朱保安 何東越 勞丹滌 徐成前 張?jiān)ｊ?/p>

摘要：在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，由精確制導(dǎo)雷達(dá)組成的防空武器系統(tǒng)發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。近年來，我國(guó)研制的新型雷達(dá)裝備日益復(fù)雜、先進(jìn)。由于雷達(dá)系統(tǒng)的復(fù)雜性，其中各個(gè)系統(tǒng)之間通信的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性顯得格外重要。本文針對(duì)某跟蹤雷達(dá)信號(hào)處理與其他各個(gè)分系統(tǒng)之間的通信需求，提出了一種基于FPGA的多源數(shù)據(jù)通信接口設(shè)備的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，基于Quartus 15.1軟件環(huán)境，采用Verilog HDL語(yǔ)言進(jìn)行開發(fā)。通過實(shí)際驗(yàn)證測(cè)試，該通信接口模塊能夠準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地完成數(shù)據(jù)傳輸。

關(guān)鍵詞：雷達(dá)；通信；接口模塊；Quartus；FPGA

中圖分類號(hào) TN919.3? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào)：1009-3044（2024）08-0110-04

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）

0 引言

隨著科技的發(fā)展，世界各國(guó)的武器裝備也日益復(fù)雜。特別是作為“千里眼”的雷達(dá)，在整個(gè)武器系統(tǒng)中的地位不可言喻。工作時(shí)，其各個(gè)系統(tǒng)間的通信是否實(shí)時(shí)準(zhǔn)確，顯得格外重要。雷達(dá)作為一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，設(shè)備接口種類繁多，通信協(xié)議多樣。接口多元化的通信技術(shù)占有越來越高的戰(zhàn)略意義，也同樣是整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)中的技術(shù)難點(diǎn)。針對(duì)現(xiàn)在通信接口繁雜的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)出能夠?qū)崿F(xiàn)多源信息匯聚融合的系統(tǒng)顯得十分重要，使得在只增加終端設(shè)備，少量或不增加接口轉(zhuǎn)換設(shè)備的情況下依然能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)通信的目的，可以極大地簡(jiǎn)化異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜關(guān)系，提高通信平臺(tái)的可靠性和運(yùn)行效率。

隨著數(shù)字化、信息化以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字集成電路的應(yīng)用越來越廣泛。FPGA 即復(fù)雜組合邏輯和時(shí)序邏輯的現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列具有可反復(fù)編程的特點(diǎn)，適合運(yùn)用于多源通信接口的設(shè)計(jì)。

本文根據(jù)某跟蹤雷達(dá)的實(shí)際通信需求，設(shè)計(jì)出基于FPGA 的雷達(dá)信號(hào)處理與其他分系統(tǒng)之間可以進(jìn)行數(shù)據(jù)交換并且實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)可多次編程修改，便于增加、修改或剪切各類接口和協(xié)議的通信接口[1]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)

通信接口模塊是專為實(shí)現(xiàn)某跟蹤制導(dǎo)雷達(dá)的接口擴(kuò)展而研制開發(fā)的，最終固化在主控接口插件上的CYCLONE IV所屬EPCS128中。通信接口模塊擴(kuò)展串口、并口、CAN總線和PCI總線接口。它通過PCI總線或者PCIe總線和資源調(diào)度軟件通信，擴(kuò)展串口和數(shù)據(jù)處理進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，擴(kuò)展串口和伺服系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，擴(kuò)展并口和時(shí)序控制進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，擴(kuò)展CAN總線接口和接收頻綜、波控機(jī)和天線電源進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，如圖1所示。

1.2 功能設(shè)計(jì)

接口通信模塊通過PCI總線接口將數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)的雷達(dá)控制命令通過CAN總線接口和RS422接口發(fā)送至雷達(dá)各分系統(tǒng)，并接收各分系統(tǒng)通過CAN總線接口和RS422接口發(fā)送的回告信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后通過PCI總線發(fā)送至板內(nèi)的數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)。并能夠?qū)⒗走_(dá)控制命令和數(shù)據(jù)通過驅(qū)動(dòng)選擇電路（CPLD1～3） 傳送給處理組合內(nèi)其他插件；通過驅(qū)動(dòng)選擇電路（CPLD1～3） 接收信號(hào)處理插件數(shù)據(jù)，并通過PCI總線發(fā)送至板內(nèi)的數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)[2]。

