一種支持遠程加載的分布式波束控制裝置的製作方法
2023-12-02 22:37:26 2
專利名稱：一種支持遠程加載的分布式波束控制裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及雷達的波束控制設計領域，具體涉及一種支持遠程加載的分布式波束控制裝置。
背景技術：
隨著相控陣雷達技術的不斷發展，雷達陣面功能的擴展和任務調度複雜度不斷上升，相控陣雷達對波束控制系統的要求越來越高，波控系統的計算複雜度也越來越大，實時性的要求不斷提高。集中式波束控制裝置，在應對複雜度提升和實時性要求提高的方法，往往只有通過採用性能和成本更高的數位訊號處理器，成本和功耗不斷提高。相比之下分布式波束控制裝置將整個陣面T/R組件的配相計算分解到每個波控分機，每個分機只要負責單個天線列模塊的T/R組件的配相計算，計算複雜度大為降低，實時性指標容易滿足。但是採用分布式計算的波控裝置，分機數量大，其程序和數據的維護難度也就相應增大，當進行系統研製和驗證時，需要分別對每個波控分機的程序和數據的進行更新和調試，成倍增加了系統的調試時間，嚴重降低了工作效率，制約了分布式雷達波控系統的發展。
發明內容
本發明公開一種支持遠程加載的分布式波束控制裝置，該裝置採用分布式計算解決大規模天線陣面配相計算量大，實時性要求難以滿足的問題；針對分布式系統引入的設備量增加，調試和維護工作量大的問題，基於CAN總線，設計了在線配置模塊，通過控制中心可以在遠程方便地維護數據和程序；波控分機還具有體積小、集成度高、低功耗等特點，適應天線一體化設計需求。為了達到上述發明目的，本發明為解決其技術問題通過以下技術方案實現 一種支持遠程加載的分布式波束控制裝置，其特徵在於，包括一雷達控制中心、若干個天線列模塊，每個波控分機負責單個天線列模塊的T/R組件的相位控制和狀態監測，並且所述雷達控制中心通過CAN總線發送指令和數據，遠程維護每個分機的程序和數據；所述若干個天線列模塊的個數由構成該裝置的波控分機數量決定；
處於戰鬥模式下，根據控制中心的方位參數，計算列模塊上每個T/R組件的波控碼，完成對應列模塊上T/R組件相位的控制並向控制中心回告BIT監測信息；
處於維護模式下，控制中心通過CAN總線發送數據給對應波控分機，遠程維護其數據和程序；
處於測試模式下，控制中心可以單獨控制列模塊上每個T/R組件的開關狀態、移相角度、頻點在內狀態，方便列模塊測試和維修。依照本發明較佳實施例所述的支持遠程加載的分布式波束控制裝置，所述波控分機進一步包括CAN總線接口單元、計算單元、配相單元、在線監測單元和在線配置單元，並且
通過CAN總線接口單元解析控制中心的指令和數據；通過計算單元實現波控碼計算和校驗；通過配相單元將波控碼傳送到天線激勵裝置；通過在線監測單元完成列模塊BIT信息採集和統計；通過在線配置單元，實現控制中心對每個波控分機的遠程數據和程序維護，其進一步為
在戰鬥模式下，計算單元根據的CAN接口單元接收到的方位信息，計算波控碼，通過送數單元向對應的天線列模塊發送配相數據，使波束指向預定的方位，在系統時序控制下，通過CAN總線向控制中心回告BIT信息，完成陣面T/R組件，溫度在內信息的監測；
在維護模式下，通過接收CAN總線發送對應分機的數據，在線配置單元通過SPI總線， 將數據寫入FPGA的串行配置晶片中，完成數據和程序的遠程加載和維護；
在測試模式下，根據控制中心的命令，計算單元產生的波控碼可以單獨控制每個T/R組件的開關狀態，根據需要進行初始相位補償、隨機饋相、頻率修正等，方便調試和維修。依照本發明較佳實施例所述的支持遠程加載的分布式波束控制裝置，各波控分機通過CAN總線與控制中心互聯，上電後各分機通過讀取板上的撥碼開關數值，來進行初始化配置，保證各分機軟硬體一致，響應不同的CAN數據和指令。依照本發明較佳實施例所述的支持遠程加載的分布式波束控制裝置，FPGA的配置晶片的空間通過設置合適的地址偏移將FPGA配置晶片劃分為配置數據區和通用存儲區，通過在NIOS II軟核中加入EPCS控制器核，方便的訪問通用存儲區中的數據。