CN102968095B - 一种支持远程加载的分布式波束控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种支持远程加载的分布式波束控制装置，包括一雷达控制中心和若干个天线列模块，所述雷达控制中心，通过CAN总线发送指令和数据，远程维护每个分机的程序和数据；所述若干个天线列模块的个数由构成该装置的波控分机数量由天线列模块个数决定，每个波控分机负责对应天线列模块上所有T/R组件的相位控制和状态监测。本发明采用分布式计算解决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，基于CAN总线，设计了在线配置模块，通过控制中心可以在远程方便地维护数据和程序；本发明还具有体积小、集成度高、低功耗等特点，适应天线一体化设计需求。
Description
技术领域
本发明涉及雷达的波束控制设计领域，具体涉及一种支持远程加载的分布式波束控制装置。
背景技术
随着相控阵雷达技术的不断发展,雷达阵面功能的扩展和任务调度复杂度不断上升，相控阵雷达对波束控制系统的要求越来越高，波控系统的计算复杂度也越来越大，实时性的要求不断提高。集中式波束控制装置，在应对复杂度提升和实时性要求提高的方法,往往只有通过采用性能和成本更高的数字信号处理器,成本和功耗不断提高。相比之下分布式波束控制装置将整个阵面T/R组件的配相计算分解到每个波控分机,每个分机只要负责单个天线列模块的T/R组件的配相计算,计算复杂度大为降低,实时性指标容易满足。
但是采用分布式计算的波控装置,分机数量大，其程序和数据的维护难度也就相应增大，当进行系统研制和验证时，需要分别对每个波控分机的程序和数据的进行更新和调试，成倍增加了系统的调试时间，严重降低了工作效率，制约了分布式雷达波控系统的发展。
发明内容
本发明公开一种支持远程加载的分布式波束控制装置，该装置采用分布式计算解决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，基于CAN总线，设计了在线配置模块，通过控制中心可以在远程方便地维护数据和程序；波控分机还具有体积小、集成度高、低功耗等特点，适应天线一体化设计需求。
为了达到上述发明目的，本发明为解决其技术问题通过以下技术方案实现：
一种支持远程加载的分布式波束控制装置，其特征在于，包括一雷达控制中心、若干个天线列模块，每个波控分机负责单个天线列模块的T/R组件的相位控制和状态监测，并且所述雷达控制中心通过CAN总线发送指令和数据，远程维护每个分机的程序和数据；所述若干个天线列模块的个数由构成该装置的波控分机数量决定；
处于战斗模式下，根据控制中心的方位参数，计算天线列模块上每个T/R组件的波控码，完成对应天线列模块上T/R组件相位的控制并向控制中心回告BIT监测信息；
处于维护模式下，控制中心通过CAN总线发送数据给对应波控分机，远程维护其数据和程序；
处于测试模式下，控制中心可以单独控制天线列模块上每个T/R组件的开关状态、移相角度、频点在内状态，方便列模块测试和维修。
依照本发明较佳实施例所述的支持远程加载的分布式波束控制装置，
所述波控分机进一步包括CAN总线接口单元、计算单元、配相单元、在线监测单元和在线配置单元，并且：
通过CAN总线接口单元解析控制中心的指令和数据；通过计算单元实现波控码计算和校验；通过配相单元将波控码传送到天线激励装置；通过在线监测单元完成天线列模块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控分机的远程数据和程序维护，其进一步为：
在战斗模式下，计算单元根据CAN总线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，温度在内信息的监测；
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，方便调试和维修。
依照本发明较佳实施例所述的支持远程加载的分布式波束控制装置，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，响应不同的CAN数据和指令。
依照本发明较佳实施例所述的支持远程加载的分布式波束控制装置，FPGA的配置芯片的空间通过设置合适的地址偏移将FPGA配置芯片划分为配置数据区和通用存储区，通过在NIOS II软核中加入EPCS 控制器核，方便的访问通用存储区中的数据。
依照本发明较佳实施例所述的支持远程加载的分布式波束控制装置，该装置通过进入测试模式状态下，CAN总线接口单元接收控制中心发送到CAN网络上的更新数据，在线配置单元通过SPI总线协议将这些程序和数据更新到FPGA的配置芯片中，以实现程序和数据的远程加载。