2 模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 軟件設(shè)計(jì)

通信接口軟件包括時(shí)鐘管理模塊、PCI總線模塊、數(shù)據(jù)處理報(bào)文收發(fā)模塊、伺服控制報(bào)文收發(fā)模塊、CAN、報(bào)文收發(fā)模塊和時(shí)序報(bào)文收發(fā)模塊。軟件中各模塊的信息流和控制流圖如2所示。

2.1.1 時(shí)鐘管理模塊

外部分別輸入40MHz和33MHz的時(shí)鐘，時(shí)鐘管理模塊通過2個(gè)PLL將時(shí)鐘進(jìn)行分頻，一個(gè)PLL將40MHz分頻成16MHz和8MHz時(shí)鐘。另外一個(gè)PLL將33MHz分頻成33MHz和66MHz。8M作為并行總線數(shù)據(jù)時(shí)鐘。33MHz和66MHz 是提供給PCI模塊。16MHz是主時(shí)鐘，它經(jīng)過全局網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入所有功能模塊。時(shí)鐘管理模塊主要負(fù)責(zé)產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘，全局時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)控制器負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)16MHz的時(shí)鐘到達(dá)所有功能模塊的路徑相同，從而使時(shí)鐘到達(dá)各個(gè)模塊的延時(shí)一致。

具體時(shí)鐘產(chǎn)生如圖3所示。

2.1.2 PCI總線模塊

該模塊實(shí)現(xiàn)PCI總線的部分功能，包含PCI配置空間寄存器的初始PCI總線IO方式的數(shù)據(jù)傳輸和PCI中斷觸發(fā)功能。主要用作資源調(diào)度與數(shù)據(jù)處理、時(shí)序控制、伺服控制和記錄回放進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。其中與數(shù)據(jù)處理的報(bào)文包含人工干預(yù)命令、跟蹤目標(biāo)參數(shù)報(bào)文、集能參數(shù)報(bào)文。與時(shí)序控制主要是收發(fā)調(diào)度報(bào)文和命令報(bào)文。與伺服控制的命令報(bào)文交換[3]。

模塊結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

中斷產(chǎn)生單元主要監(jiān)測(cè)與PCI模塊連接的各個(gè)分系統(tǒng)。當(dāng)某個(gè)分系統(tǒng)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)寫操作時(shí)，會(huì)將中斷信號(hào)置高電平。此時(shí)，本單元會(huì)將對(duì)應(yīng)的中斷狀態(tài)寄存器置位，并產(chǎn)生中斷。隨后的IO方式數(shù)據(jù)讀寫單元會(huì)根據(jù)對(duì)應(yīng)的狀態(tài)寄存器內(nèi)容判斷哪個(gè)分系統(tǒng)發(fā)起了數(shù)據(jù)寫操作。

PCI初始化配置單元存儲(chǔ)了所有PCI從設(shè)備的初始化信息，包括廠商代碼、設(shè)備ID、設(shè)備類型、版本號(hào)以及中斷號(hào)等。在系統(tǒng)上電后，它負(fù)責(zé)向PCI主機(jī)端提供本目標(biāo)機(jī)的初始化信息，并向系統(tǒng)申請(qǐng)內(nèi)存空間和中斷號(hào)，然后將這些數(shù)據(jù)傳送給數(shù)據(jù)讀寫單元。

IO方式數(shù)據(jù)讀寫單元主要利用PCI總線協(xié)議的IO讀寫方式完成數(shù)據(jù)的傳輸。當(dāng)本單元監(jiān)測(cè)到分系統(tǒng)的寫數(shù)據(jù)請(qǐng)求后，隨后讀取狀態(tài)寄存器的數(shù)據(jù)來獲取模塊信息，并產(chǎn)生PCI總線中斷到資源調(diào)度。資源調(diào)度根據(jù)該寄存器信息讀取對(duì)應(yīng)設(shè)備的數(shù)據(jù)。本單元收到數(shù)據(jù)讀取命令后會(huì)將對(duì)應(yīng)模塊的讀請(qǐng)求信號(hào)置高電平，然后立即將對(duì)應(yīng)的32位數(shù)據(jù)準(zhǔn)備到其輸出總線上。

