一種分布式的即插即用軟硬件設計方案

榮 笑，王 培，劉曉磊

（中國電子科技集團公司 第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

0 引 言

相控陣天線具備波束無慣性快速掃描、多波束獨立可控、抗干擾能力強以及可靠性高等優點，在航天、雷達、衛星通信等領域應用廣泛[1,2]。但相控陣天線同時存在結構復雜度高、軟硬件設計技術要求高等問題，尤其當天線陣列規模較大、波束較多時，單一控制單元無法滿足系統的復雜需求，需要多個控制單元協作完成系統功能。此時，如何對系統進行軟硬件架構設計，以在滿足系統復雜需求的同時使各功能單元合理互聯且協作良好變得尤為重要。從系統應用需求角度出發，提出一種適用于大規模相控陣天線系統的分布式即插即用軟硬件設計方案。

1 方案設計

1.1 問題分析

圖1是目前被廣泛使用的一種軟硬件設計方案，采用的是微控制單元（Micro Control Unit，MCU）加現場可編程門陣列（Field-Programmable Gate Array，FPGA）的架構[3,4]。其中，FPGA1、FPGA2、……、FPGAn用于控制波束掃描，而MCU用于實現天線系統功能，MCU和波束控制單元之間通過FPGA進行串并轉換。

從圖1可以看出，該方案架構簡單、易于實現，適用于小規模相控陣天線。但當天線陣列規模較大、系統功能較復雜時，該方案的缺點便突顯出來。一是全部系統控制功能集中在一個單元內部，對該單元可靠性要求極高，隨著系統功能復雜度提高，MCU軟件設計復雜度也隨之提高；二是方案中未考慮相控陣天線的多波束功能，僅能通過修改MCU軟件來滿足多波束使用需求，給軟件設計帶來了大量的重復工作；三是軟硬件設計上沒有模塊化概念，隨著系統需求變化，每個單元都需要重新設計，系統模塊化程度低、復用率不高且調試難度大。

1.2 解決方案

針對上述問題，將系統功能重新劃分，按照系統自上而下的設計思想將整個系統看作以下3個部分。

（1）天線系統。由于相控陣天線的本質是實現不同波束分別工作，因此整個相控陣天線系統需要一個波束調度單元來實現波束任務分發與調度工作。

（2）波束控制單元。按照系統波束需求進行劃分，有幾個波束即存在幾個波束控制單元，波束控制單元用于實現分發給波束的全部任務。

（3）標準化子陣。按照天線單元數量進行劃分，對子陣控制單元進行標準化設計，每個子陣支持固定上限的天線單元，使用時根據天線陣列規模進行選擇拼接。

在此基礎上，提出一種新的分布式軟硬件設計方案，以系統包含2個不同頻段的天線為例，設計架構如圖2所示。

圖2 新版軟硬件設計方案

天線1有n個標準化子陣，支持2個波束獨立工作，因此包含2個波束控制單元（1和2）；天線2有m個標準化子陣，支持2個波束獨立工作，因此包含2個波束控制單元（3和4）。其中，標準化子陣通過高速串行通信接口與波束控制單元互聯，波束控制單元再通過分布式總線與波束調度單元互聯[5]。標準化子陣采用FPGA實現，波束控制單元和標準化子陣采用片上系統（System-on-a-Chip，SoC）芯片實現。相較于MCU，SoC芯片具備高速接口，具有高集成、低功耗的特點[6,7]。

1.3 單元功能

在新版方案中，各級單元具體功能如下文所述。

（1）波束調度單元。接收上級任務，將任務分發給各個波束控制單元，對各個波束執行的任務進行調度，并控制波束合成與分解。

（2）波束控制單元。接收系統的任務調度，將系統任務進行分解轉化，最終得到波束掃描角度，通過高速通信接口下發給連接在該單元的標準化子陣。波束控制具備工作模式切換、故障檢測、數據存儲等功能。

（3）標準化子陣。實現波束掃描功能，每個子陣支持的天線單元上限、接收或發射、坐標位置以及初始幅相補償值均可配置。

通過功能劃分重新設計后，每個單元分工明確、功能獨立，便于進行模塊化設計。隨著系統需求變化，僅需要通過增減相應單元或修改相應單元功能即可。如此一來，整個系統的功能分布在各個功能單元中，而非高度集中在某一個單元內部，系統可靠性大大提高[8]。此外，系統調試時也可先進行單元級調試，在互聯后進行系統級調試，降低了調試工作的難度。

2 即插即用

2.1 概 述

在分布式系統設計中，即插即用是一種很重要的設計思想，即系統在運行過程中具備動態檢測設備接入或撤出的能力，且可對接入設備進行配置，使其在系統中正常工作[9]。對于上述相控陣天線系統的設計方案，即插即用表現在：當標準化子陣上電連接波束控制單元后，波束控制單元可識別并對其進行初始配置；當標準化子陣斷電或因故障與波束控制單元斷開連接時，波束控制單元可識別并將撤出信息記錄并上報。同理，波束調度單元對波束控制單元的接入和撤出也可動態識別并正確處理。引入即插即用思想，可使系統工作更加智能化。當部分單元發生故障時，系統可快速識別；當單元恢復工作時，系統可迅速恢復工作，而無需整個系統重新初始化，因此可靠性也更高。

在即插即用技術中，設備識別時需要關注信息配置方式[10]。本方案的設計原則是不因引入即插即用思想而增加標準化子陣設計的復雜度，因此將需要配置的信息放在波束控制單元的存儲芯片中。波束控制單元根據標準化子陣的設備識別碼，讀取相應配置信息并對其進行初始配置。

2.2 建立過程

在上述設計方案中，波束控制單元相當于波束調度單元的即插即用設備，標準化子陣相當于波束控制單元的即插即用設備。本文以標準化子陣為例，給出即插即用設備上線與下線建立過程的詳細步驟。

2.2.1 上線過程

（1）初始化子陣識別碼，轉入下一步；

（2）查詢子陣登記信息，判斷子陣是否已在線，若未登記說明子陣下線，轉入下一步；

（3）發送心跳幀，用于判斷子陣是否上線，若收到回報，說明子陣已上線，轉入下一步；否則，轉入第（5）步；

（4）對子陣進行上線登記，根據識別碼從存儲芯片中讀取相應配置信息，并對其進行初始配置；

（5）變化子陣識別碼，指向其他子陣，回到第（2）步。

2.2.2 撤 出

（1）初始化子陣識別碼，轉入下一步；

（2）查詢子陣登記信息，判斷子陣是否已在線，若已登記說明子陣在線，轉入下一步；

（3）根據通信協議，發送心跳幀、查詢幀或控制幀，判斷子陣是否響應，若子陣超出規定時間未響應，說明子陣已下線，轉入下一步；若子陣響應，說明子陣仍在線，轉入第（5）步；

（4）刪除子陣在線登記信息；

（5）變化子陣識別碼，指向其他子陣，回到第（2）步。

3 結 論

本文針對大規模復雜相控陣系統提出了一種分布式的即插即用軟硬件設計方案，該方案對系統中各個單元的功能進行了明確劃分，模塊化程度高。目前，該方案已在多個項目中得到應用。從應用結果看，該方案可移植程度高、兼容性好，降低了軟硬件設計工作量，提高了系統可靠性，便于前期調試和后期維護。