CN110471334B - 一种相控阵波束控制装置及其控制方法 - Google Patents

一种相控阵波束控制装置及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种相控阵波束控制装置、固件升级方法和雷达，包括第一FPGA模块，用于实时处理波束的相位数据；第二FPGA模块，用于根据所述第一FPGA模块处理后的数据，对多个射频收发组件输出相应的指令；时钟与同步信号模块，用于产生时钟信号并同步到所述第一FPGA模块和所述第二FPGA模块；第一DDR模块，用于存储所述第一FPGA模块产生的过程数据；FLASH模块，用于存储加载所需的配置信息；电源模块，用于所述第一FPGA模块和所述第二FPGA模块的供电。由上述第一FPGA模块和第二FPGA模块组成的单个相控阵波束控制装置，可以同时实现对多个射频收发组件的逻辑控制，减少的波束控制装置的数量，从而降低了系统硬件成本。

Description

一种相控阵波束控制装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及信号处理技术领域，特别涉及一种相控阵波束控制装置及其控制方法。
背景技术
相控阵雷达的波束控制装置通常包括集中式和分布式两种，其中，集中式指由一套波束控制装置对相控阵各阵列单元的幅值相位进行统一运算，计算完成后将移相器与衰减器的数据分发至各天线阵列单元，硬件设备量少，成本低，但是运算时间会随天线单元增加而增加，影响波束扫描的速度。分布式指将整个阵列天线分割成多个子阵，每个子阵由一个波束控制装置控制，每个波束控制装置只进行本子阵内射频发射接收组件的移相量计算，从而减少运算时间，满足波束的快速扫描要求，但是需要的波束控制装置数量增加会引起成本上升，可靠性下降，同时调试、维护工作量大。
发明内容
本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种相控阵波束控制装置及其控制方法，能够通过单个波束控制装置控制多个射频收发组件，减少的波束控制装置的数量，从而降低了系统硬件成本。
本发明的第一方面，提供一种相控阵波束控制装置，包括：
第一FPGA模块，用于处理波束的相位数据；
第二FPGA模块，与所述第一FPGA模块交互连接，用于根据所述第一FPGA模块处理后的相位数据，对多个射频收发组件输出相应的指令；
时钟与同步信号模块，所述时钟与同步信号模块的输出端口分别与所述第一FPGA模块、所述第二FPGA模块的输入端口连接，用于产生时钟信号并同步到所述第一FPGA模块和所述第二FPGA模块；
第一DDR模块，与所述第一FPGA模块交互连接，用于存储所述第一FPGA模块产生的过程数据；
FLASH模块，与所述第一FPGA模块10交互连接，用于存储加载所需的配置信息；
电源模块，所述电源模块的电源输出端口分别与所述第一FPGA模块和所述第二FPGA模块的电源输入端口连接，用于所述第一FPGA模块和所述第二FPGA模块的供电。
上述的一种相控阵波束控制装置至少具有以下有益效果：第一FPGA模块用于实时处理波束的相位数据，第二FPGA模块，用于根据所述第一FPGA模块处理后的数据，对多个射频收发组件输出相应的指令，由上述第一FPGA模块和第二FPGA模块组成的单个相控阵波束控制装置，可以同时实现对多个射频收发组件的逻辑控制，减少的波束控制装置的数量，从而降低了系统硬件成本。
根据本发明第一个方面所述的一种相控阵波束控制装置，还包括：
PHY模块，分别与所述第一FPGA模块、外部网络交互连接，用于实现所述第一FPGA模块、外部网络之间的数据交换；
所述第一DDR模块，还用于缓存所述PHY模块接收的控制数据；
所述FLASH模块，还用于存储所述PHY模块接收的升级数据。在装置上设置PHY模块，用于接收外部网络的数据，可以接收外部网络，例如以太网传输过来的控制数据或者升级数据，可以实现对控制装置的远程控制或远程升级，提高操作控制装置操作和维护的便利性。
根据本发明第一个方面所述的一种相控阵波束控制装置，所述第一FPGA模块还用于监控多个射频收发组件的状态。第一FPGA模块通过实时采集数据的方式，监控射频收发组件的状态，可以及时发现出现故障的射频收发组件，从而对出现故障的射频收发组件进行及时的维护。
根据本发明第一个方面所述的一种相控阵波束控制装置，所述第一FPGA模块包括：
处理器；