依照本發明較佳實施例所述的支持遠程加載的分布式波束控制裝置，該裝置通過進入測試模式狀態下，CAN總線接口單元接收控制中心發送到CAN網絡上的更新數據，在線配置單元通過SPI總線協議將這些程序和數據更新到FPGA的配置晶片中，以實現程序和數據的遠程加載。依照本發明較佳實施例所述的支持遠程加載的分布式波束控制裝置，波控分機包括單片機、FPGA和串行配置晶片三部分，單片機選用C8051RMX系列單片機，該系列器件配備了控制器區域網控制器和UART串口，在器件的CAN接口處添加CAN收發器連入CAN網絡，串口採集激勵模塊送來BIT和溫度在內的檢測信息，FPGA採用Cyclone II系列的EP2C15，通過配置NIOS II軟核來完成浮點運算，以實現計算單元功能，外圍串行配置晶片採用EPCS16，FPGA配置程序外的剩餘空間作為通用數據區，存儲運算所需的數據，以通過單片機中在線配置模塊來讀寫。依照本發明較佳實施例所述的支持遠程加載的分布式波束控制裝置，在線配置單元通過SPI總線與串行配置器件EPCS16相連，C8051F器件的SPI總線的SCK、M0SI、MIS0、NSS分別連接至EPCS器件的DCLK、ADSI、DATA、nCS，在SPI相應的時序下，數據和程序更新信息被寫入串行配置器件中完成在線配置，重新加電後，FPGA從串行配置晶片中，加載新的配置文件，計算單元從通用數據區中讀取新的計算數據。依照本發明較佳實施例所述的支持遠程加載的分布式波束控制裝置，基於NIOS
IICPU的片上系統主要包括EPCS控制器核用於通用存儲區數據的訪問，JTAG UART核用於系統調試，Onchip Memory用於系統內存,PLL核用於系統時鐘,定時器用於定時中斷，PIO核用於並行數據的輸入輸出以及中斷控制，計算單元以NIOS II CPU為處理器，根據指令中的工作模式、波束指向、波束寬度和工作頻率在內的參數，進行基本波控碼計算、相位碼修正以及波控碼校驗和拼合。與現有技術相比，本發明存在以下技術效果
本發明採用分布式計算解決大規模天線陣面配相計算量大，實時性要求難以滿足的問題；針對分布式系統引入的設備量增加，調試和維護工作量大的問題，基於CAN總線，設計了在線配置模塊，通過控制中心可以在遠程方便地維護數據和程序；本發明還具有體積小、集成度高、低功耗等特點，適應天線一體化設計需求。同時，通過在FPGA中靈活的配置基於NIOS的SOPC系統，可以實現浮點計算和指令定製，完成波控碼計算。通過解析CAN網絡的數據和指令，每個波控分機接收對應的更新數據，驗證成功後，將數據存儲在配置晶片中，實現程序和數據的遠程加載和維護，使用戶免於拆卸、安裝、單獨調試分機，對分布式波束控制裝置的維護和調試具有極大的工 程意義。
圖I為本發明最佳實施例一種支持遠程加載的分布式波控裝置示意 圖2為本發明最佳實施例在線配置模塊框 圖3為本發明最佳實施例基於NIOS軟核的計算單元框 圖4為本發明最佳實施例戰鬥模式流程框圖。
具體實施例方式一種支持遠程加載的分布式波束控制裝置，包括一雷達控制中心、若干個天線列模塊，每個波控分機負責單個天線列模塊的T/R組件的相位控制和狀態監測，並且，雷達控制中心通過CAN總線發送指令和數據，遠程維護每個分機的程序和數據；若干個天線列模塊的個數由構成該裝置的波控分機數量由天線列模塊個數決。下面結合附圖舉一具體實施例對本發明作進一步的詳細描述。參見圖1，為本發明最佳實施例一種支持遠程加載的分布式波控裝置示意圖。構成該裝置的可變數量的具有相同架構的波控分機21主要由單片機211、FPGA213和串行配置晶片212三部分組成的。單片機211選用C8051F04X系列單片機，該系列器件配備了控制器區域網(CAN)控制器和串口(UART)，在器件的CAN接口處添加CAN收發器連入CAN網絡，實現CAN網絡通信，串口採集激勵模塊送來的BIT和溫度等檢測信息。FPGA213採用Cyclone
