y+i֫4v+-&5MGioi=]ݤ)"/v"http://www.gzzcxlzx.com/t/fangan/" target="_blank" class="keylink">方案设计
集中式的波束控制系统采用单个设备完成整个阵面的T/R组件的波束控制码计算，计算规模为M*N，当天线阵面中T/R组件规模较大时，实时性往往难以满足系统指标要求。本文提出一种基于Nios的分布式波束控制系统架构，如图2所示，由于采用N个波束控制分机来并行完成阵面T/R组件相位控制，每个分机的计算量为M，计算规模大大降低，实时性提供，系统指标更容易满足。由于使用分布式并行计算，原先由大容量FPGA+高性能DSP才能满足指标，现通过在中等容量FPGA中配置高性能可剪裁的NIOS II 软核CPU即可满足指标，节约成本，降低功耗。
每个波束控制分机由CAN总线接口单元，计算单元，配相单元，在线监测单元，在线配置单元5个功能模块构成。通过CAN总线接口单元解析控制中心的指令和数据；通过计算单元实现移相器相位码的计算和校验；通过在线监测单元完成列模块BIT信息采集和统计；通过在线配置单元，实现控制中心对每个波束控制分机的远程数据和程序维护。
各波控分机通过CAN总线与控制中心互联，上电后各分机通过读取板上的拨码开关数值，来进行初始化配置，保证各分机软硬件一致，却可以响应不同的CAN数据和指令。根据控制中心指令进入3个不同的工作模式：
在战斗模式下，计算单元根据的CAN接口单元接收到的方位信息，计算波控码，通过送数单元向对应的天线列模块发送配相数据，使波束指向预定的方位，在系统时序控制下，通过CAN总线，向控制中心回告BIT信息，完成阵面T/R组件，温度等信息的监测。
在维护模式下，通过接收CAN总线发送对应分机的数据，在线配置单元通过SPI总线，将数据写入FPGA的串行配置芯片中，完成数据和程序的远程加载和维护。
在测试模式下，根据控制中心的命令，计算单元产生的波控码可以单独控制每个T/R组件的开关状态，根据需要进行初始相位补偿、随机馈相、频率修正等，方便调试和维修。
4 硬件设计
FPGA采用Cyclone II系列的EP2C15，通过配置NIOS II软核来完成浮点运算，实现计算单元的功能。外围串行配置芯片采用EPCS16，FPGA配置程序外的剩余空间作为通用数据区，存储运算所需的数据，通过单片机中在线配置模块来读写。通过Quartus中SOPC Builder，可以快速的定制以32位Nios Ⅱ软核处理器为核心的嵌入式系统，模块框图如图3所示。基于NIOS II CPU的片上系统[3]主要包括EPCS控制器核用于通用存储区数据的访问，JTAG UART 核用于系统调试，Onchip Memory用于系统内存，PLL核用于系统时钟，定时器用于定时中断，PIO核用于并行数据的输入输出以及中断控制等模块组成。计算单元以NIOS II CPU为处理器，根据指令中的工作模式、波束指向、波束宽度和工作频率等参数，进行基本波束控制码计算、相位码修正以及波束控制码校验和拼合。为了提高实时性，有些浮点运算如三角函数采用查表操作，具体表格数据存储在通用存储区中，上电后读入Onchip Memory，提高了系统的实时性。
配相单元主要以FPGA为核心器件，通过数据PIO接口接收NIOS 处理器计算的波束控制码，将处理后的波束控制码以422差分形式向阵面激励器按列配送。
阵面监测与统计单元接收波束控制系统的自检数据和阵面监测网络的阵面监测数据，根据约定的统计规则对故障进行统计处理。然后通过约定总线接口将处理结果回告中心计算机；监测数据在每个任务周期都将实时回告中心计算机。
5 软件设计
本设计的软件开发工作分为两部分，基于NIOS软核上的应用软件开发，采用C语言进行设计，软件流程框图如图4所示；基于FPGA[4]的其他功能单元的驱动开发，采用硬件描述语言进行设计。虽然分布式的波束控制系统设备量大，但是降低了运算规模，提高了实时性和开发效率。
6 结束语
采用分布式计算解决了大规模天线阵面配相计算量大，实时性要求难以满足的问题；针对分布式系统引入的设备量增加，调试和维护工作量大的问题，通过在线配置模块，可以在远程方便地维护数据和程序；本设计还具有体积小、集成度高、低功耗等特点。
参考文献：
[1] 林桂道. 现代相控阵系统的波束控制设计分析[J]. 舰船科学技术，2007，29（3） ：76-78.
[2] 张光义， 赵玉洁. 相控阵雷达技术[M]. 北京： 电子工业出版社， 2006.
[3] 李兰英. Nios II 嵌入式软核SOPC设计原理及应用[M]. 北京： 北京航空航天大学出版社， 2006.
[4] Altera Corporattion[Z]. Cyclone II Device Handbook， 2005.
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