2.1.3 數(shù)據(jù)處理報(bào)文收發(fā)模塊

數(shù)據(jù)處理報(bào)文收發(fā)單元的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

RM報(bào)文接收單元負(fù)責(zé)接收從資源調(diào)度發(fā)送的報(bào)文數(shù)據(jù)。當(dāng)本單元監(jiān)測(cè)到DP_wrreq信號(hào)的高電平時(shí)，立即讀取dpdata_pci上的數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)到寄存器中。當(dāng)寄存器的報(bào)文長(zhǎng)度達(dá)到26個(gè)字節(jié)時(shí)，則進(jìn)入數(shù)據(jù)發(fā)送單元，將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)處理軟件。

DP報(bào)文接收單元負(fù)責(zé)接收從數(shù)據(jù)處理發(fā)送的報(bào)文數(shù)據(jù)。當(dāng)本單元監(jiān)測(cè)到DP2rm_wrreq信號(hào)的高電平時(shí)，立即讀取dp2rm_data上的數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)到寄存器中。當(dāng)寄存器的報(bào)文長(zhǎng)度達(dá)到44個(gè)字節(jié)時(shí)，則進(jìn)入數(shù)據(jù)發(fā)送單元，將數(shù)據(jù)發(fā)送到資源調(diào)度軟件。

2.1.4 伺服控制報(bào)文收發(fā)模塊

本模塊主要是接收資源調(diào)度軟件發(fā)送的人工干預(yù)報(bào)文，并將報(bào)文通過串口轉(zhuǎn)發(fā)到伺服控制軟件。同時(shí)，它也接收伺服控制軟件發(fā)送的人工干預(yù)回告報(bào)文，并通過PCI模塊將報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)給資源調(diào)度軟件。

SV報(bào)文接收單元負(fù)責(zé)接收從伺服控制發(fā)送的報(bào)文數(shù)據(jù)。當(dāng)串口模塊接收到總線上的信號(hào)時(shí)，開始讀取數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)到寄存器中。當(dāng)寄存器的報(bào)文長(zhǎng)度達(dá)到14個(gè)字節(jié)時(shí)，則進(jìn)入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換單元，將數(shù)據(jù)發(fā)送到資源調(diào)度軟件。

RM報(bào)文接收單元負(fù)責(zé)接收從資源調(diào)度發(fā)送的報(bào)文數(shù)據(jù)，當(dāng)本單元監(jiān)測(cè)到SV_wrreq信號(hào)的高電平，立即讀取SVdata_PCI上的數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)到寄存器中，當(dāng)寄存器的報(bào)文長(zhǎng)度達(dá)到11個(gè)字節(jié)時(shí)，則進(jìn)入數(shù)據(jù)發(fā)送單元，通過串口發(fā)送數(shù)據(jù)到伺服控制軟件[4]。

2.1.5 CAN報(bào)文收發(fā)模塊

本模塊主要是接收資源調(diào)度軟件發(fā)送的調(diào)度報(bào)文、人工干預(yù)報(bào)文，并將報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)到CAN總線上。然后，各個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)CAN節(jié)點(diǎn)ID來判斷當(dāng)前總線上的報(bào)文是否屬于本節(jié)點(diǎn)，解析讀取總線上的報(bào)文。同時(shí)，它也接收CAN總線上各個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的人工干預(yù)回告報(bào)文，并通過PCI模塊將報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)給資源調(diào)度軟件。

CAN報(bào)文收發(fā)單元的結(jié)構(gòu)如圖7所示。

CAN報(bào)文接收單元負(fù)責(zé)接收從CAN總線上發(fā)送的報(bào)文數(shù)據(jù)。當(dāng)CAN模塊接收到總線上的信號(hào)時(shí)，開始讀取數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)到寄存器中。當(dāng)寄存器的報(bào)文長(zhǎng)度達(dá)到10個(gè)字節(jié)時(shí)，則進(jìn)入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換單元，將數(shù)據(jù)發(fā)送到資源調(diào)度軟件。

