基于Zynq-7000片上系统的多通道移相控制器设计

黄 媛，赵 岩，胡岸勇，苗俊刚

(北京航空航天大学微波感知与安防应用北京市重点实验室，北京 100191)

0 引言

被动毫米波相控阵成像系统由于具有穿透力强，对人体无危害，对金属、液体、易爆品等危险物品具有较高灵敏度的特点[1]，而成为目前人体安检领域的重要应用技术。随着相控阵技术的发展，大规模阵列得到了日益广泛的应用，阵列天线单元数目的急剧增加使得移相器的数目也会增多，产生了移相控制部分尺寸大、功耗高、结构复杂的问题，因此降低移相器及其控制系统的尺寸和结构复杂度成为相控阵设计中的关键[2]。本文采用软硬件协同的方法设计了一种多通道移相控制器，通过在单硅基片中进行嵌入式设计，完成对子阵单元16路模拟移相器通道相位的同步调节，实现控制模块的小型化、简单化。

1 相控阵近场波束形成原理

作为一种电扫描阵列技术，相控阵是通过改变各单元的发射或接收信号的相位来达到控制整个阵面的波束合成的目的。当有一定倾角的波束到达天线阵时,若能使得各阵元间的相位差与到达信号的相位差相抵消,则天线阵接收来自该方向的辐射增益最大[3]。在相控阵系统中往往用移相器来实现对天线阵元的相位调节。

如图1所示，每一排有16个移相器通道，负责水平方向上的波束形成，波束扫描区域为图中梯形网格部分，以第8通道移相器为原点建立坐标系。以F点为例，在波束扫描平面与移相器组的纵向距离和移相通道间距已知时，可计算出F点到移相器各通道的距离L1，L2，…，L15，L16，根据相位差与波程差的关系公式：

(1)

式中：Δφ为相位差；ΔL为电磁波传播的路程差；λ为电磁波的波长。

图1 相控阵相位聚焦原理

因此，对于指定的区域，可以在上位机里提前计算出所有波束形成点对于每个移相器通道需要调节的相位值，将其换算成对应的控制电压后，再通过总线传输技术将相关命令和相位数据发送给移相器[4]，实现对移相器的实时控制，完成阵列对一定近场区域范围内的波束合成和波束扫描。

2 总体设计方案

在相控阵系统中，每个天线单元后面都接有移相器，对每个通道的相位调节均需要与上位机建立通信。对于大规模阵列，接口形式及数据传输协议的选择是至关重要的。在降低整体结构复杂度的条件下，采用以太网和TCP/IP协议进行移相控制器与上位机通信可以满足大规模阵列带来的多线程要求，充分发挥网络拓扑性强的特点，使各个单元都能够与上位机独立地建立连接，实现高速、稳定、可靠的数据传输。

Zynq-7000是一款基于ARM+FPGA架构的高集成度片上系统(system on chip，SOC)芯片。这种架构能够极大地降低物理尺寸，同时在其处理系统部分(processing system，PS)集成有以太网接口模块[5]，可以简化接口设计，方便与上位机通信。因此针对系统需求选用Zynq-7000作为平台进行移相控制器的设计。

整个相控阵移相控制系统的组成框图见图2。包括体感摄像头、上位机、Zynq-7000控制模块、数模转换模块、16路移相器以及电源模块。

图2 移相控制系统组成框图

针对成像系统需求，移相控制器按照图3所示的时序工作。在系统上电后首先通过上位机向Zynq-7000发送相位-电压数据和系统相关配置信息，移相控制器在接收后向上位机返回状态信息，等待开始信号Start，同时根据前端红外体感摄像头捕捉到的人体距离信息Distance结合配置信息开始对第一个指定波束进行16路通道的相位-电压数据配置并进行一级缓存，当触发信号Trigger到来后，加载信号DAC_load拉低，使当前缓存区的配置数据生效，数模转换模块将相位-电压配置数据转化为模拟电压信号输出给移相器，使其生效，此时即完成在第一个指定位置的波束形成，之后开始对下一位置按照相同方式进行工作，波束形成与电扫描通过触发信号和距离信息来控制，扫描模式则由上位机下传的配置信息决定。

图3 移相控制器工作时序

3 设计实现

3.1 硬件结构

硬件结构的主要组成见图4。以Zynq-7000为核心，数模转换芯片(digital to analog chip,DAC)AD5668是8通道输出的DAC芯片，PS端和可编程逻辑部分(programmable logic，PL)的串口UART是预留硬件引脚接口，JTAG用于设计开发阶段的调试和验证[6]。

图4 移相控制器硬件组成框图

3.1.1 Zynq-7000控制模块

3.1.1.1 PS通信部分

负责接收上位机发送的相位-电压网表数据和配置信息并将其存入PL端的块存储器(block RAM，BRAM)中[7]，同时将执行情况实时反馈给上位机,通过交互完成用户对相控阵波束扫描个数、波束停留时间、扫描方式等工作模式的灵活可控的调节。

