一种跟踪雷达通信接口的设计与实现

朱保安 何东越 劳丹涤 徐成前 张裕昕

摘要：在现代战争中，由精确制导雷达组成的防空武器系统发挥着至关重要的作用。近年来，我国研制的新型雷达装备日益复杂、先进。由于雷达系统的复杂性，其中各个系统之间通信的稳定性、准确性、实时性显得格外重要。本文针对某跟踪雷达信号处理与其他各个分系统之间的通信需求，提出了一种基于FPGA的多源数据通信接口设备的设计与实现，基于Quartus 15.1软件环境，采用Verilog HDL语言进行开发。通过实际验证测试，该通信接口模块能够准确、实时地完成数据传输。

关键词：雷达；通信；接口模块；Quartus；FPGA

中图分类号 TN919.3   文献标识码 A

文章编号：1009-3044（2024）08-0110-04

开放科学（资源服务）标识码（OSID）

0 引言

随着科技的发展，世界各国的武器装备也日益复杂。特别是作为“千里眼”的雷达，在整个武器系统中的地位不可言喻。工作时，其各个系统间的通信是否实时准确，显得格外重要。雷达作为一个复杂的系统，设备接口种类繁多，通信协议多样。接口多元化的通信技术占有越来越高的战略意义，也同样是整个雷达系统中的技术难点。针对现在通信接口繁杂的异构网络，设计出能够实现多源信息汇聚融合的系统显得十分重要，使得在只增加终端设备，少量或不增加接口转换设备的情况下依然能够实现数据通信的目的，可以极大地简化异构网络的复杂关系，提高通信平台的可靠性和运行效率。

随着数字化、信息化以及计算机技术的发展，数字集成电路的应用越来越广泛。FPGA 即复杂组合逻辑和时序逻辑的现场可编程逻辑门阵列具有可反复编程的特点，适合运用于多源通信接口的设计。

本文根据某跟踪雷达的实际通信需求，设计出基于FPGA 的雷达信号处理与其他分系统之间可以进行数据交换并且实现系统可多次编程修改，便于增加、修改或剪切各类接口和协议的通信接口[1]。

1 系统总体设计

1.1 总体设计

通信接口模块是专为实现某跟踪制导雷达的接口扩展而研制开发的，最终固化在主控接口插件上的CYCLONE IV所属EPCS128中。通信接口模块扩展串口、并口、CAN总线和PCI总线接口。它通过PCI总线或者PCIe总线和资源调度软件通信，扩展串口和数据处理进行数据交换，扩展串口和伺服系统进行数据交换，扩展并口和时序控制进行数据交换，扩展CAN总线接口和接收频综、波控机和天线电源进行数据交换，如图1所示。

1.2 功能设计

接口通信模块通过PCI总线接口将数据处理计算机的雷达控制命令通过CAN总线接口和RS422接口发送至雷达各分系统，并接收各分系统通过CAN总线接口和RS422接口发送的回告信息，进行数据转换后通过PCI总线发送至板内的数据处理计算机。并能够将雷达控制命令和数据通过驱动选择电路（CPLD1～3） 传送给处理组合内其他插件；通过驱动选择电路（CPLD1～3） 接收信号处理插件数据，并通过PCI总线发送至板内的数据处理计算机[2]。

2 模块设计与实现

2.1 软件设计

通信接口软件包括时钟管理模块、PCI总线模块、数据处理报文收发模块、伺服控制报文收发模块、CAN、报文收发模块和时序报文收发模块。软件中各模块的信息流和控制流图如2所示。

2.1.1 时钟管理模块

外部分别输入40MHz和33MHz的时钟，时钟管理模块通过2个PLL将时钟进行分频，一个PLL将40MHz分频成16MHz和8MHz时钟。另外一个PLL将33MHz分频成33MHz和66MHz。8M作为并行总线数据时钟。33MHz和66MHz 是提供给PCI模块。16MHz是主时钟，它经过全局网络进入所有功能模块。时钟管理模块主要负责产生标准时钟，全局时钟网络控制器负责设计16MHz的时钟到达所有功能模块的路径相同，从而使时钟到达各个模块的延时一致。

具体时钟产生如图3所示。

2.1.2 PCI总线模块

该模块实现PCI总线的部分功能，包含PCI配置空间寄存器的初始PCI总线IO方式的数据传输和PCI中断触发功能。主要用作资源调度与数据处理、时序控制、伺服控制和记录回放进行数据交换。其中与数据处理的报文包含人工干预命令、跟踪目标参数报文、集能参数报文。与时序控制主要是收发调度报文和命令报文。与伺服控制的命令报文交换[3]。

模块结构图如图4所示。

中断产生单元主要监测与PCI模块连接的各个分系统。当某个分系统需要进行数据写操作时，会将中断信号置高电平。此時，本单元会将对应的中断状态寄存器置位，并产生中断。随后的IO方式数据读写单元会根据对应的状态寄存器内容判断哪个分系统发起了数据写操作。

PCI初始化配置单元存储了所有PCI从设备的初始化信息，包括厂商代码、设备ID、设备类型、版本号以及中断号等。在系统上电后，它负责向PCI主机端提供本目标机的初始化信息，并向系统申请内存空间和中断号，然后将这些数据传送给数据读写单元。

