基于片上PowerPC的Vxworks处理平台的波束控制设计

张增继++许大进

摘要：片上嵌入式系统凭借其诸多方面的优势，如成本低、功耗低、尺寸小、处理速度快、可靠性高、实时性强、灵活性、产品上市时间以及设计开发周期短等优势，将嵌入式实时多任务操作系统VxWorks 和基于FPGA 的片上PowerPC 平台相结合，使产品体积更小、环境适应性更强、运行更可靠、扩展和升级更灵活、生产成本更低。必将成为将来雷达产品上的主流技术。本文提出了在其内嵌PowerPC440 处理器上构建Vxworks 操作系统平台的雷达的波束控制设计。

关键词：PowerPC440 Vxworks 嵌入式计算机 波束控制

中图分类号：TN958.92 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）08-0007-02

1 引言

PowerPC440是一款基于Book-E 增强PowerPC架构的高性能、低功耗处理器，具有超标量、流水线处理单元，并拥有嵌入式SIC产品规范所需要的其他功能要素，如存储管理、cache控制、定时器、各种软硬件调试机制等。能够有效支持SOC设计，从而进一步节省计算机整体的空间和功耗，是能满足波束控制处理的一款平台。Xilinx公司提供的EDK开发工具是一种专门针对FPGA内部嵌入式处理器的集成开发工具包，主要的软件设计由EDK中的子工具包SDK完成。用户可以通过集成在EDK中的XPS来调用各种工具完成嵌入式系统平台的搭建工作。基于内嵌PPC440硬核系统平台设计技术的功能设计，通过调整嵌入CPU的总线控制及外围接口设计，运行vxWorks操作系统能实现波控系统的小型化、高可靠性、实时性要求。

2 波束控制系统设计分析

2.1 波控系统的基本原理

相控阵雷达搜索时，波束控制系统根据天线波束指向的空间位置，计算出相应的方位或仰角初始相位值，然后再计算出阵列线中每个单元移相器所需的相位值，求出阵列中各个移相器需要的波束控制码，并打入相应的寄存器使移相器移相，从而使天线波束指向预定的搜索空域。在天线的扫描过程中，整个天线系统保持相对固定，即天线本身不做任何机械运动，而是由波控系统通过控制阵列天线中各个单元中移相器的幅度和相位，得到所需要的波束指向，实现控制电磁波束的扫描。根据雷达原理一个间距为d的N个单元线阵，在同相馈电时，最大辐射方向就是其法线方向[1]。

天线系统的每个T/R组件内各有一个移相器，通过波控系统对移相器的控制，使其相位在0～2π之间调整，由此控制天线的主瓣指向。天线相位控制扫描工作原理如下图1所示。

2.2 波控系统的设计实现

根据波束控制系统的性能要求，以基本模块为基础，波束控制系统的对象T/R设计成模块形式[2]，波控系统的原理框图如下图2所示。

系统的工作原理如下：嵌入式PC接收到指令信息，产生阵面组件的移相数据，并根据各种模式参数，产生不同工作模式下的开关信号以及不同的工作时序。各种数据和开关状态在时序控制下，完成数据的组合以及并串转换，再经过信号的分配和电路的驱动，完成移相数据向T/R组件的传输。另外配合时序的控制，完成阵面移相器的布相任务。

目前在波束控制系统设计中普遍采用二级缓存同步布相，即提前将下一波束的布相数据计算好并依次锁存在一级缓存中，当波束进行切换时由波位切换信号将一级缓存中的布相数据同步打入到二级缓存中，二级缓存中的数据将直接控制T/R组件，其工作示意图如图3。