3.1.1.2 PL电压控制部分

负责完成用户指定工作模式下对16路通道的同步电压配置与输出，其内部BRAM存储区说明见表1。

表1 存储区大小及物理地址分配

3.1.2 数模转换模块

数模转换模块由DAC芯片AD5668和参考电压芯片REF3012组成。电路原理图见图5。AD5668为5 V电压供电，V1至V8为8通道模拟电压输出，分别连接8个移相器芯片的电压控制端口；REF3012为3.3 V供电，为AD5668提供高精度的参考电压VREF，其值对应于AD5668能够输出的模拟电压最大值，为1.25 V。

图5 数模转换模块电路原理图

3.2 软件设计

3.2.1 PS端程序设计

为了方便用户空间与硬件交互,同时实现可靠的数据传输，在PS部分移植Linux操作系统[8]，采用“TCP/IP协议+Socket流式套接字”模式进行板卡与上位机的通信[9]。

基于C建立linux下的Socket服务器。程序流程如图6。在上电后，首先初始化IP地址和端口号，服务器处于侦听状态，等待上位机客户端的连接请求。在与上位机客户端建立网络连接后，开始接收由上位机下传的指令，根据不同的指令代码进行相应的操作，包括相位-电压数据传输、配置信息传输、反馈状态、复位、退出、断开连接等操作。当上位机请求断开连接时，服务器返回侦听状态，继续监听，等待下一次上位机客户端的连接[10]。

图6 PS端服务器程序流程图

3.2.2 PL端电压控制程序设计

根据移相控制器工作需求,当系统上电后，PL端需要周期性地从BRAM0中读取各个配置寄存器的值，不断刷新，获取当前系统需要的工作模式，起始扫描点位置等信息。在收到距离信息后开始对第一个移相器通道进行电压配置，每个通道的电压点配置数据为32位，格式见图7，其中数据位16位，地址位即通道号4位，在软件控制模式下其余位默认为0。

图7 DAC电压数据配置格式

由于在FPGA内的程序执行完全是按照时钟进行，因此对于AD5668严格正确的时序控制是保证每个移相器通道相位-电压数据配置正确的关键[11]。AD5668为SPI类型输入，其时序图见图8。在同步信号SYNC变为低电平后开始进行数据的串行输入DIN，当32位电压数据配置完成后SYNC拉高，完成对一个通道的数据配置，加载信号LOAD为软件加载信号，用于对DAC芯片8个输出通道的一级缓存电压数据进行同步输出，低电平有效。

图8 AD5668工作时序

在Vivado中基于verilog语言进行电压控制部分的设计开发[12]，DA控制模块的状态机如图9。在状态4时对单个通道进行相位-电压数据配置，需要32个DAC时钟周期；状态6的持续时间即是波束停留时间。在扫描模式下，通过是否改变距离信息可以实现对同一距离下的单幅循环成像或对不同距离下的连续成像。

图9 DA控制模块状态机描述

在这种设计方案中，每个波束的停留时间完全由相邻2个脉冲信号的时间间隔决定，而脉冲信号间隔是用户通过上位机进行设置产生，因此能够实现对一定区域范围内任意位置进行任意时间波束停留，实现灵活可调的电扫描，同时可以在不同工作模式需求下进行不同的状态机迁移，满足对单步成像、单幅成像、连续成像等不同成像方式的需求，方便今后对整个系统的校准与调试。

4 测试与验证

对移相控制器进行硬件测试与设计验证，在上位机一侧建立Windows下的TCP客户端，在VS2017环境下编写控制台程序，实现与PS端的网络连接与通信。

在完成相位-电压数据和成像相关配置信息的传输后，通过vivado自带的嵌入式逻辑分析仪ILA观测最终输出给DAC的电压控制信号。观测到的信号波形如图10。可以看到，随着BRAM地址bram_ab的不断增加，读取的数据bram_db也不断变化，将输出的串行电压数据DA_din与bram_db比较，可以看到对指定波束合成点的16通道移相器的控制电压数据配置正确，且满足DAC芯片的电压配置格式及读写时序要求，DA_load在2片DAC交替完成1次电压配置后拉低，使16路电压同步生效，输出给移相器进行相位的同步调节。

图10 最终输出的信号时序图

5 结论

本文基于Zynq-7000片上系统设计了一种可应用于大规模相控阵系统的多通道移相控制器，在TCP/IP网络环境下完成对16单元移相器通道的相位调节。整体硬件结构简单，控制方式灵活，可完成高效、稳定的数据传输与人机交互，有利于提高成像系统的灵活性和分辨率。采用模块化进行设计，同时预留多个接口，方便后期的快速改进与升级。