时钟模块，用于产生时钟信号供所述处理器使用；
第一寄存器模块，用于锁存处理器产生的变量数据；
第一高速serdes接口模块，用于实现所述第一FPGA模块与所述第二FPGA模块之间通信；
复位模块，用于复位所述处理器。第一FPGA模块的结构仅用于实现对数据的运算处理，可以有效提升运算的速度，从而提高整机的波束扫描速度。
根据本发明第一个方面所述的一种相控阵波束控制装置，所述处理器包括：
MAC模块，用于接收TCP协议报文信息，并根据报文信息处理相位数据；
第二DDR模块，用于控制所述第一DDR模块，并存储所述MAC模块产生的临时数据；
定时器模块，用于产生定时中断信号；
中断模块，用于根据不同优先级对所述定时器模块产生的中断信号进行统一管理；
SPI模块，用于与外部FLASH芯片进行通信；
ENVM模块，用于存储应用数据与升级数据；
IIC模块，用于监控多个射频收发组件的状态；
所述MAC模块、所述第二DDR模块、所述定时器模块、所述中断模块112、所述SPI模块、所述ENVM模块和所述IIC模块之间交互连接。
根据本发明第一个方面所述的一种相控阵波束控制装置，所述第二FPGA模块包括：
第二高速serdes接口模块，用于实现所述第二FPGA模块20与所述第一FPGA模块之间的通信；
FIFO模块，用于存储从所述第二高速serdes接口模块输出的幅相数据，按照先进先出的原则，管理从第二高速serdes接口模块输出的数据；
第二寄存器模块，用于存储变量数据；
同步信号模块，用于输出同步信号；
调度器模块，用于对同步信号进行采样，形成各种控制逻辑，并读取所述FIFO模块中存储的幅相信息，将信息通过输出模块25输出到相应的控制管脚；
输出模块，用于进行控制信号管脚分配。第二FPGA模块的架构仅用于实现对第一FPGA模块处理的数据，对射频收发组件输出相应的指令，可以有效提升控制装置对射频收发组件控制效率。
根据本发明第一个方面所述的一种相控阵波束控制装置，所述第一FPGA模块和所述第二FPGA模块之间通过serdes串行接口连接。serdes串行接口为高速串行接口，在第一FPGA模块和第二FPGA模块之间通过serdes串行接口连接，可以实现波控数据高速传输。
本发明的第二方面，提供一种应用于上述的相控阵波束控制装置的控制方法，包括以下步骤：
第一FPGA模块处理波束的相位数据；
第二FPGA模块根据第一FPGA模块处理后的相位数据，对多个射频收发组件输出相应的指令。
本发明第二方面所述的固件升级方法至少具有以下有益效果：第一FPGA模块用于实时处理波束的相位数据，第二FPGA模块，用于根据所述第一FPGA模块处理后的数据，对多个射频收发组件输出相应的指令，由上述第一FPGA模块和第二FPGA模块20组成的单个相控阵波束控制装置，可以同时实现对多个射频收发组件的逻辑控制，减少的波束控制装置的数量，从而降低了系统硬件成本。
根据本发明第二方面所述的控制方法，还包括以下步骤：
通过以太网远程传输固件；
PHY模块接收以太网传输来的固件；
将固件存储到FLASH模块，并在固件更新标志位为1；
将第一FPGA模块复位重启，并加载一段升级程序；
读取FLASH模块的固件更新标志位，若标志位为1则将新版本固件拷贝至第一FPGA模块中对应的地址位覆盖旧的固件；
将FLASH模块的固件更新标志位为0；
复位第一FPGA模块。上述的固件升级方法，可以实现对本发明第一方面的相控阵波束控制装置进行远程升级，避免了现场升级维护的繁琐操作，提升了维护效率。
根据本发明第二方面所述的控制方法，还包括以下步骤：
第一DDR模块中存储以太网传送的第二FPGA模块可执行程序；
第一FPGA模块将可执行程序加载至第二FPGA模块中。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步地说明。
图1为本发明实施例的相控阵波束控制装置的结构示意图；
图2为本发明实施例的第一FPGA模块的结构示意图；
图3为本发明实施例的第二FPGA模块的结构示意图；
图4为本发明实施例的应用于上述相控阵波束控制装置的控制方法流程图；
图5为本发明实施例的固件升级流程图。
具体实施方式
本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
参照图1，提供一种相控阵波束控制装置，包括：
第一FPGA模块10，用于处理波束的相位数据；