3 系统软件设计

3.1 基于FPGA 的片上PowerPC系统

本系统的软件设计分为两大部分。其中底层系统软件设计主要完成BSP（板级支持包）功能；而用户应用软件设计则包括用户硬件驱动及用户上层应用软件。由于EDK中带有许多IP核及相应的驱动软件，因此，底层系统软件的设计大部分可在EDK集成开发工具中完成，如操作系统的选择、操作系统参数设置、设备驱动程序的选择、中断/异常处理例程的设置等各种系统软件参数的设置。由于有底层驱动软件的隔离，所以用户应用软件的设计通常都具有通用性，使用C语言即可完成。波控系统软件平台选用嵌入式实时操作系VxWorks，该操作系统具有集成度高、内核小、多任务、中断响应实时性好等特点，在很多军工产品中已得到充分验证。采用基于Xilinx嵌入式FPGA设计，在FPGA内使用嵌入式PowerPC440 CPU核作为处理器，具有相当大的灵活性可按需要随意裁减的操作系统软件，并拥有较多的开发和调试工具。编译环境为WorkBench6.7，提供了图形化的实时应用开发平台，它包含一套完整的面向嵌入式系统的开发和调试工具，很好的解决了波束控制系统中软件调试难题[3]。

3.2 软件系统工作流程及功能模块

波束控制系统软件工作流程如图4。

根据软件工作处理工作流程，将软件系统各模块功能描述如下：

（1）初始化模块：内存申请，设置工作初始参数，UDP网络初始化，初始移相码表的建立等。

（2）移相码表建立：根据当前的工作模式，对不同频点的波束进行校正处理，并将校正结果保存在移相码表中，作为下次工作的移相码表。

（3）波束控制模块：根据接收到的数据信息，快速查询波控码表，按移相器地址顺序的打入各移相器，实现波束控制。

（4）故障监测模块：检测系统各插件工作状态，并输出到显控终端。

（5）网络模块：负责与外部设备的通信[4]。

4 结语

本文将嵌入式实时多任务操作系统VxWorks和基于FPGA的片上PowerPC平台相结合，用于雷达波束控制设计中，使产品体积更小、环境适应性更强、运行更可靠、扩展和升级更灵活、生产成本更低。借助于高效的开发—风河公司workbench和Xilinx公司推出的完整的软硬件协同设计工具EDK（Embedded Development Kit），可以极大的简化嵌入式实时多任务软件设计和BSP生成的复杂性，同时，也大大缩短了开发周期。在工程实践中工作稳定可靠，取得了预期的效果，可以预见，基于FPGA片上PowerPC的Vxworks实时操作系统的综合处理平台，将会在各个领域具有广泛的应用前景。

参考文献

[1]张光义.相控阵雷达系统[M].北京：国防工业出版社，1994.

[2]丁鹭飞.雷达原理[M].西安：西北电讯工程学院出版社，1983.

[3]薛小刚，葛毅敏.Xilinx ISE 9.x设计指南[M].北京：人民邮电出版社，2007.

[4]刘浩，陈之涛.基于VxWorks的有源相控阵雷达波束控制系统设计.全国第21届计算机技术与应用学术会议（CACIS·2010）暨全国第2届安全关键技术与应用学术会议论文集.

摘要：片上嵌入式系统凭借其诸多方面的优势，如成本低、功耗低、尺寸小、处理速度快、可靠性高、实时性强、灵活性、产品上市时间以及设计开发周期短等优势，将嵌入式实时多任务操作系统VxWorks 和基于FPGA 的片上PowerPC 平台相结合，使产品体积更小、环境适应性更强、运行更可靠、扩展和升级更灵活、生产成本更低。必将成为将来雷达产品上的主流技术。本文提出了在其内嵌PowerPC440 处理器上构建Vxworks 操作系统平台的雷达的波束控制设计。

关键词：PowerPC440 Vxworks 嵌入式计算机 波束控制

中图分类号：TN958.92 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）08-0007-02

1 引言

PowerPC440是一款基于Book-E 增强PowerPC架构的高性能、低功耗处理器，具有超标量、流水线处理单元，并拥有嵌入式SIC产品规范所需要的其他功能要素，如存储管理、cache控制、定时器、各种软硬件调试机制等。能够有效支持SOC设计，从而进一步节省计算机整体的空间和功耗，是能满足波束控制处理的一款平台。Xilinx公司提供的EDK开发工具是一种专门针对FPGA内部嵌入式处理器的集成开发工具包，主要的软件设计由EDK中的子工具包SDK完成。用户可以通过集成在EDK中的XPS来调用各种工具完成嵌入式系统平台的搭建工作。基于内嵌PPC440硬核系统平台设计技术的功能设计，通过调整嵌入CPU的总线控制及外围接口设计，运行vxWorks操作系统能实现波控系统的小型化、高可靠性、实时性要求。

