阵面主控系统是相控阵雷达的重要组成之一，作为相控阵面的控制核心，接收显控台的控制命令和伺服系统的姿态信息，产生雷达定时器同步脉冲，进行电子稳定解算和阵面配相解算，根据时序要求控制阵面内的频合器、收发(TR)组件、数字波束合成(DBF)等分系统工作，同时收集阵面内各分系统的工作参数和故障信息，反馈给显控台实时显示。如今雷达向着小型化方向发展，导致设备内部空间有限，相应地对各分系统提出了小型化、高集成、易扩展等要求。因此，本文提出了一种小型化阵面主控系统设计，该设计具有高性能、可扩展、易移植等优点。通过对软硬件进行适度剪裁，该设计可灵活应用于各种相控阵雷达中。
本设计中阵面主控系统以Xilinx的Zynq-7000系列的XC7Z045为控制核心，Zynq-7000系列在单芯片内集成了基于Xilinx可编程逻辑资源的可编程逻辑(PL)系统和基于ARM Cortex-A9多核处理器的处理系统(PS)，即Zynq-7000系列将定制逻辑和软件分别映射到PL和PS中，因此它兼具了现场可编程门阵列(FPGA)的灵活性、可扩展性和SOC的易用性，并具有集成度高的天然优势[1]。
三、没破坏仓库的任何一处，连窗户上的蛛丝也没碰一下，没留下任何脚印，连个鬼影子都没有，而仓库里的东西又明明丢了，进货我守着，出货我点着，到底是鬼还是神钻了空子？难道真如大家说的，这塔公村里居住更多的菩萨和鬼怪，真是菩萨和鬼怪沦到要干这下贱的活？哎！再怎么说，我都不会相信这世上真有什么鬼神，即使有，那也投胎在人心里。
为了最大化Zynq-7000的优势，需要规划好PL和PS的功能分配。阵面主控系统需要实现的功能包括通过以太网接收显控台的控制命令、通过高速串口接收伺服系统姿态信息、产生雷达定时器脉冲、电子稳定平台解算、阵面配相解算和幅相校正、通过高速串口控制频合器、TR组件、DBF等。从实时性角度考虑，显控台命令是慢变化参数，其他接口和计算需要在一个雷达重频周期内完成，对实时性要求更高；从功耗角度考虑，使用PL端实现软件算法，由于它使用较短的、低容性的本地连接，相较于PS端实现软件功能需要将数据从一个操作单元传输到另一个传输单元，因此功耗更低；从性能角度考虑，使用PL端实现算法，可以实现算法的全并行执行，能够提供更大的吞吐量；从开发便捷角度考虑，由PS端实现参数设置，PL端根据配置参数实现具体功能，在调试阶段可节约编译时间，提高调试效率。因此，使用PS端实现以太网通信功能和存储器控制，PL端实现其他功能。
根据功能划分，PS端接收显控台的控制参数，解析后产生PL端各功能模块的输入参数。另外，阵面主控在阵面测试模式下需要缓存大量测试数据。PS端将工作参数发送给PL端，接收PL端的BIT信息，涉及到PS与PL间的数据交互。PS与PL间的数据交互综合使用AXI直接存储访问(DMA)和AXI通用输入输出接口(GPIO)实现，其中AXI DMA实现高性能的大数据传输，AXI GPIO实现小数据量的高速传输。
PS和PL间的接口分为3类：一个用于PL的缓存一致性主端口(AXI_ACP)、4个用于PL的高性能高带宽主端口(AXI_HP)和4个通用端口(AXI_GP)。本设计的PS与PL互联结构如图1所示。
植物季相就是在不同的季节变化下，植物景观整体环境所表现出的变化概况。植物季相是由一个居住区的整体植物景观来体现的，根据居住区的自然环境，尽量确保居住区的整体植物景观在不同时节都能色彩协调、整体一致。
模块化多电平MMC在直流侧发生单极故障时，由于直流侧没有集中电容的存在，故障电流自短路点过换流器桥臂子模块流入联接变压器接地点形成故障通路，如图5所示。故障电流的幅值取决于直流电压、接地电阻及短路过渡电阻的大小[13-15]。
图1 PS与PL互联结构