依照本发明较佳实施例所述的支持远程加载的分布式波束控制装置，波控分机包括单片机、FPGA和串行配置芯片三部分，单片机选用C8051F04X系列单片机，该系列器件配备了控制器局域网控制器和UART串口，在器件的CAN接口处添加CAN收发器连入CAN网络，串口采集激励模块送来BIT和温度在内的检测信息，FPGA采用Cyclone II系列的EP2C15，通过配置NIOS II软核来完成浮点运算，以实现计算单元功能，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，以通过单片机中在线配置模块来读写。
依照本发明较佳实施例所述的支持远程加载的分布式波束控制装置，在线配置单元通过SPI总线与串行配置器件EPCS16相连，C8051F器件的SPI总线的SCK、MOSI、MISO、NSS分别连接至EPCS器件的DCLK、ADSI、DATA、nCS，在SPI相应的时序下，数据和程序更新信息被写入串行配置器件中完成在线配置，重新加电后，FPGA从串行配置芯片中，加载新的配置文件，计算单元从通用数据区中读取新的计算数据。
依照本发明较佳实施例所述的支持远程加载的分布式波束控制装置，基于NIOS II CPU的片上系统主要包括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，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在内的参数，进行基本波控码计算、相位码修正以及波控码校验和拼合。
与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：
本发明采用分布式计算解决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，基于CAN总线，设计了在线配置模块，通过控制中心可以在远程方便地维护数据和程序；本发明还具有体积小、集成度高、低功耗等特点，适应天线一体化设计需求。
同时，通过在FPGA中灵活的配置基于NIOS的SOPC系统,可以实现浮点计算和指令定制,完成波控码计算。通过解析CAN网络的数据和指令,每个波控分机接收对应的更新数据,验证成功后,将数据存储在配置芯片中,实现程序和数据的远程加载和维护，使用户免于拆卸、安装、单独调试分机,对分布式波束控制装置的维护和调试具有极大的工程意义。
附图说明
图1为本发明最佳实施例一种支持远程加载的分布式波控装置示意图；
图2 为本发明最佳实施例在线配置模块框图；
图3 为本发明最佳实施例基于NIOS软核的计算单元框图；
图4为本发明最佳实施例战斗模式流程框图。
具体实施方式
一种支持远程加载的分布式波束控制装置，包括一雷达控制中心、若干个天线列模块，每个波控分机负责单个天线列模块的T/R组件的相位控制和状态监测，并且，雷达控制中心通过CAN总线发送指令和数据，远程维护每个分机的程序和数据；若干个天线列模块的个数由构成该装置的波控分机数量由天线列模块个数决。
下面结合附图举一具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
参见图1，为本发明最佳实施例一种支持远程加载的分布式波控装置示意图。构成该装置的可变数量的具有相同架构的波控分机21主要由单片机211、FPGA213和串行配置芯片212三部分组成的。单片机211选用C8051F04X系列单片机，该系列器件配备了控制器局域网（CAN）控制器和串口（UART），在器件的CAN接口处添加CAN收发器连入CAN网络，实现CAN网络通信，串口采集激励模块送来的BIT和温度等检测信息。FPGA213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2131的功能。外围串行配置芯片212采用EPCS16，FPGA213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211中在线配置单元2112来读写。
参见图2，为本发明最佳实施例在线配置模块框图。波控分机21进入维护模式后，CAN总线接口单元2111开始接收程序和数据更新信息，经过验证无误后，通知在线配置单元2112进行在线配置。在线配置单元2112通过SPI总线与串行配置器件EPCS16相连，C8051F器件的SPI总线（SCK、MOSI、MISO、NSS）连接至EPCS器件的DCLK、ADSI、DATA、nCS。在SPI相应的时序下，数据和程序更新信息被写入串行配置器件中完成在线配置。重新加电后，FPGA213从串行配置芯片212中，加载新的配置文件，计算单元2131从通用数据2122区中读取新的计算数据。
参见图3和图4，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。基于NIOS II CPU的片上系统主要包括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2131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，进行基本波控码计算、相位码修正以及波控码校验和拼合。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。