2 波束控制系统设计分析

2.1 波控系统的基本原理

相控阵雷达搜索时，波束控制系统根据天线波束指向的空间位置，计算出相应的方位或仰角初始相位值，然后再计算出阵列线中每个单元移相器所需的相位值，求出阵列中各个移相器需要的波束控制码，并打入相应的寄存器使移相器移相，从而使天线波束指向预定的搜索空域。在天线的扫描过程中，整个天线系统保持相对固定，即天线本身不做任何机械运动，而是由波控系统通过控制阵列天线中各个单元中移相器的幅度和相位，得到所需要的波束指向，实现控制电磁波束的扫描。根据雷达原理一个间距为d的N个单元线阵，在同相馈电时，最大辐射方向就是其法线方向[1]。

天线系统的每个T/R组件内各有一个移相器，通过波控系统对移相器的控制，使其相位在0～2π之间调整，由此控制天线的主瓣指向。天线相位控制扫描工作原理如下图1所示。

2.2 波控系统的设计实现

根据波束控制系统的性能要求，以基本模块为基础，波束控制系统的对象T/R设计成模块形式[2]，波控系统的原理框图如下图2所示。

系统的工作原理如下：嵌入式PC接收到指令信息，产生阵面组件的移相数据，并根据各种模式参数，产生不同工作模式下的开关信号以及不同的工作时序。各种数据和开关状态在时序控制下，完成数据的组合以及并串转换，再经过信号的分配和电路的驱动，完成移相数据向T/R组件的传输。另外配合时序的控制，完成阵面移相器的布相任务。

目前在波束控制系统设计中普遍采用二级缓存同步布相，即提前将下一波束的布相数据计算好并依次锁存在一级缓存中，当波束进行切换时由波位切换信号将一级缓存中的布相数据同步打入到二级缓存中，二级缓存中的数据将直接控制T/R组件，其工作示意图如图3。

3 系统软件设计

3.1 基于FPGA 的片上PowerPC系统

本系统的软件设计分为两大部分。其中底层系统软件设计主要完成BSP（板级支持包）功能；而用户应用软件设计则包括用户硬件驱动及用户上层应用软件。由于EDK中带有许多IP核及相应的驱动软件，因此，底层系统软件的设计大部分可在EDK集成开发工具中完成，如操作系统的选择、操作系统参数设置、设备驱动程序的选择、中断/异常处理例程的设置等各种系统软件参数的设置。由于有底层驱动软件的隔离，所以用户应用软件的设计通常都具有通用性，使用C语言即可完成。波控系统软件平台选用嵌入式实时操作系VxWorks，该操作系统具有集成度高、内核小、多任务、中断响应实时性好等特点，在很多军工产品中已得到充分验证。采用基于Xilinx嵌入式FPGA设计，在FPGA内使用嵌入式PowerPC440 CPU核作为处理器，具有相当大的灵活性可按需要随意裁减的操作系统软件，并拥有较多的开发和调试工具。编译环境为WorkBench6.7，提供了图形化的实时应用开发平台，它包含一套完整的面向嵌入式系统的开发和调试工具，很好的解决了波束控制系统中软件调试难题[3]。