II系列的EP2C15，通過配置NIOS II軟核來完成浮點運算，實現計算單元2131的功能。外圍串行配置晶片212採用EPCS16，FPGA213配置程序外的剩餘空間作為通用數據區，存儲運算所需的數據，通過單片機211中在線配置單元2112來讀寫。參見圖2，為本發明最佳實施例在線配置模塊框圖。波控分機21進入維護模式後，CAN總線接口單元2111開始接收程序和數據更新信息，經過驗證無誤後，通知在線配置單元2112進行在線配置。在線配置單元2112通過SPI總線與串行配置器件EPCS16相連，C8051F 器件的 SPI 總線(SCK、M0SI、MIS0、NSS)連接至 EPCS 器件的 DCLK、ADSI、DATA、nCS。在SPI相應的時序下，數據和程序更新信息被寫入串行配置器件中完成在線配置。重新加電後，FPGA213從串行配置晶片212中，加載新的配置文件，計算單元2131從通用數據2122區中讀取新的計算數據。參見圖3和圖4,通過Quartus中SOPC Builder,可以快速的定製以32位Nios II軟核處理器為核心的嵌入式系統。基於NIOS II CPU的片上系統主要包括EPCS控制器核用於通用存儲區數據的訪問，JTAG UART核用於系統調試，Onchip Memory用於系統內存，PLL核用於系統時鐘，定時器用於定時中斷，PIO核用於並行數據的輸入輸出以及中斷控制等模塊組成。計算單元2131以NIOS II CPU為處理器，根據指令中的工作模式、波束指向、波束寬度和工作頻率等參數，進行基本波控碼計算、相位碼修正以及波控碼校驗和拼合。為了提高實時性，有些浮點運算如三角函數採用查表操作，具體表格數據存儲在通用存儲區中，上電後讀入Onchip Memory,提高了系統的實時性。構成該裝置的分機數量由天線列模塊2個數決定，每個波控分機21負責對應天線 列模塊2上所有T/R組件23的相位控制和狀態監測；雷達控制中心1，通過CAN總線發送指令和數據，遠程維護每個分機的程序和數據；採用分布式計算來簡化配相的計算複雜度，提高實時性；採用基於NIOS II的軟核CPU來實現浮點運算，降低功耗和成本；採用模塊化、一體化、小型化設計，節約天線陣面尺寸。處於戰鬥模式下根據控制中心的方位參數，計算列模塊上每個T/R組件23的波控碼，完成對應列模塊上T/R組件23相位的控制並向控制中心I回告BIT監測信息；在維護模式，控制通過CAN總線發送數據給對應波控分機21，遠程維護其數據和程序；在測試模式，控制中心I可以單獨控制列模塊上每個T/R組件23的開關狀態、移相角度、頻點在內狀態，方便列模塊測試和維修。波控分機21進一步包括CAN總線接口單元2111，計算單元2131，配相單元2132，在線監測單元2113，在線配置單元2112。通過CAN總線接口單元2111解析控制中心I的指令和數據；通過計算單元2131實現波控碼計算和校驗；通過配相單元2132將波控碼傳送到天線激勵裝置22 ;通過在線監測單元2113完成列模塊BIT信息採集和統計；通過在線配置單元2112，實現控制中心I對每個波控分機21的遠程數據和程序維護，其進一步為
在戰鬥模式下，計算單元2131根據的CAN總線接口單元2111接收到的方位信息，計算波控碼，通過送數單元向對應的天線列模塊2發送配相數據，使波束指向預定的方位，在系統時序控制下，通過CAN總線，向控制中心I回告BIT信息，完成陣面T/R組件23，溫度在內信息的監測；
在維護模式下，通過接收CAN總線發送對應分機的數據，在線配置單元2112通過SPI總線，將數據寫入FPGA213的串行配置晶片212中，完成數據和程序的遠程加載和維護；在測試模式下，根據控制中心I的命令，計算單元2131產生的波控碼可以單獨控制每個T/R組件23的開關狀態，根據需要進行初始相位補償、隨機饋相、頻率修正等，方便調試和維修。各波控分機21通過CAN總線與控制中心I互聯，上電後各分機通過讀取板上的撥碼開關數值，來進行初始化配置，保證各分機軟硬體一致，卻可以響應不同的CAN數據和指令。每個波控分機的結構都和波控分機21的一致。由於使用分布式計算，傳統的整個天線陣面波控碼字的計算，變為每個波控分機單獨計算對應天線列模塊2的波控碼字，計算複雜度大為簡化，原先由大容量FPGA+高性能DSP才能滿足指標，現通過在中等容量FPGA中配置高性能可剪裁的NIOS II軟核CPU即可滿足指標，節約成本，降低功耗。