一种分布式的即插即用软硬件设计方案

荣 笑，王 培，刘晓磊

（中国电子科技集团公司 第五十四研究所，河北 石家庄 050081）

0 引 言

相控阵天线具备波束无惯性快速扫描、多波束独立可控、抗干扰能力强以及可靠性高等优点，在航天、雷达、卫星通信等领域应用广泛[1,2]。但相控阵天线同时存在结构复杂度高、软硬件设计技术要求高等问题，尤其当天线阵列规模较大、波束较多时，单一控制单元无法满足系统的复杂需求，需要多个控制单元协作完成系统功能。此时，如何对系统进行软硬件架构设计，以在满足系统复杂需求的同时使各功能单元合理互联且协作良好变得尤为重要。从系统应用需求角度出发，提出一种适用于大规模相控阵天线系统的分布式即插即用软硬件设计方案。

1 方案设计

1.1 问题分析

图1是目前被广泛使用的一种软硬件设计方案，采用的是微控制单元（Micro Control Unit，MCU）加现场可编程门阵列（Field-Programmable Gate Array，FPGA）的架构[3,4]。其中，FPGA1、FPGA2、……、FPGAn用于控制波束扫描，而MCU用于实现天线系统功能，MCU和波束控制单元之间通过FPGA进行串并转换。

从图1可以看出，该方案架构简单、易于实现，适用于小规模相控阵天线。但当天线阵列规模较大、系统功能较复杂时，该方案的缺点便突显出来。一是全部系统控制功能集中在一个单元内部，对该单元可靠性要求极高，随着系统功能复杂度提高，MCU软件设计复杂度也随之提高；二是方案中未考虑相控阵天线的多波束功能，仅能通过修改MCU软件来满足多波束使用需求，给软件设计带来了大量的重复工作；三是软硬件设计上没有模块化概念，随着系统需求变化，每个单元都需要重新设计，系统模块化程度低、复用率不高且调试难度大。

1.2 解决方案

针对上述问题，将系统功能重新划分，按照系统自上而下的设计思想将整个系统看作以下3个部分。

（1）天线系统。由于相控阵天线的本质是实现不同波束分别工作，因此整个相控阵天线系统需要一个波束调度单元来实现波束任务分发与调度工作。

（2）波束控制单元。按照系统波束需求进行划分，有几个波束即存在几个波束控制单元，波束控制单元用于实现分发给波束的全部任务。

（3）标准化子阵。按照天线单元数量进行划分，对子阵控制单元进行标准化设计，每个子阵支持固定上限的天线单元，使用时根据天线阵列规模进行选择拼接。

在此基础上，提出一种新的分布式软硬件设计方案，以系统包含2个不同频段的天线为例，设计架构如图2所示。

图2 新版软硬件设计方案

天线1有n个标准化子阵，支持2个波束独立工作，因此包含2个波束控制单元（1和2）；天线2有m个标准化子阵，支持2个波束独立工作，因此包含2个波束控制单元（3和4）。其中，标准化子阵通过高速串行通信接口与波束控制单元互联，波束控制单元再通过分布式总线与波束调度单元互联[5]。标准化子阵采用FPGA实现，波束控制单元和标准化子阵采用片上系统（System-on-a-Chip，SoC）芯片实现。相较于MCU，SoC芯片具备高速接口，具有高集成、低功耗的特点[6,7]。

1.3 单元功能

在新版方案中，各级单元具体功能如下文所述。

（1）波束调度单元。接收上级任务，将任务分发给各个波束控制单元，对各个波束执行的任务进行调度，并控制波束合成与分解。

（2）波束控制单元。接收系统的任务调度，将系统任务进行分解转化，最终得到波束扫描角度，通过高速通信接口下发给连接在该单元的标准化子阵。波束控制具备工作模式切换、故障检测、数据存储等功能。

（3）标准化子阵。实现波束扫描功能，每个子阵支持的天线单元上限、接收或发射、坐标位置以及初始幅相补偿值均可配置。

通过功能划分重新设计后，每个单元分工明确、功能独立，便于进行模块化设计。随着系统需求变化，仅需要通过增减相应单元或修改相应单元功能即可。如此一来，整个系统的功能分布在各个功能单元中，而非高度集中在某一个单元内部，系统可靠性大大提高[8]。此外，系统调试时也可先进行单元级调试，在互联后进行系统级调试，降低了调试工作的难度。

2 即插即用

2.1 概 述

在分布式系统设计中，即插即用是一种很重要的设计思想，即系统在运行过程中具备动态检测设备接入或撤出的能力，且可对接入设备进行配置，使其在系统中正常工作[9]。对于上述相控阵天线系统的设计方案，即插即用表现在：当标准化子阵上电连接波束控制单元后，波束控制单元可识别并对其进行初始配置；当标准化子阵断电或因故障与波束控制单元断开连接时，波束控制单元可识别并将撤出信息记录并上报。同理，波束调度单元对波束控制单元的接入和撤出也可动态识别并正确处理。引入即插即用思想，可使系统工作更加智能化。当部分单元发生故障时，系统可快速识别；当单元恢复工作时，系统可迅速恢复工作，而无需整个系统重新初始化，因此可靠性也更高。

在即插即用技术中，设备识别时需要关注信息配置方式[10]。本方案的设计原则是不因引入即插即用思想而增加标准化子阵设计的复杂度，因此将需要配置的信息放在波束控制单元的存储芯片中。波束控制单元根据标准化子阵的设备识别码，读取相应配置信息并对其进行初始配置。

2.2 建立过程

在上述设计方案中，波束控制单元相当于波束调度单元的即插即用设备，标准化子阵相当于波束控制单元的即插即用设备。本文以标准化子阵为例，给出即插即用设备上线与下线建立过程的详细步骤。

2.2.1 上线过程

（1）初始化子阵识别码，转入下一步；

（2）查询子阵登记信息，判断子阵是否已在线，若未登记说明子阵下线，转入下一步；

（3）发送心跳帧，用于判断子阵是否上线，若收到回报，说明子阵已上线，转入下一步；否则，转入第（5）步；

（4）对子阵进行上线登记，根据识别码从存储芯片中读取相应配置信息，并对其进行初始配置；

（5）变化子阵识别码，指向其他子阵，回到第（2）步。

2.2.2 撤 出

（1）初始化子阵识别码，转入下一步；

（2）查询子阵登记信息，判断子阵是否已在线，若已登记说明子阵在线，转入下一步；

（3）根据通信协议，发送心跳帧、查询帧或控制帧，判断子阵是否响应，若子阵超出规定时间未响应，说明子阵已下线，转入下一步；若子阵响应，说明子阵仍在线，转入第（5）步；

（4）删除子阵在线登记信息；

（5）变化子阵识别码，指向其他子阵，回到第（2）步。

3 结 论

本文针对大规模复杂相控阵系统提出了一种分布式的即插即用软硬件设计方案，该方案对系统中各个单元的功能进行了明确划分，模块化程度高。目前，该方案已在多个项目中得到应用。从应用结果看，该方案可移植程度高、兼容性好，降低了软硬件设计工作量，提高了系统可靠性，便于前期调试和后期维护。