3.2 软件系统工作流程及功能模块

波束控制系统软件工作流程如图4。

根据软件工作处理工作流程，将软件系统各模块功能描述如下：

（1）初始化模块：内存申请，设置工作初始参数，UDP网络初始化，初始移相码表的建立等。

（2）移相码表建立：根据当前的工作模式，对不同频点的波束进行校正处理，并将校正结果保存在移相码表中，作为下次工作的移相码表。

（3）波束控制模块：根据接收到的数据信息，快速查询波控码表，按移相器地址顺序的打入各移相器，实现波束控制。

（4）故障监测模块：检测系统各插件工作状态，并输出到显控终端。

（5）网络模块：负责与外部设备的通信[4]。

4 结语

本文将嵌入式实时多任务操作系统VxWorks和基于FPGA的片上PowerPC平台相结合，用于雷达波束控制设计中，使产品体积更小、环境适应性更强、运行更可靠、扩展和升级更灵活、生产成本更低。借助于高效的开发—风河公司workbench和Xilinx公司推出的完整的软硬件协同设计工具EDK（Embedded Development Kit），可以极大的简化嵌入式实时多任务软件设计和BSP生成的复杂性，同时，也大大缩短了开发周期。在工程实践中工作稳定可靠，取得了预期的效果，可以预见，基于FPGA片上PowerPC的Vxworks实时操作系统的综合处理平台，将会在各个领域具有广泛的应用前景。

参考文献

[1]张光义.相控阵雷达系统[M].北京：国防工业出版社，1994.

[2]丁鹭飞.雷达原理[M].西安：西北电讯工程学院出版社，1983.

[3]薛小刚，葛毅敏.Xilinx ISE 9.x设计指南[M].北京：人民邮电出版社，2007.

[4]刘浩，陈之涛.基于VxWorks的有源相控阵雷达波束控制系统设计.全国第21届计算机技术与应用学术会议（CACIS·2010）暨全国第2届安全关键技术与应用学术会议论文集.

摘要：片上嵌入式系统凭借其诸多方面的优势，如成本低、功耗低、尺寸小、处理速度快、可靠性高、实时性强、灵活性、产品上市时间以及设计开发周期短等优势，将嵌入式实时多任务操作系统VxWorks 和基于FPGA 的片上PowerPC 平台相结合，使产品体积更小、环境适应性更强、运行更可靠、扩展和升级更灵活、生产成本更低。必将成为将来雷达产品上的主流技术。本文提出了在其内嵌PowerPC440 处理器上构建Vxworks 操作系统平台的雷达的波束控制设计。

关键词：PowerPC440 Vxworks 嵌入式计算机 波束控制

中图分类号：TN958.92 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）08-0007-02

1 引言

PowerPC440是一款基于Book-E 增强PowerPC架构的高性能、低功耗处理器，具有超标量、流水线处理单元，并拥有嵌入式SIC产品规范所需要的其他功能要素，如存储管理、cache控制、定时器、各种软硬件调试机制等。能够有效支持SOC设计，从而进一步节省计算机整体的空间和功耗，是能满足波束控制处理的一款平台。Xilinx公司提供的EDK开发工具是一种专门针对FPGA内部嵌入式处理器的集成开发工具包，主要的软件设计由EDK中的子工具包SDK完成。用户可以通过集成在EDK中的XPS来调用各种工具完成嵌入式系统平台的搭建工作。基于内嵌PPC440硬核系统平台设计技术的功能设计，通过调整嵌入CPU的总线控制及外围接口设计，运行vxWorks操作系统能实现波控系统的小型化、高可靠性、实时性要求。

2 波束控制系统设计分析

2.1 波控系统的基本原理

相控阵雷达搜索时，波束控制系统根据天线波束指向的空间位置，计算出相应的方位或仰角初始相位值，然后再计算出阵列线中每个单元移相器所需的相位值，求出阵列中各个移相器需要的波束控制码，并打入相应的寄存器使移相器移相，从而使天线波束指向预定的搜索空域。在天线的扫描过程中，整个天线系统保持相对固定，即天线本身不做任何机械运动，而是由波控系统通过控制阵列天线中各个单元中移相器的幅度和相位，得到所需要的波束指向，实现控制电磁波束的扫描。根据雷达原理一个间距为d的N个单元线阵，在同相馈电时，最大辐射方向就是其法线方向[1]。