充分利用FPGA的配置晶片(FLASH)的空間。通常FPGA配置晶片只存放FPGA配置數據2121，剩餘空間往往浪費，該裝置中通過設置合適的地址偏移將FPGA配置晶片劃分為配置數據區(存放FPGA配置文件)和通用存儲區(計算中用到的數據表格)。通過在NIOSII軟核中加入EPCS控制器核，程序中可以方便的訪問通用存儲區中的數據。該裝置通過進入測試模式後，CAN總線接口單元2111接收控制中心I發送到CAN網絡上的更新數據，在線配置單元2112通過SPI總線協議將這些程序和數據更新到FPGA的配置晶片中，實現程序和數據的遠程加載。根據控制中心I 的命令，計算單元2131產生的波控碼可以單獨控制每個T/R組件23的開關狀態，根據需要進行初始相位補償、隨機饋相、頻率修正等，方便調試和維修。該裝置通過進入戰鬥模式後，計算單元2131根據的CAN總線接口單元2111接收到的方位信息，讀取配置晶片中的數據，依據剛剛更新的數據計算波束指向碼字，通過送數單元向對應的天線列模塊2發送配相數據，使波束指向預定的方位，在系統時序控制下，通過CAN總線，向控制中心I回告BIT信息，完成陣面T/R組件23，溫度等信息的監測。該裝置通過進入維護模式後，通過接收CAN總線發送對應分機的數據，在線配置單元2112通過SPI總線，將數據寫入FPGA213的串行配置晶片212中，完成數據和程序的遠程加載和維護。本發明採用分布式計算解決大規模天線陣面配相計算量大，實時性要求難以滿足的問題；針對分布式系統引入的設備量增加，調試和維護工作量大的問題，基於CAN總線，設計了在線配置模塊，通過控制中心I可以在遠程方便地維護數據和程序；本發明還具有體積小、集成度高、低功耗等特點，適應天線一體化設計需求。應當理解的是這裡所描述的方法和系統可以以各種形式的硬體、軟體、固件、專用處理機或者它們的組合實現。尤其是，至少本發明的一部分包括程序指令的應用程式優選實現。這些程序指令被確實地包括在一個或者多個程序存儲設備(包括但不限於硬碟、磁性軟盤、RAM、ROM、⑶、ROM等)裡，並且可由任何包括適當結構的設備或者機器，例如一種具有處理器、內存和輸入/輸出接口的通用數字計算機執行。還應當理解由於附圖中描述的一些系統的組成部件和處理步驟優選地以軟體實現，所以，系統模塊(或者方法步驟的邏輯流程)之間的連接可能不同，這取決於本發明的編程方式。根據這裡給出的指導，相關領域的普通技術人員將能夠設計出本發明的這些以及類似的實施方式。以上公開的僅為本申請的一個具體實施例，但本申請並非局限於此，任何本領域的技術人員能思之的變化，都應落在本申請的保護範圍內。
權利要求
1.一種支持遠程加載的分布式波束控制裝置，其特徵在於，包括一雷達控制中心、若干個天線列模塊，每個波控分機負責單個天線列模塊的T/R組件的相位控制和狀態監測，並且所述雷達控制中心通過CAN總線發送指令和數據，遠程維護每個分機的程序和數據；所述若干個天線列模塊的個數由構成該裝置的波控分機數量決定； 處於戰鬥模式下，根據控制中心的方位參數，計算列模塊上每個T/R組件的波控碼，完成對應列模塊上T/R組件相位的控制並向控制中心回告BIT監測信息； 處於維護模式下，控制中心通過CAN總線發送數據給對應波控分機，遠程維護其數據和程序； 處於測試模式下，控制中心可以單獨控制列模塊上每個T/R組件的開關狀態、移相角度、頻點在內狀態，方便列模塊測試和維修。
2.如權利要求I所述的支持遠程加載的分布式波束控制裝置，其特徵在於所述波控分機進一步包括CAN總線接口單元、計算單元、配相單元、在線監測單元和在線配置單元， 並且 通過CAN總線接口單元解析控制中心的指令和數據；通過計算單元實現波控碼計算和校驗；通過配相單元將波控碼傳送到天線激勵裝置；通過在線監測單元完成列模塊BIT信息採集和統計；通過在線配置單元，實現控制中心對每個波控分機的遠程數據和程序維護，其進一步為 在戰鬥模式下，計算單元根據的CAN接口單元接收到的方位信息，計算波控碼，通過送數單元向對應的天線列模塊發送配相數據，使波束指向預定的方位，在系統時序控制下，通過CAN總線向控制中心回告BIT信息，完成陣面T/R組件，溫度在內信息的監測； 在維護模式下，通過接收CAN總線發送對應分機的數據，在線配置單元通過SPI總線，將數據寫入FPGA的串行配置晶片中，完成數據和程序的遠程加載和維護； 在測試模式下，根據控制中心的命令，計算單元產生的波控碼可以單獨控制每個T/R組件的開關狀態，根據需要進行初始相位補償、隨機饋相、頻率修正等，方便調試和維修。