第二FPGA模块20，与第一FPGA模块10交互连接，用于根据第一FPGA模块10处理后的相位数据，对多个射频收发组件输出相应的指令；
时钟与同步信号模块30，时钟与同步信号模块30的输出端口分别与第一FPGA模块10、第二FPGA模块20的输入端口连接，用于产生时钟信号并同步到第一FPGA模块10和第二FPGA模块20；
第一DDR模块60，与第一FPGA模块10交互连接，用于存储第一FPGA模块10产生的过程数据；
FLASH模块50，与第一FPGA模块10交互连接，用于存储加载所需的配置信息；
电源模块40，电源模块40的电源输出端口分别与第一FPGA模块10和第二FPGA模块20的电源输入端口连接，用于第一FPGA模块10和第二FPGA模块20的供电。
第一FPGA模块10用于实时处理波束的相位数据，第二FPGA模块20，用于根据第一FPGA模块10处理后的数据，对多个射频收发组件输出相应的指令，由上述第一FPGA模块10和第二FPGA模块20组成的单个相控阵波束控制装置，可以同时实现对多个射频收发组件的逻辑控制，减少的波束控制装置的数量，从而降低了系统硬件成本。
进一步地，还包括：
PHY模块70，分别与所述第一FPGA模块10、外部网络交互连接，用于实现所述第一FPGA模块10、外部网络之间的数据交换；
所述第一DDR模块60，还用于缓存所述PHY模块70接收的控制数据；
所述FLASH模块50，还用于存储所述PHY模块70接收的升级数据。在装置上设置PHY模块70，用于接收外部网络的数据，可以接收外部网络，例如以太网传输过来的控制数据或者升级数据，可以实现对控制装置的远程控制或远程升级，提高操作控制装置操作和维护的便利性。
进一步地，第一FPGA模块10还用于监控多个射频收发组件的状态。第一FPGA模块10通过实时采集数据的方式，监控射频收发组件的状态，可以及时发现出现故障的射频收发组件，从而对出现故障的射频收发组件进行及时的维护。
参照图2，第一FPGA模块10包括：
处理器11；
时钟模块13，用于产生时钟信号供所述处理器11使用；
第一寄存器模块14，用于锁存处理器11产生的变量数据；
第一高速serdes接口模块15，用于实现所述第一FPGA模块10与所述第二FPGA模块20之间通信；
复位模块，用于复位所述处理器11。其中，上述的第一高速serdes接口模块15优选为JESD204B模块。第一FPGA模块10的结构仅用于实现对数据的运算处理，可以有效提升运算的速度，从而提高整机的波束扫描速度。
进一步地，处理器11为Cortex-M3处理器11，包括：
MAC模块111，用于接收TCP协议报文信息，并根据报文信息处理相位数据；
第二DDR模块113，用于控制所述第一DDR模块60，并存储所述MAC模块111产生的临时数据；
定时器模块114，用于产生定时中断信号；
中断模块112，用于根据不同优先级对所述定时器模块114产生的中断信号进行统一管理；
SPI模块116，用于与外部FLASH芯片进行通信；
ENVM模块117，用于存储应用数据与升级数据；
IIC模块115，用于监控多个射频收发组件的状态。
所述MAC模块111、所述第二DDR模块113、所述定时器模块114、所述中断模块112、所述SPI模块116、所述ENVM模块117和所述IIC模块115之间交互连接。其中，采集到监控数据后，通过以太网将各个射频发射接收组件的监控数据及时回传至控制中心，方便后续维护。在本发明实施例中，第一FPGA模块10作为整个控制装置的主控模块，可以理解的是，其除了上述的可以用于上述的功能，为了使控制装置实现完整的功能，具体还可以用于实现网络通信，幅值相位运算，数据动态缓存，配置参数存储，在线升级，和第二FPGA模块20的程序加载。
参照图3，第二FPGA模块20包括：
第二高速serdes接口模块22，用于实现所述第二FPGA模块20与所述第一FPGA模块10之间的通信；
FIFO模块23，用于存储从所述第二高速serdes接口模块22输出的幅相数据，按照先进先出的原则，管理从第二高速serdes接口模块22输出的数据；
第二寄存器模块21，用于存储变量数据；
同步信号模块26，用于输出同步信号；
调度器模块24，用于对同步信号进行采样，形成各种控制逻辑，并读取所述FIFO模块23中存储的幅相信息，将信息通过输出模块25输出到相应的控制管脚；