构成该装置的分机数量由天线列模块2个数决定，每个波控分机21负责对应天线列模块2上所有T/R组件23的相位控制和状态监测；雷达控制中心1，通过CAN总线发送指令和数据，远程维护每个分机的程序和数据；采用分布式计算来简化配相的计算复杂度，提高实时性；采用基于NIOS II的软核CPU来实现浮点运算，降低功耗和成本；采用模块化、一体化、小型化设计，节约天线阵面尺寸。处于战斗模式下根据控制中心的方位参数，计算列模块上每个T/R组件23的波控码，完成对应列模块上T/R组件23相位的控制并向控制中心1回告BIT监测信息；在维护模式，控制通过CAN总线发送数据给对应波控分机21，远程维护其数据和程序；在测试模式，控制中心1可以单独控制列模块上每个T/R组件23的开关状态、移相角度、频点在内状态，方便列模块测试和维修。
波控分机21进一步包括CAN总线接口单元2111，计算单元2131，配相单元2132，在线监测单元2113，在线配置单元2112。通过CAN总线接口单元2111解析控制中心1的指令和数据；通过计算单元2131实现波控码计算和校验；通过配相单元2132将波控码传送到天线激励装置22；通过在线监测单元2113完成列模块BIT信息采集和统计；通过在线配置单元2112，实现控制中心1对每个波控分机21的远程数据和程序维护，其进一步为：
在战斗模式下，计算单元2131根据的CAN总线接口单元2111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2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1回告BIT信息，完成阵面T/R组件23，温度在内信息的监测；
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2112通过SPI总线，将数据写入FPGA213的串行配置芯片212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1的命令,计算单元2131产生的波控码可以单独控制每个T/R组件23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。
各波控分机21通过CAN总线与控制中心1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。每个波控分机的结构都和波控分机21的一致。
由于使用分布式计算，传统的整个天线阵面波控码字的计算，变为每个波控分机单独计算对应天线列模块2的波控码字，计算复杂度大为简化，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。
充分利用FPGA的配置芯片（FLASH）的空间。通常FPGA配置芯片只存放FPGA配置数据2121，剩余空间往往浪费，该装置中通过设置合适的地址偏移将FPGA配置芯片划分为配置数据区（存放FPGA配置文件）和通用存储区（计算中用到的数据表格）。通过在NIOS II软核中加入EPCS 控制器核，程序中可以方便的访问通用存储区中的数据。
该装置通过进入测试模式后，CAN总线接口单元2111接收控制中心1发送到CAN网络上的更新数据，在线配置单元2112通过SPI总线协议将这些程序和数据更新到FPGA的配置芯片中，实现程序和数据的远程加载。根据控制中心1的命令,计算单元2131产生的波控码可以单独控制每个T/R组件23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。
该装置通过进入战斗模式后，计算单元2131根据的CAN总线接口单元2111接收到的方位信息，读取配置芯片中的数据，依据刚刚更新的数据计算波束指向码字，通过送数单元向对应的天线列模块2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1回告BIT信息，完成阵面T/R组件23，温度等信息的监测。
该装置通过进入维护模式后，通过接收CAN总线发送对应分机的数据，在线配置单元2112通过SPI总线，将数据写入FPGA213的串行配置芯片212中,完成数据和程序的远程加载和维护。
本发明采用分布式计算解决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，基于CAN总线，设计了在线配置模块，通过控制中心1可以在远程方便地维护数据和程序；本发明还具有体积小、集成度高、低功耗等特点，适应天线一体化设计需求。
