基于SOPC的雷達多功能接口模塊的設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：為了滿足高性能和小型化的要求，采用SoPC技術(shù)在一片F(xiàn)PGA上實現(xiàn)了多個嵌入式系統(tǒng)來完成1553B通信和顯示處理等航電接口功能，特別是用VHDL語言實現(xiàn)了軟件可配置的彩色調(diào)色板和分層疊加顯示技術(shù)，使得系統(tǒng)具有集成度高、配置靈活、可靠性高等優(yōu)點。詳細介紹了各子模塊的主要功能、工作原理和關(guān)鍵技術(shù)，該模塊已經(jīng)成功應用于實際系統(tǒng)中。
關(guān)鍵詞：機載雷達；FPGA；SoPC；IP核；MieroBlaze；PowerPC 405

0 引言
機載火控雷達的接口模塊要承擔數(shù)據(jù)處理機所有的接口任務，包括與雷達外部的航空電子系統(tǒng)總線、與雷達內(nèi)部其他分系統(tǒng)(如發(fā)射機等)的通信以及輸出雷達視頻信號給航空電子綜合顯示器。這些接口功能有的比較復雜，如顯示處理接口要將雷達數(shù)據(jù)處理機送來的目標、天線、航跡和地圖等數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后形成符合標準的視頻信號輸出，有的要求高可靠性和實時性，如航電總線通信接口，而對于高性能的軍用設(shè)計，又要求盡可能減小空間、功耗和重量。隨著半導體工藝水平的不斷發(fā)展，現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)技術(shù)也在不斷進步，與1999年相比，F(xiàn)PGA的成本降低了500倍，邏輯容量提高了200倍，功耗降低了50倍，速度加快了40倍，并提供存儲器、高速并行和串行I／O、嵌入式處理器、DSP等強大功能，使得它的應用正向更廣泛的領(lǐng)域發(fā)展。SoPC作為一種特殊的嵌入式微處理器系統(tǒng)，融合了SoC和FPGA各自的優(yōu)點，并具備軟硬件在系統(tǒng)可編程、可裁減、可擴充、可升級的功能，已逐漸成為一個新興的技術(shù)方向，采用基于SoPC的FPGA來設(shè)計嵌入式計算機系統(tǒng)，可以在提高系統(tǒng)性能的同時，將外圍的數(shù)字電路模塊和存儲器放入芯片內(nèi)設(shè)計，大大減少芯片數(shù)量，最大限度地提高系統(tǒng)的集成度，是目前最能滿足小型化、高性能要求的新技術(shù)。本文采用Xilinx公司的基于Virtex-ⅡPro FPGA的32位軟核MicroBlaze和32位PowerPC系列處理器硬核PowerPC 405。

1 應用系統(tǒng)和外部接口
本文所設(shè)計的通用型多功能接口模塊包括3個接口子模塊，即與外部航電系統(tǒng)通信的1553B總線接口子模塊(MBI)、雷達內(nèi)部分系統(tǒng)之間的通信控制子模塊(M0)和航電顯示接口子模塊(TVJ)。這些子模塊功能彼此獨立并具有實時性要求，對于MBI模塊，需要系統(tǒng)能夠?qū)崟r地響應外部數(shù)據(jù)收發(fā)和高可靠性，處理速度不一定很高，對于顯示控制模塊，需要系統(tǒng)具有較高處理速度和能力以便能完成彩色雷達圖像的分層疊加顯示和地圖畫面的連續(xù)顯示，針對這些要求，充分采用SoPC技術(shù)，將3個嵌入式計算機系統(tǒng)都放在FPGA內(nèi)部設(shè)計實現(xiàn)，很好地滿足了設(shè)計需求。圖1為該系統(tǒng)的總體框圖，3個子模塊分別連接3種外部接口，同時它們通過公用的與Multibus的接口獨立完成與主控計算機的數(shù)據(jù)交換。

2 系統(tǒng)功能和實現(xiàn)
2．1 MBI子模塊電路設(shè)計
圖2為1553B總線接口子模塊(MBI)系統(tǒng)框圖，Microblaze是MBI功能塊的32位核心微處理器，它是一個專門為Xilinx FPGA優(yōu)化的RISC嵌入式軟處理器，具有32個32 b通用寄存器、硬件乘法器、32 b地址總線和32 b數(shù)據(jù)總線、三操作數(shù)32 b指令字，片內(nèi)總線遵循OPB(On-chip Peripheral Bus)標準，OPB是一種完全同步總線，OPB總線接口提供分離的32位地址總線和32位數(shù)據(jù)總線。通過OPB總線實現(xiàn)對1553B協(xié)議芯片、32位實時鐘、異步串行口(UART)、GPIO和雙口RAM的擴展和控制。在雙口RAM1的另一個端口設(shè)計了與Multibus的存儲器接口功能，使Multibus總線和OPB總線上的主設(shè)備可同時對RAM1進行存取不會產(chǎn)生沖突，且可在Multibus上實現(xiàn)雙向中斷功能，此外通過Multibus的I／O接口和OPB總線接口也可以對32位雷達實時鐘同時進行存取而不產(chǎn)生沖突。

為了可以靈活地設(shè)置1553B協(xié)議芯片的工作方式，在此通過一個OPB總線上的16位GPIO來保存和修改對芯片的工作方式的設(shè)置，它包括5位RT地址RTA[4：0]，6位工作模式設(shè)置MSEL[5；0]，芯片復位MRST等控制。以上電路除1553B控制器和變壓器外全部都在FPGA內(nèi)部用IP核和VHDL設(shè)計實現(xiàn)，MBI軟件上電后對1553B控制器進行初始化，然后實時查詢和響應雷達數(shù)據(jù)處理主機通過Multibus上的雙口RAM1送來的命令和數(shù)據(jù)以及1553B總線上發(fā)來的命令，完成與其他航電設(shè)備的數(shù)據(jù)交換和通信。