输出模块25，用于进行控制信号管脚分配。第二FPGA模块20的架构仅用于实现对第一FPGA模块10处理的数据，对射频收发组件输出相应的指令，可以有效提升控制装置对射频收发组件控制效率。在本发明实施例中，上述的第二高速serdes接口模块22具体为JESD204B模块，是第一FPGA与第二FPGA之间的通信模块，实现了两个FPGA模块之间的高速可靠通信，JESD204B模块包含了JESD204B-PHY单元，JESD204B发射单元，JESD204B接收单元，第一FPGA模块10将运算完成后的幅相数据通过JESD204B模块发送给第二FPGA模块20，最后通过第二FPGA模块20将幅相数据以控制信号的方式设置给对应的射频发射接收组件，从而实现波束控制。
具体地，在本发明实施例中，上述的架构可以实现一个波束控制装置对8个射频收发单元的相位控制，有效的减少了波束控制装置的数量。例如当相控阵雷达有64个射频收发单元时，传统的分布式波束控制装置需要64个，而采用了本发明实施例的双FPGA架构只需8个就能实现对64个射频收发单元的实时控制，大大减小的波束控制装置的数量，从而降低了系统硬件成本。
进一步地，第一FPGA模块10和第二FPGA模块20之间通过serdes串行接口连接。serdes串行接口为高速串行接口，在第一FPGA模块10和第二FPGA模块20之间通过serdes串行接口连接，可以实现波控数据高速传输。具体地，两个FPGA模块之间通过高速serdes总线连接，并且采用JESD204B协议进行数据可靠传输，单条serdes总线速率可达5Gbps，实现数据的高速传输。
参照图4，本发明实施例还提供一种应用于上述的相控阵波束控制装置的使用方法，包括以下步骤：
步骤S10：第一FPGA模块10处理波束的相位数据；
步骤S10：第二FPGA模块20根据第一FPGA模块10处理后的相位数据，对多个射频收发组件输出相应的指令。第一FPGA模块10用于实时处理波束的相位数据，第二FPGA模块20，用于根据所述第一FPGA模块10处理后的数据，对多个射频收发组件输出相应的指令，由上述第一FPGA模块10和第二FPGA模块20组成的单个相控阵波束控制装置，可以同时实现对多个射频收发组件的逻辑控制，减少的波束控制装置的数量，从而降低了系统硬件成本。
参照图5，进一步地，还包括以下步骤：
步骤S100：通过以太网远程传输固件；
步骤S200：PHY模块70接收以太网传输来的固件；
步骤S300：将固件存储到FLASH模块，并在固件更新标志位为1；
步骤S400：将第一FPGA模块10复位重启，并加载一段升级程序；
步骤S500：读取FLASH模块的固件更新标志位，若标志位为1则将新版本固件拷贝至第一FPGA模块10中对应的地址位覆盖旧的固件；
步骤S600：将FLASH模块的固件更新标志位为0；
步骤S700：复位第一FPGA模块10。
上述的固件升级方法，可以实现对本发明第一方面的相控阵波束控制装置进行远程升级，避免了现场升级维护的繁琐操作，提升了维护效率。
进一步地，还包括以下步骤：
步骤S1000：第一DDR模块60中存储以太网传送的第二FPGA模块可执行程序；
步骤S2000：第一FPGA模块10将可执行程序加载至第二FPGA模块20中。
具体地，当需要进行远程在线升级第一FPGA模块10的程序时，首先通过千兆网将新版本的固件由控制中心发送至波束控制装置中的FLASH模块50中存储起来，并在FLASH模块50中将固件更新标志位置1，接着第一FPGA模块10进行复位重启操作，重启过程中加载ENVM模块117中的一段升级程序，升级程序加载后读取FLASH模块50的固件更新标志位，如果是1则表明需要进行固件更新，升级程序执行拷贝任务，将FLASH模块50中的新版本固件拷贝至ENVM模块117中应用程序的对应的地址位，覆盖旧的固件后，将FLASH模块50中的固件更新标志位置0，最后复位第一FPGA模块10，完成整个在线升级的流程。第一FPGA模块10中，用通用输入输出脚模拟第二FPGA模块20的JTAG脚，在第一FPGA模块10中Cortex-M3中进行C语言编程，实现第一FPGA模块10对第二FPGA模块20的加载，第二FPGA模块20的可执行程序由控制中心通过网络发送至DDR中存储，再利用第一FPGA模块10中模拟的JTAG脚对第二FPGA模块20进行加载。
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (7)