应当理解的是这里所描述的方法和系统可以以各种形式的硬件、软件、固件、专用处理机或者它们的组合实现。尤其是，至少本发明的一部分包括程序指令的应用程序优选实现。这些程序指令被确实地包括在一个或者多个程序存储设备（包括但不限于硬盘、磁性软盘、RAM、ROM、CD、ROM等）里，并且可由任何包括适当结构的设备或者机器，例如一种具有处理器、内存和输入/输出接口的通用数字计算机执行。还应当理解由于附图中描述的一些系统的组成部件和处理步骤优选地以软件实现，所以，系统模块（或者方法步骤的逻辑流程）之间的连接可能不同，这取决于本发明的编程方式。根据这里给出的指导，相关领域的普通技术人员将能够设计出本发明的这些以及类似的实施方式。
以上公开的仅为本申请的一个具体实施例，但本申请并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化，都应落在本申请的保护范围内。
Claims (8)
1.一种支持远程加载的分布式波束控制装置，其特征在于，包括一雷达控制中心、若干个天线列模块，每个波控分机负责单个天线列模块的T/R组件的相位控制和状态监测，并且所述雷达控制中心通过CAN总线发送指令和数据，远程维护每个分机的程序和数据；所述若干个天线列模块的个数由构成该装置的波控分机数量决定；
处于战斗模式下，根据控制中心的方位参数，计算天线列模块上每个T/R组件的波控码，完成对应天线列模块上T/R组件相位的控制并向控制中心回告BIT监测信息；
处于维护模式下，控制中心通过CAN总线发送数据给对应波控分机，远程维护其数据和程序；
处于测试模式下，控制中心可以单独控制天线列模块上每个T/R组件的开关状态、移相角度、频点在内状态，方便列模块测试和维修；
所述波控分机进一步包括CAN总线接口单元、计算单元、配相单元、在线监测单元和在线配置单元，并且：
通过CAN总线接口单元解析控制中心的指令和数据；通过计算单元实现波控码计算和校验；通过配相单元将波控码传送到天线激励装置；通过在线监测单元完成天线列模块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控分机的远程数据和程序维护。
2.如权利要求1所述的支持远程加载的分布式波束控制装置，其特征在于：
在战斗模式下，计算单元根据CAN总线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，温度在内信息的监测；
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，方便调试和维修。
3.如权利要求1所述的支持远程加载的分布式波束控制装置，其特征在于：各波控分机通过CAN总线与控制中心互联，上电后各波控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，响应不同的CAN数据和指令。
4.如权利要求1所述的支持远程加载的分布式波束控制装置，其特征在于：FPGA的配置芯片的空间通过设置合适的地址偏移将FPGA配置芯片划分为配置数据区和通用存储区，通过在NIOS II软核中加入EPCS 控制器核，方便的访问通用存储区中的数据。
5.如权利要求1所述的支持远程加载的分布式波束控制装置，其特征在于：该装置通过进入测试模式状态下，CAN总线接口单元接收控制中心发送到CAN网络上的更新数据，在线配置单元通过SPI总线协议将程序和数据更新到FPGA的配置芯片中，以实现程序和数据的远程加载。
6.如权利要求1所述的支持远程加载的分布式波束控制装置，其特征在于：波控分机包括单片机、FPGA和串行配置芯片三部分，单片机选用C8051F04X系列单片机，该系列器件配备了控制器局域网控制器和UART串口，在器件的CAN接口处添加CAN收发器连入CAN网络，串口采集激励模块送来BIT和温度在内的检测信息，FPGA采用Cyclone II系列的EP2C15，通过配置NIOS II软核来完成浮点运算，以实现计算单元功能，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，以通过单片机中在线配置模块来读写。
7.如权利要求1所述的支持远程加载的分布式波束控制装置，其特征在于，在线配置单元通过SPI总线与串行配置器件EPCS16相连，C8051F器件的SPI总线的SCK、MOSI、MISO、NSS分别连接至EPCS器件的DCLK、ADSI、DATA、nCS，在SPI相应的时序下，数据和程序更新信息被写入串行配置器件中完成在线配置，重新加电后，FPGA从串行配置芯片中，加载新的配置文件，计算单元从通用数据区中读取新的计算数据。
8.如权利要求1所述的支持远程加载的分布式波束控制装置，其特征在于，基于NIOS II CPU的片上系统主要包括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，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在内的参数，进行基本波控码计算、相位码修正以及波控码校验和拼合。
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