RM報(bào)文接收單元負(fù)責(zé)接收從資源調(diào)度發(fā)送的報(bào)文數(shù)據(jù)，當(dāng)本單元監(jiān)測(cè)到CAN_wrreq信號(hào)的高電平時(shí)，立即讀取CANdata_PCI上的數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)到寄存器中。當(dāng)寄存器的報(bào)文長(zhǎng)度達(dá)到1*（M+1）個(gè)字節(jié)時(shí)（M為總波位數(shù)量），則進(jìn)入數(shù)據(jù)發(fā)送單元，通過CAN總線發(fā)送數(shù)據(jù)到接收機(jī)、波控機(jī)、天線電源或者水冷設(shè)備 [5]。

2.1.6 時(shí)序控制報(bào)文收發(fā)模塊

本模塊主要是接收資源調(diào)度軟件發(fā)送的調(diào)度報(bào)文、人工干預(yù)報(bào)文和幅相校正系數(shù)報(bào)文，并通過并口轉(zhuǎn)發(fā)到時(shí)序控制軟件。同時(shí)，它也接收時(shí)序控制軟件發(fā)送的人工干預(yù)回告報(bào)文、幅相校正系數(shù)報(bào)文和干擾偵查報(bào)文，并通過PCI模塊將報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)給資源調(diào)度軟件。

時(shí)序控制報(bào)文收發(fā)單元的結(jié)構(gòu)如圖8所示。

RM報(bào)文接收單元負(fù)責(zé)接收從資源調(diào)度發(fā)送的報(bào)文數(shù)據(jù)。當(dāng)本單元監(jiān)測(cè)到DP_wrreq信號(hào)的高電平時(shí)，立即讀取dpdata_pci上的數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)到寄存器中。根據(jù)報(bào)文的類型確定報(bào)文長(zhǎng)度。當(dāng)寄存器的報(bào)文長(zhǎng)度達(dá)到報(bào)文長(zhǎng)度后，則進(jìn)入數(shù)據(jù)發(fā)送單元，將數(shù)據(jù)發(fā)送到時(shí)序控制軟件。

TIME報(bào)文接收單元負(fù)責(zé)接收從時(shí)序控制發(fā)送的報(bào)文數(shù)據(jù)。當(dāng)本單元監(jiān)測(cè)到DSP2rm_wrreq信號(hào)的高電平時(shí)，立即讀取dsp2rm_data上的數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)到寄存器中。根據(jù)報(bào)文的類型確定報(bào)文長(zhǎng)度。當(dāng)寄存器的報(bào)文長(zhǎng)度達(dá)到報(bào)文長(zhǎng)度后，則進(jìn)入數(shù)據(jù)發(fā)送單元，將數(shù)據(jù)發(fā)送到資源調(diào)度軟件。

2.2 硬件實(shí)現(xiàn)

通信接口模塊位于某跟蹤制導(dǎo)雷達(dá)處理組合數(shù)據(jù)處理插件通用主控制板上，軟件固化在時(shí)序控制插件上的CYCLONE IV所屬EPCS128中。相關(guān)的硬件環(huán)境如圖9所示[6]。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)某跟蹤雷達(dá)的實(shí)際通信需求，設(shè)計(jì)出基于FPGA 的雷達(dá)信號(hào)處理與其他分系統(tǒng)之間的通信接口。該模塊采用成熟的RS422通信、PCI通信及CAN通信技術(shù)。軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，程序?qū)哟谓Y(jié)構(gòu)分明，各分程序之間、模塊之間和程序單元之間的依賴關(guān)系減低到最低限度，并且程序自身具有自診斷能力。

經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證，該模塊數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確穩(wěn)定，在整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)通信過程中起到了非常重要的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 宋奮韜，王夢(mèng)瑩，付志遠(yuǎn).FPGA 發(fā)展概論[J].機(jī)械與電子，2012（23）：145-146.

[2] 曹輝，劉波，姜秀杰.基于USB與FPGA的多路總線通信接口的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù)，2009（4）：18-22.

[3] 斗海峰，黃今慧.基于FPGA 的多源通信接口的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)器件與設(shè)計(jì)[J].電視技術(shù)，2018（12）：45-47.

[4] 冒劼.FPGA器件USB接口擴(kuò)展方法[J].桂林電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，28（1）：14-17.

[5] 郝磊.基于Agilent系列芯片的紅外通訊接口電路設(shè)計(jì)[J].國(guó)外電子元器件，2008（1）：29-32.

[6] 楊海鋼.FGPA器件設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展綜述[J].電子與信息學(xué)報(bào)，2010（3）：714-727.

【通聯(lián)編輯：梁書】