序文件存储在串行FLASH芯片中，主引导程序存放在起始地址为0的空间内，应用程序存储在后续的空间中。如图3所示。

图3 程序文件存储

主引导程序为组件首次烧录的程序，该程序不会被远程更新重写，应用程序1和应用程序2可以被远程更新。

为了保证远程更新程序的正确与可靠，在数据传输过程中加入CRC校验[10]，并将校验结果写入到应用程序的开头部分，在程序跳转之前，首先检查程序文件的校验结果是否正确。

2.3 程序文件组帧与校验

FPGA程序包含FPGA硬件部分和NiosII CPU软件两个部分[11-12]，分别对应硬件配置(SOF文件)和软件配置(ELF文件)，为了便于计算机远程更新，将这两个文件整合为一个文件。

FPGA加载程序时，默认的加载顺序总是先从硬件配置(SOF)开始加载[13]，然后在紧挨着硬件配置的后面开始加载软件配置(ELF)，因此一个完整应用程序排列格式如表1所示。

表1 编程帧结构

名称长度/Byte说明帧头2帧头标识1帧类型标识长度2帧长度起始地址4编程文件起始地址数据256编程文件CRC校验2CRC校验

QuartusII软件生成的硬件SOF文件，NiosII IDE生成NiosII CPU运行的软件文件ELF，首先将这两个文件转换为十六进制数据文件，并最终生成一个数据文件。为了保证数据可靠传输，在数据文件中加入了CRC校验信息。

2.4 接收缓冲逻辑

远程升级文件传输时，总线上的数据量比较大，本地需要进行CRC校验，比较耗时。为了实现最大的数据传输速率，本地使用FPGA逻辑实现具有512字节的接收缓冲FIFO的UART接收逻辑[14]，接收到一个完整数据帧后，NiosII CPU从接收缓冲中读取数据，进行CRC校验，并将校验成功的数据写入到指定存储地址的存储空间中，同时标记该数据帧已经被正确接收。

3 工程实现

3.1 硬件平台

在基于Altera公司FPGA-EP4CGX22的硬件平台上，进行远程更新系统验证。在FPGA内部构建了基于NiosII CPU软核控制架构，通过高性能总线互联各个模块[15-16]，如图4所示。

图4 硬件架构

在QuartusII软件中使用Qsys设计工具定制CPU和外设，所需的外设包括片上RAM、EPCS FLASH控制器、UART控制器、远程升级(RSU)控制器、SPI控制器等，同时还有自定义的外部设备，用于系统控制。

实例化CPU和所有外设后，为外设分配地址、设置参数，之后编译生成整个系统。

3.2 软件流程

系统启动后，NiosII CPU软件在主循环中一直等待接收从串口发来的数据，接收到数据帧后，首先进行解析、校验，根据命令的类型采取不同的操作：远程更新程序数据文件按照指定地址直接写入到存储器中，远程更新启动命令则按指定的起始地址启动程序，一般的控制指令则直接执行。软件工作流程如图5所示。

图5 软件流程

3.3 测试结果

目前远程更新方法已经在一个超大规模相控阵系统中得到应用。实际测试表明，485网络波特率38 400 bps，FPGA升级文件大小为1 MB，采用广播方式，更新3 000个FPGA程序只需5 mins；而采用人工更新的方式，2个人配合工作，需要半个月的时间才能更新完成，大部分时间都浪费在挪动设备、线缆上了。测试结果如表2所示。

表2 测试结果对比

升级方式耗时成功率远程升级5min100%人工升级15天/2人100%

4 结束语

远程升级技术可以在几分钟内快速部署、升级应用程序，极大地方便了系统调试、维护。远程更新技术也可以在后续升级为从控制中心向测控站直接更新程序，而不必人工参与。

在安全性方面，有些大规模共形相控阵结构奇特，安装高度大、部署空间广泛，系统升级、维护时的安全性也必须予以关注，采用远程更新技术无人参与，安全可靠。

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MethodofRemoteUpgradeonPhasedArraySystem

GAO Qun-fu,SUN Wei-xin

(1.The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China; 2.Unit 63790,PLA,Xichang Sichuan 615000,China)

In the very large-scale phased array system,the T/R program upgrade and the maintenance upgrade are very difficult.In order to solve these problems,this paper puts forward an independent remote upgrade method.For the existing phased array system,a program remote automatic burning and switching system is designed by utilizing existing hardware and network framework.Using remote computer and network interface,the program upgrade of thousands of T/R modules can be completed in several minutes.The test results show that the remote upgrade method has such characteristics as high efficiency,low cost,high reliability and high security compared with man-made upgrade method.

remote update;CRC;soft CPU;phased array

TTN911

A

1003-3114(2017)06-77-4

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.06.19

高群福，孙维新.一种相控阵系统远程升级方法[J].无线电通信技术,2017,43(6):77-80.

[GAO Qunfu,SUN Weixin.Method of Remote Upgrade on Phased Array System[J].Radio Communications Technology,2017,43(6):77-80.]

2017-06-20

高群福(1986—)，男，硕士，工程师,主要研究方向：航天测控、阵列信号处理。孙维新(1982—)，男，工程师，主要研究方向：航天测控、系统运行管理。