1.一种相控阵波束控制装置，其特征在于，包括：
第一FPGA模块，用于处理波束的相位数据；
第二FPGA模块，与所述第一FPGA模块交互连接，用于根据所述第一FPGA模块处理后的相位数据，对多个射频收发组件输出相应的指令；
时钟与同步信号模块，所述时钟与同步信号模块的输出端口分别与所述第一FPGA模块、所述第二FPGA模块的输入端口连接，用于产生时钟信号并同步到所述第一FPGA模块和所述第二FPGA模块；
第一DDR模块，与所述第一FPGA模块交互连接，用于存储所述第一FPGA模块产生的过程数据；
FLASH模块，与所述第一FPGA模块交互连接，用于存储加载所需的配置信息；
电源模块，所述电源模块的电源输出端口分别与所述第一FPGA模块和所述第二FPGA模块的电源输入端口连接，用于所述第一FPGA模块和所述第二FPGA模块的供电；
所述第一FPGA模块包括：
处理器；
时钟模块，用于产生时钟信号供所述处理器使用；
第一寄存器模块，用于锁存处理器产生的变量数据；
第一高速serdes接口模块，用于实现所述第一FPGA模块与所述第二FPGA模块之间通信；
复位模块，用于复位所述处理器；
所述处理器包括：
MAC模块，用于接收TCP协议报文信息，并根据报文信息处理相位数据；
第二DDR模块，用于控制所述第一DDR模块，并存储所述MAC模块产生的临时数据；
定时器模块，用于产生定时中断信号；
中断模块，用于根据不同优先级对所述定时器模块产生的中断信号进行统一管理；
SPI模块，用于与外部FLASH芯片进行通信；
ENVM模块，用于存储应用数据与升级数据；
IIC模块，用于监控多个射频收发组件的状态；
所述MAC模块、所述第二DDR模块、所述定时器模块、所述中断模块、所述SPI模块、所述ENVM模块和所述IIC模块之间交互连接；
其中，所述第二FPGA模块包括：
第二高速serdes接口模块，用于实现所述第二FPGA模块与所述第一FPGA模块之间的通信；
FIFO模块，用于存储从所述第二高速serdes接口模块输出的幅相数据，按照先进先出的原则，管理从第二高速serdes接口模块输出的数据；
第二寄存器模块，用于存储变量数据；
同步信号模块，用于输出同步信号；
调度器模块，用于对同步信号进行采样，形成各种控制逻辑，并读取所述FIFO模块中存储的幅相信息，将信息通过输出模块输出到相应的控制管脚；
输出模块，用于进行控制信号管脚分配。
2.根据权利要求1所述的相控阵波束控制装置，其特征在于，还包括：
PHY模块，分别与所述第一FPGA模块、外部网络交互连接，用于实现所述第一FPGA模块、外部网络之间的数据交换；
所述第一DDR模块，还用于缓存所述PHY模块接收的控制数据；
所述FLASH模块，还用于存储所述PHY模块接收的升级数据。
3.根据权利要求1所述的相控阵波束控制装置，其特征在于：
所述第一FPGA模块还用于监控多个射频收发组件的状态。
4.根据权利要求1所述的相控阵波束控制装置，其特征在于，所述第一FPGA模块(10)和所述第二FPGA模块之间通过serdes串行接口连接。
5.一种应用于权利要求1-4任一项所述的相控阵波束控制装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一FPGA模块处理波束的相位数据；
第二FPGA模块根据第一FPGA模块处理后的相位数据，对多个射频收发组件输出相应的指令。
6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，还包括以下步骤：
通过以太网远程传输固件；
PHY模块接收以太网传输来的固件；
将固件存储到FLASH模块，并将固件更新标志位设置为1；
将第一FPGA模块复位重启，并加载一段升级程序；
读取FLASH模块的固件更新标志位，若标志位为1则将新版本固件拷贝至第一FPGA模块中对应的地址位覆盖旧的固件；
将FLASH模块的固件更新标志位为0；
复位第一FPGA模块。
7.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，还包括以下步骤：
第一DDR模块中存储以太网传送的第二FPGA模块可执行程序；
第一FPGA模块将可执行程序加载至第二FPGA模块中。
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