IO方式数据读写单元主要利用PCI总线协议的IO读写方式完成数据的传输。当本单元监测到分系统的写数据请求后，随后读取状态寄存器的数据来获取模块信息，并产生PCI总线中断到资源调度。资源调度根据该寄存器信息读取对应设备的数据。本单元收到数据读取命令后会将对应模块的读请求信号置高电平，然后立即将对应的32位数据准备到其输出总线上。

2.1.3 数据处理报文收发模块

数据处理报文收发单元的结构如图5所示。

RM报文接收单元负责接收从资源调度发送的报文数据。当本单元监测到DP_wrreq信号的高电平时，立即读取dpdata_pci上的数据，并存储到寄存器中。当寄存器的报文长度达到26个字节时，则进入数据发送单元，将数据发送到数据处理软件。

DP报文接收单元负责接收从数据处理发送的报文数据。当本单元监测到DP2rm_wrreq信号的高电平时，立即读取dp2rm_data上的数据，并存储到寄存器中。当寄存器的报文长度达到44个字节时，则进入数据发送单元，将数据发送到资源调度软件。

2.1.4 伺服控制报文收发模块

本模块主要是接收资源调度软件发送的人工干预报文，并将报文通过串口转发到伺服控制软件。同时，它也接收伺服控制软件发送的人工干预回告报文，并通过PCI模块将报文转发给资源调度软件。

SV报文接收单元负责接收从伺服控制发送的报文数据。当串口模块接收到总线上的信号时，开始读取数据，并存储到寄存器中。当寄存器的报文长度达到14个字节时，则进入数据转换单元，将数据发送到资源调度软件。

RM报文接收单元负责接收从资源调度发送的报文数据，当本单元监测到SV_wrreq信号的高电平，立即读取SVdata_PCI上的数据，并存储到寄存器中，当寄存器的报文长度达到11个字节时，则进入数据发送单元，通过串口发送数据到伺服控制软件[4]。

2.1.5 CAN报文收发模块

本模块主要是接收资源调度软件发送的调度报文、人工干预报文，并将报文转发到CAN总线上。然后，各个节点根据CAN节点ID来判断当前总线上的报文是否属于本节点，解析读取总线上的报文。同时，它也接收CAN总线上各个节点发送的人工干预回告报文，并通过PCI模块将报文转发给资源调度软件。

CAN报文收发单元的结构如图7所示。

CAN报文接收单元负责接收从CAN总线上发送的报文数据。当CAN模块接收到总线上的信号时，开始读取数据，并存储到寄存器中。当寄存器的报文长度达到10个字节时，则进入数据转换单元，将数据发送到资源调度软件。

RM报文接收单元负责接收从资源调度发送的报文数据，当本单元监测到CAN_wrreq信号的高电平时，立即读取CANdata_PCI上的数据，并存储到寄存器中。当寄存器的报文长度达到1*（M+1）个字节时（M为总波位数量），则进入数据发送单元，通过CAN总线发送数据到接收机、波控机、天线电源或者水冷设备 [5]。

2.1.6 时序控制报文收发模块

本模块主要是接收资源调度软件发送的调度报文、人工干预报文和幅相校正系数报文，并通过并口转发到时序控制软件。同时，它也接收时序控制软件发送的人工干预回告报文、幅相校正系数报文和干扰侦查报文，并通过PCI模块将报文转发给资源调度软件。

时序控制报文收发单元的结构如图8所示。

RM报文接收单元负责接收从资源调度发送的报文数据。当本单元监测到DP_wrreq信号的高电平时，立即读取dpdata_pci上的数据，并存储到寄存器中。根据报文的类型确定报文长度。当寄存器的报文长度达到报文长度后，则进入数据发送单元，将数据发送到时序控制软件。

TIME报文接收单元负责接收从时序控制发送的报文数据。当本单元监测到DSP2rm_wrreq信号的高电平时，立即读取dsp2rm_data上的数据，并存储到寄存器中。根据报文的类型确定报文长度。当寄存器的报文长度达到报文长度后，则进入数据发送单元，将数据发送到资源调度软件。

2.2 硬件实现

通信接口模块位于某跟踪制导雷达处理组合数据处理插件通用主控制板上，软件固化在时序控制插件上的CYCLONE IV所属EPCS128中。相关的硬件环境如图9所示[6]。

3 结束语

本文根据某跟踪雷达的实际通信需求，设计出基于FPGA 的雷达信号处理与其他分系统之间的通信接口。该模块采用成熟的RS422通信、PCI通信及CAN通信技术。软件设计结构简单，程序层次结构分明，各分程序之间、模块之间和程序单元之间的依赖关系减低到最低限度，并且程序自身具有自诊断能力。

经实际验证，该模塊数据传输准确稳定，在整个雷达系统通信过程中起到了非常重要的作用。

参考文献：

[1] 宋奋韬，王梦莹，付志远.FPGA 发展概论[J].机械与电子，2012（23）：145-146.

[2] 曹辉，刘波，姜秀杰.基于USB与FPGA的多路总线通信接口的设计与实现[J].导弹与航天运载技术，2009（4）：18-22.

[3] 斗海峰，黄今慧.基于FPGA 的多源通信接口的设计与实现器件与设计[J].电视技术，2018（12）：45-47.

[4] 冒劼.FPGA器件USB接口扩展方法[J].桂林电子科技大学学报，2008，28（1）：14-17.

[5] 郝磊.基于Agilent系列芯片的红外通讯接口电路设计[J].国外电子元器件，2008（1）：29-32.

[6] 杨海钢.FGPA器件设计技术发展综述[J].电子与信息学报，2010（3）：714-727.

【通联编辑：梁书】