PS与PL之间通过AXI_HP和AXI_GP端口进行数据交互，PS中包括处理器和动态随机存储器(DDR)控制器，PL中包括AXI DMA和AXI数据先进先出(FIFO)存储，AXI DMA内核在AXI4内存映射和AXI4数据流(AXI4-Stream)之间提供高带宽直接内存访问。PS端通过AXI_GP端口使用AXI4-Lite向AXI DMA发送指令，用于建立、初始化和监控数据传输，AXI DMA通过AXI_HP端口和DDR交换数据，PL通过AXI4-Stream读写DMA的数据，并使用AXI4-Stream Data FIFO实现PL与PS端数据缓存和同步。AXI_MM2S和AXI_S2MM是存储器映射的AXI4总线，提供了对DDR存储器的DMA访问，它可以连续地传输数据，而不需要提供地址信息。使用AXI GPIO，PS端可以像操作普通输入输出端口(IO)一样对连接到PL端的IO进行读写操作。
阵面主控系统组成框图如图2所示，包括Zynq-7000控制器、以太网接口模块、闪存(FLASH)模块、DDR3模块、配置模块、时钟模块、光电转换模块、电平转换模块、远程调试模块和电源模块。
图2 阵面主控系统组成框图
Zynq-7000是系统的控制核心，实现各种逻辑功能，PS端包括用户数据报协议(UDP)通信单元、幅相校正表存储单元，PL端包括命令解析单元、雷达定时器单元、电子稳定解算单元、阵面配相解算单元、幅相加权单元、幅相校正单元、高速数据收发单元和各个其他系统的控制单元。以太网接口模块由以太网接口芯片和网络变压器组成，实现以太网物理层功能；FLASH和DDR3共同构建系统的存储模块，实现数据的非易失存储和快速读写，用于存储幅相校正数据和测试结果；配置模块完成Zynq控制器的启动模式配置；时钟模块主要由时钟管理芯片组成，所需时钟包括相参时钟、高速串行接口(GTX)收发器时钟和PS端工作时钟；光电转换模块主要由1个四路收发一体光模块组成，将板上电信号转化为外部光信号，实现与DBF的控制接口；电平转换模块主要由电压转换芯片和差分信号驱动器组成，实现外部信号与板内信号的互联互通；远程调试模块将调试信号转换成差分信号，并经光电通信设备连接到机柜中，当雷达旋转和发射时也能对系统进行调试；电源模块将外部输入的12 V电源转成阵面控制系统工作所需的5 V、3.3 V、2.5 V、1.8 V、1 V等电平，由开关电源电路和线性电源、电路组成。
PS端使用轻量化通信协议(LwIP)实现与显控台的UDP通信，LwIP是目前使用最广泛的用于嵌入式系统的TCP/IP协议栈，它提供了2套应用编程接口中(API)：基于回调的内部回调接口(RAW API)和顺序模型的套接字应用程序接口(SOCKET API)[2]。本设计中使用RAW API，它不需要操作系统支持，且运行效率更高。
使用RAW API实现UDP协议的流程图如图3所示，在主函数中循环使用xemacif_input()函数接收以太网数据包前，需要完成LwIP的初始化设置，包括配置IP地址、网络掩码、物理地址，调用lwip()函数初始化各变量及模块，使用xemac_add()函数添加网络接口，绑定本地端口号，注册回调函数。
图3 使用RAW API实现UDP协议工作流程图
雷达定时器用于产生触发脉冲控制阵面其他模块同步工作，阵面需要工作在探测模式、监测模式和训练模式，在不同的工作模式下雷达定时器输出不同的脉冲序列。探测模式是阵面的作战工作模式，阵面发射脉冲信号，接收目标回波信号；监测模式包括近场测试和内监测，近场测试时使用近场测试系统的测试探头接收或发出信号，内监测时，信号不经过空间辐射，直接在阵面内部经耦合器形成回路，监测模式下要求频合器输出点频信号，且在DBF采样波门内都存在激励信号；训练模式为雷达系统整架联调提供有效的调试手段，便于检查整机工作过程和各个子系统的功能是否完善，训练模式使用监测模式下的接收内监测回路，但要求频合器在不同的时间点产生激励信号来模拟不同目标距离点的回波信号。不同工作模式下的脉冲输出示意图如图4所示，其中实线是探测模式下脉冲输出，虚线为其他工作模式下需要改变的脉冲输出情况。
图4 不同工作模式下脉冲输出示意图
为了兼容不同工作模式，雷达定时器单元必须可配置，并根据系统要求，在每个雷达重频结束后更新下一个重频周期的定时器参数。单元设计时，将工作模式、主脉冲宽度、补盲脉冲宽度、掩护脉冲宽度、重频宽度、采样波门等作为输入变量，并仅在每个重频结束时更新参数信息。雷达定时器单元使用有限状态机实现各个脉冲信号的控制输出，每个状态的跳转由输入的脉冲宽度信息通过计数器决定。