3.如權利要求I所述的支持遠程加載的分布式波束控制裝置，其特徵在於各波控分機通過CAN總線與控制中心互聯，上電後各分機通過讀取板上的撥碼開關數值，來進行初始化配置，保證各分機軟硬體一致，響應不同的CAN數據和指令。
4.如權利要求I所述的支持遠程加載的分布式波束控制裝置，其特徵在於FPGA的配置晶片的空間通過設置合適的地址偏移將FPGA配置晶片劃分為配置數據區和通用存儲區，通過在NIOS II軟核中加入EPCS控制器核，方便的訪問通用存儲區中的數據。
5.如權利要求I所述的支持遠程加載的分布式波束控制裝置，其特徵在於該裝置通過進入測試模式狀態下，CAN總線接口單元接收控制中心發送到CAN網絡上的更新數據，在線配置單元通過SPI總線協議將這些程序和數據更新到FPGA的配置晶片中，以實現程序和數據的遠程加載。
6.如權利要求I所述的支持遠程加載的分布式波束控制裝置，其特徵在于波控分機包括單片機、FPGA和串行配置晶片三部分，單片機選用C8051RMX系列單片機，該系列器件配備了控制器區域網控制器和UART串口，在器件的CAN接口處添加CAN收發器連入CAN網絡，串口採集激勵模塊送來BIT和溫度在內的檢測信息，FPGA採用Cyclone II系列的EP2C15，通過配置NIOS II軟核來完成浮點運算，以實現計算單元功能，外圍串行配置晶片採用EPCS16，FPGA配置程序外的剩餘空間作為通用數據區，存儲運算所需的數據，以通過單片機中在線配置模塊來讀寫。
7.如權利要求I所述的支持遠程加載的分布式波束控制裝置，其特徵在於，在線配置單元通過SPI總線與串行配置器件EPCS16相連，C8051F器件的SPI總線的SCK、MOSI、MISO、NSS分別連接至EPCS器件的DCLK、ADSI、DATA、nCS，在SPI相應的時序下，數據和程序更新信息被寫入串行配置器件中完成在線配置，重新加電後，FPGA從串行配置晶片中，加載新的配置文件，計算單元從通用數據區中讀取新的計算數據。
8.如權利要求I所述的支持遠程加載的分布式波束控制裝置，其特徵在於，基於NIOSIICPU的片上系統主要包括EPCS控制器核用於通用存儲區數據的訪問，JTAG UART核用於系統調試，Onchip Memory用於系統內存，PLL核用於系統時鐘,定時器用於定時中斷，PIO核用於並行數據的輸入輸出以及中斷控制，計算單元以NIOS II CPU為處理器，根據指令中 的工作模式、波束指向、波束寬度和工作頻率在內的參數，進行基本波控碼計算、相位碼修正以及波控碼校驗和拼合。
全文摘要
本發明公開了一種支持遠程加載的分布式波束控制裝置，包括一雷達控制中心和若干個天線列模塊，所述雷達控制中心，通過CAN總線發送指令和數據，遠程維護每個分機的程序和數據；所述若干個天線列模塊的個數由構成該裝置的波控分機數量由天線列模塊個數決定，每個波控分機負責對應天線列模塊上所有T/R組件的相位控制和狀態監測。本發明採用分布式計算解決大規模天線陣面配相計算量大，實時性要求難以滿足的問題；針對分布式系統引入的設備量增加，調試和維護工作量大的問題，基於CAN總線，設計了在線配置模塊，通過控制中心可以在遠程方便地維護數據和程序；本發明還具有體積小、集成度高、低功耗等特點，適應天線一體化設計需求。
文檔編號G05B19/418GK102968095SQ201210333770
公開日2013年3月13日 申請日期2012年9月11日 優先權日2012年9月11日
發明者張德平, 郭世傑, 黃慧, 沈全成 申請人:上海航天測控通信研究所