天线系统的每个T/R组件内各有一个移相器，通过波控系统对移相器的控制，使其相位在0～2π之间调整，由此控制天线的主瓣指向。天线相位控制扫描工作原理如下图1所示。

2.2 波控系统的设计实现

根据波束控制系统的性能要求，以基本模块为基础，波束控制系统的对象T/R设计成模块形式[2]，波控系统的原理框图如下图2所示。

系统的工作原理如下：嵌入式PC接收到指令信息，产生阵面组件的移相数据，并根据各种模式参数，产生不同工作模式下的开关信号以及不同的工作时序。各种数据和开关状态在时序控制下，完成数据的组合以及并串转换，再经过信号的分配和电路的驱动，完成移相数据向T/R组件的传输。另外配合时序的控制，完成阵面移相器的布相任务。

目前在波束控制系统设计中普遍采用二级缓存同步布相，即提前将下一波束的布相数据计算好并依次锁存在一级缓存中，当波束进行切换时由波位切换信号将一级缓存中的布相数据同步打入到二级缓存中，二级缓存中的数据将直接控制T/R组件，其工作示意图如图3。

3 系统软件设计

3.1 基于FPGA 的片上PowerPC系统

本系统的软件设计分为两大部分。其中底层系统软件设计主要完成BSP（板级支持包）功能；而用户应用软件设计则包括用户硬件驱动及用户上层应用软件。由于EDK中带有许多IP核及相应的驱动软件，因此，底层系统软件的设计大部分可在EDK集成开发工具中完成，如操作系统的选择、操作系统参数设置、设备驱动程序的选择、中断/异常处理例程的设置等各种系统软件参数的设置。由于有底层驱动软件的隔离，所以用户应用软件的设计通常都具有通用性，使用C语言即可完成。波控系统软件平台选用嵌入式实时操作系VxWorks，该操作系统具有集成度高、内核小、多任务、中断响应实时性好等特点，在很多军工产品中已得到充分验证。采用基于Xilinx嵌入式FPGA设计，在FPGA内使用嵌入式PowerPC440 CPU核作为处理器，具有相当大的灵活性可按需要随意裁减的操作系统软件，并拥有较多的开发和调试工具。编译环境为WorkBench6.7，提供了图形化的实时应用开发平台，它包含一套完整的面向嵌入式系统的开发和调试工具，很好的解决了波束控制系统中软件调试难题[3]。

3.2 软件系统工作流程及功能模块

波束控制系统软件工作流程如图4。

根据软件工作处理工作流程，将软件系统各模块功能描述如下：

（1）初始化模块：内存申请，设置工作初始参数，UDP网络初始化，初始移相码表的建立等。

（2）移相码表建立：根据当前的工作模式，对不同频点的波束进行校正处理，并将校正结果保存在移相码表中，作为下次工作的移相码表。

（3）波束控制模块：根据接收到的数据信息，快速查询波控码表，按移相器地址顺序的打入各移相器，实现波束控制。

（4）故障监测模块：检测系统各插件工作状态，并输出到显控终端。

（5）网络模块：负责与外部设备的通信[4]。

4 结语

本文将嵌入式实时多任务操作系统VxWorks和基于FPGA的片上PowerPC平台相结合，用于雷达波束控制设计中，使产品体积更小、环境适应性更强、运行更可靠、扩展和升级更灵活、生产成本更低。借助于高效的开发—风河公司workbench和Xilinx公司推出的完整的软硬件协同设计工具EDK（Embedded Development Kit），可以极大的简化嵌入式实时多任务软件设计和BSP生成的复杂性，同时，也大大缩短了开发周期。在工程实践中工作稳定可靠，取得了预期的效果，可以预见，基于FPGA片上PowerPC的Vxworks实时操作系统的综合处理平台，将会在各个领域具有广泛的应用前景。

参考文献

[1]张光义.相控阵雷达系统[M].北京：国防工业出版社，1994.

[2]丁鹭飞.雷达原理[M].西安：西北电讯工程学院出版社，1983.

[3]薛小刚，葛毅敏.Xilinx ISE 9.x设计指南[M].北京：人民邮电出版社，2007.

[4]刘浩，陈之涛.基于VxWorks的有源相控阵雷达波束控制系统设计.全国第21届计算机技术与应用学术会议（CACIS·2010）暨全国第2届安全关键技术与应用学术会议论文集.