基于PowerPC和FPGA的相控阵雷达波束控制系统设计

龚俊亮　朱弘

摘 要：随着雷达技术的不断发展，相控阵雷达波束控制的计算量越来越大、实时性越来越高。本文提出一种基于PowerPC和FPGA的主从处理器架构的相控阵雷达波束控制系统设计方法，PowerPC多任务软件基于VxWorks实时操作系统，相比传统的波束控制系统，基于PowerPC和FPGA主从处理器结构的波束控制系统具有结构紧凑、功耗低、处理能力强、实时性好和资源利用率高的特点。

关键词：PowerPC；FPGA；相控阵雷达；波束控制系统

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.06.131

1 引言

传统的雷达波束控制系统多基于PC104处理器，PC104 处理器通常采用X86架构，其存在处理性能较低、功耗大、发热量大和接口不丰富等问题。PowerPC是由IBM、Apple和Motorola公司共同设计和开发的，采用RISC架构，具有可伸缩性好和方便灵活的特点。PowerPC体系结构基于RISC，将定点计算、浮点计算和程序流控制分开，允许各个功能单元执行独立的指令，以完成任务所需时间最短为目标。PowerPC处理能力强，性能优异、体积小、重量轻、散热量小，在航空航天、石油、水利、交通运输、工业控制、数控采集等领域获得了广泛的应用。FPGA作为一种专用集成电路，解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数量有限的缺点，具有体系结构和逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围宽等特点。将PowerPC和FPGA结合的相控阵雷达波束控制系统能够充分利用PowerPC的高性能处理能力和FPGA的定制电路设计能力，同时兼顾功耗、成本、设计周期等因素，是对体积要求小、负载要求轻、计算能力要求高的相控阵雷达波束控制系统的有效解决方法。

2 方案设计

（1）系统总体架构。主处理器为P2020 通用嵌入式双核处理器，从处理器为XC7K325T FPGA，主处理器基本功能是根据天线波束指向要求，计算各天线单元移相器所要求的波控码，传输至每一个移相器，控制每一个移相器相位状态的转换。从处理器主要完成波控码值的分发，可以通过并行或者串行的方式，以减少码值分发的时间。系统总体框图如图1所示。系统主要包括电源设计、时钟设计、DDR3 与Flash接口设计。

（2）复位及电源电路设计。一个稳定、准确的电源是系统正常工作的根本保障。该设计中需要提供5V（接口芯片）、3.3V（FPGA和PowerPC）、1.0V（FPGA Core）、1.2V（FPGA GTX）、1.8V（FPGA AUX）。电源设计的复杂度可想而知，同时，为了使系统能够正常稳定工作，上电时序的设计也非常重要。系统采用12V电源输入，采用四片Linear公司LTM4620将12V转换为模块各电路单元所需电压，P2020 处理器在频率为1000MHz时，其功耗典型值为5.3W，最大6.5W，XC7K325T依据在本工程中的应用，其功耗约为7.5W，FLASH最大功耗1W，DDR2最大功耗1.2W，再加上其它器件的功耗，波束控制系统模块最大功耗23w，电源电路的设计必须留存足够的余量。

（3）时钟电路设计。系统板载有25M、100M两种有源晶振，以25M晶振为基准，通过IDT公司的IDT2305NZ时钟缓冲芯片进行缓冲，再经TI公司的CDCM61004时钟管理芯片对IDT2305NZ输出的25M晶振进行倍频，产生各模块所需的时钟，DDR和FPGA高速口均为125M差分时钟；以100M晶振为时钟源，产生PowerPC、FPGA、DDR所需的100M时钟频率。

（4）DDR3与FLASH存储器电路设计。采用P2020 SDRAM机制实现P2020与DDR3 SDRAM内存芯片的通信。选用4片Micro 公司128M*16bits高速COMS同步动态随机存储器MT41J128M16。P2020总线的MDQ0～MDQ63分别接到4片DDR3的DQ0～DQ15上，将其数据宽度从16bits扩展至64bits。同时，P2020的地址总线MA00～MA13连接至4片DDR3地址线A0～A13。实现8k*64bits数据的访问。FLASH芯片选用SPANSION公司的S29GL01GS10TFI010，32位地址总线，大端模式，8位访问时从A31为最低位，16位访问时从A30为最低位。数据位宽16bits。

3 软件设计

雷达波束控制系统软件设计的操作系统采用Wind River公司的VxWorks6.5版本。VxWorks操作系统是美国Wind River公司1983年开发的专门为嵌入式微处理器设计的一种硬实时操作系统，软件从功能上分，主要是VxWorks操作系统BSP的设计和波控程序的设计。软件设计层次结构包括Bootrom、VxWorks操作系统、应用程序三个部分。BootRom：主要用于操作系统映像、应用程序的加载，运行在目标机上，可以通过网络RJ45接口、串行RS232接口与宿主计算机板卡建立连接这种方式，把操作系统的映像、应用程序更新到系统的FLASH存储设备中，同时提供相关的功能，设置BOOTROM的启动方式、启动参数、自身更新BootRom程序。Vxworks操作系统：主要提供嵌入式系统所需要的任务调度、同步机制、中断处理、文件管理等基本功能、与目标机相关的设备驱动。嵌入式VxWorks操作系统内核和相关组件是由WindRiver公司提供的，在波控软件设计中，需提供与操作系统相关的硬件驱动程序。应用程序：应用程序为运行在VxWorks操作系统之上的波控程序。

4 结语

本研究针对相控阵雷达波控系统的需求，设计了基于PowerPC和FPGA的波束控制系统，综合利用二者的优点，使波束控制系统具有结构紧凑、功耗低、处理能力强、实时性好等优点，为大型相控阵设备的开发打下良好的基础。

参考文献：

[1]李晋军，李滔，齐金刚.基于PowerPC+FPGA的视频处理器设计实现[J].电子工程设计，2013（16）：124-127.

[2]周凯，张浩，王晓平.基于PowerPC的嵌入式远程数据采集与监测系统设计[J].机电一体化，2007（03）：30-34.

作者简介：龚俊亮（1988-），江西丰城人，工程师，主要从事：雷达波控设计。