对于一维相扫三坐标雷达，采用俯仰方向相位扫描、方位上机械扫描的方式。如图5所示，平面阵列天线安装在y，z平面上，该天线由多个上下排列的水平子天线阵组成，构成一个在垂直方向上沿z轴排列的线阵[3]。该线阵共有M个单元，各单元之间的间距为d，当俯仰波束指向θ时，第m个单元(m=0,1，…，M-1)的波束控制码C(m)为：
图5 一维相扫三坐标雷达天线示意图
式中:K为数字移相器的计算位数；c为光速。
阵面配相解算单元的输入变量为俯仰角θ和工作频率f，输出变量为计算出的移相码。根据波束控制码计算公式可知，每个线阵的波束控制增量一致，区别在于每个线阵的位置系数，因此首先计算波束控制增量β。式(1)中c为常量，d由天线单元距离决定，K为移相器位数，因此2K·d/c是阵面的固有常量，β的计算由1次三角函数运算和2次乘法运算完成。三角函数运算由查表法实现，只需要3个时钟周期就能得到计算结果，相较于使用CORDIC IP，耗费时间更短；乘法运算调用乘法器的IP核实现。计算时考虑到最小波束跃度由移相器位数决定，为了达到系统的最小跃度指标，必须采用虚位技术，扩充移相器位数。目前常用的移相器位数通常为6位，计算时扩充到12位，该值计算所得的最小跃度远超指标要求，但考虑到不同设备间的功能单元通用性，采用12位的虚位计算，可满足大多数阵面的波束控制码计算要求。得到β后计算各个线阵的波束控制码，各线阵的坐标由查表法得到，在时钟驱动下，依次流水产生32个线阵的坐标值，坐标值与β相乘即得到各线阵的波束控制值，该值是在虚位技术下的计算结果，最后还应根据实际移相器位数计算出移相码。阵面配相解算单元计算得到的移相码是初步移相码，实际工作时，还需要根据是否要进行波束展宽，查找波束展宽相位表，再根据幅相校正表，查找实际工作移相码。
翌日清晨，拥着温暖潮润的清风，漫游在稻香蟹肥的水岸。很难想象稻与蟹的共舞是无法形容的心灵震撼！稻，灿烂如金，连成大片，“喜看稻菽千重浪，遍地英雄下夕烟”，这美好的今天，是无数热爱生活的英雄豪情与壮志的共建。急切地想见到蟹，既为好奇，也为美味。稻深处，蟹自居，看不见稻海中的任何波澜，却想象着蟹的悠闲时光。终于捱到了夜幕降临，农家院的大叔决定带我们去稻田捉蟹。
不同工作模式下的定时器时序图如图6所示，tr_pulse是TR组件的收发脉冲，ph_pulse是频合器的波形产生脉冲，sp_pulse是DBF的采样脉冲。
图6 不同工作模式下定时器时序图
使用FPGA完成波束控制码计算的时序图如图7所示，该图计算了当俯仰波束指向angle_el为10°、工作频率freq_mhz为9 GHz时，32个线阵单元的波束控制码，以第32个线阵单元为位置参考零点，计算出的32个移相码tdata_pcode分别为0x1B、0x16、0x11、……、0x05、0x00。
式中：K是相机的内参矩阵；R和T分别为相机坐标系和世界坐标系间变换的旋转矩阵和平移向量；fu和fv为两个方向的焦比；(u0,v0)为主点坐标。考虑到镜头畸变对成像的影响,若记真实像点与理想像点(u,v)之间的关系可表示为
图7 波束控制码计算时序图
本文介绍了一种小型化相控阵雷达主控系统的设计方法，说明了系统设计思路，根据功能划分设计控制器片内互联结构，阐述主要功能单元的设计方法，包括UDP通信单元、雷达定时器单元和阵面配相解算单元，以及相关功能单元的仿真结果。
基于该设计的阵面主控系统目前已运用于某车载平台搜跟一体有源相控阵面及某无人船平台一维有源相控阵面中。实际工程应用结果表明，该阵面主控系统具有小型化、高集成、易扩展、高性能等优点，可灵活应用于各种相控阵雷达中。
参考文献
[1] 何宾,张艳辉.Xilinx Zynq-7000 嵌入式系统设计与实现[M].北京:电子工业出版社,2016.
[2] 林升林.嵌入式网络那些事:LwIP协议深度剖析与实战演练[M].北京:中国水利水电出版社,2012.
[3] 张光义,赵玉洁.相控阵雷达技术[M].北京:电子工业出版社,2006.
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