分布式波控的设计与实现

顾国帅 杨徐路 王正之

摘要：大型有源相控阵雷达的天线阵面由几千或上万个射频收发通道组成，如何快速的实现天线波束快速的切换成为检验雷达性能的重要指标之一。

关键词：CAN总线；DMA传输；FSMC并行总线

中图分类号：TN958.92 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）05-0034-01

1 引言

天线波束扫描的快速性、灵活性是相控阵雷达的主要特点之一。而天线波束的指向形成是通过波控系统控制射频通道的相位来实现。波控系统接收中心计算机传输的方位信息来实现每个射频单元的移相量的计算和配相。波控系统控制框图如图1所示。

2 整体设计

整个分布式波控系统由多块波控板组成，通过CAN总线把多块波控板与中心计算机连接在一起。中心计算机通过CAN总线发送方位信息，接收到信息后通过高性能ARM芯片计算射频通道的相位信息，计算完数据后通过DMA的方式快速把数据传输给FPGA，再并行传输给每个射频相位单元，快速形成天线指向波束。同时监控每个射频通道工作的状态信号打包后通过CAN总线上传中心计算机。中心计算机更新天线阵面的工作状态。分布式波控板的硬件电路如图2所示。

3 硬件单元设计

3.1 计算单元

射频通道的相位计算通过基于ARM内核的STM32F407 ZGT6C芯片，该芯片工作频率可以达到168M，使用广泛，接口齐全。支持FSMC并行总线方式、硬件乘法器、DMA数据传输、串行通信支持CAN接口满足了本设计要求。

3.2 通信单元

整个波控系统的组网通信采用CAN总线接口，ARM芯片自带CAN控制器，接口芯片是选用AD公司的ADM3053，该接口芯片具有输入输出信号物理隔离功能，单节点出现故障不影响整个网络工作，保证了系统的可靠性和稳定性。分布式波控的内部通信采用ARM芯片自带的FSMC并行总线方式与SRAM、NOR FLASH、FPGA进行通信。

3.3 电源单元

一路外部输入电源为+48V，主要为射频功放芯片供电。该电源模块選用VICOR公司的B048F080T24等比转换模块，输出+8V电源提供给射频功放供电。另一路选用Linear公司的LT1764AET电源芯片输出+5V提供给射频低噪声放大器供电。同时转换出+3.3V、+2.5V、+1.2V给控制电路供电。

3.4 状态信息采集汇总与射频通道送数单元

模块选用Altera公司的大型可编程逻辑器件EP4CE22F17I7，可用I/O口为154个，数据存储单元为608256bit，可编程逻辑单元为22320个，最高工作频率200MHz左右。

4 软件单元设计

分布式波控系统软件包含两部分，一部分是ARM软件设计，另一部分是FPGA的软件设计。

4.1 ARM软件

ARM软件开发是基于MDK-ARMKeilv4.72的开发环境。程序主要功能是对ARM芯片的初始化，包含I/O输入输出的设置、工作频率的配置、CAN口初始化配置、FSMC总线初始化配置、DMA传输初始化配置等。初始化完后读取NOR FLASH中的相位补偿数据，然后循环等待CAN口是否接收到中心计算机下发的方位信息。接收信息后，ARM芯片进行相位的计算，计算完后打包发送给FPGA，同时读取所有状态信息上传给中心计算机，接着等待下一包CAN数据，周而复始。ARM软件流程框图如图3所示。

4.2 FPGA软件

FPGA软件开发是基于QuartusⅡ13.0的开发环境，程序的主要功能是接收ARM打包数据，对数据进行分解，按通信协议规定的数据格式发送给射频移相通道，同时时时采集射频通道的状态信息打包回传给ARM芯片。

5 结语

该分布式波控板已经完成调试，并安装于某型号雷达的有源相控阵阵面上。项目已完成实物验收，性能稳定可靠，满足系统要求。

参考文献

[1]（英）姚文祥.ARM Cortex-M3与Cortex-M4权威指南[M].清华大学出版社，2015.

[2]梅雪松，袁玉卓，曾凯峰.FPGA自学手册-设计与验证[M].北京航空航天大学出版社，2017.