基于SOPC的分布式干擾系統(tǒng)嵌入式網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

0 引言

分布式干擾系統(tǒng)是一種綜合化、一體化、小型化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化系統(tǒng)，是將眾多體積小，重量輕，廉價(jià)的小功率偵察干擾機(jī)裝置在易于投放的小型平臺(tái)上，撒布在接近被干擾目標(biāo)空域地，通過(guò)指令啟動(dòng)，自主組網(wǎng)，并根據(jù)控制對(duì)敵方雷達(dá)網(wǎng)、通信網(wǎng)、制導(dǎo)網(wǎng)和預(yù)警機(jī)等電子信息系統(tǒng)實(shí)施接近式偵察和干擾，這將在未來(lái)的電子對(duì)抗中發(fā)揮重要作用。分布式干擾系統(tǒng)采用逼近的分布式網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)，形成一種“面對(duì)面”的電子戰(zhàn)系統(tǒng)，共同完成對(duì)敵信號(hào)的探測(cè)、定位、干擾任務(wù)。因此，嵌入式網(wǎng)關(guān)是分布式干擾系統(tǒng)研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前國(guó)內(nèi)對(duì)分布式干擾系統(tǒng)的研究還停留在理論基礎(chǔ)上，而對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)的研究不多。本文首次在現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 (Field Programmable GateArray，F(xiàn)PGA)上設(shè)計(jì)了應(yīng)用于分布式干擾系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)的可編程片上系統(tǒng)(System on a Programmable Chip，SoPC)，開發(fā)了簡(jiǎn)化的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序，研究了分布式干擾系統(tǒng)中的嵌入式網(wǎng)關(guān)技術(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的SoPC在滿足分布式干擾系統(tǒng)要求的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了控制參數(shù)和偵察信號(hào)時(shí)域、頻域數(shù)據(jù)的高速傳輸。

1 分布式干擾系統(tǒng)對(duì)嵌入式網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)的要求

根據(jù)分布式干擾系統(tǒng)的作戰(zhàn)運(yùn)用背景，在設(shè)計(jì)嵌入式網(wǎng)關(guān)硬件平臺(tái)時(shí)應(yīng)從以下幾個(gè)方面考慮：

(1)微型化。嵌入式網(wǎng)關(guān)應(yīng)該在體積上足夠小，保證分布式干擾系統(tǒng)的小型化。

(2)擴(kuò)展性和靈活性。分布式干擾系統(tǒng)需要定義統(tǒng)一、完整的外部接口，方便軟硬件系統(tǒng)的升級(jí)，其嵌入式網(wǎng)關(guān)也應(yīng)具有擴(kuò)展性和靈活性，可以根據(jù)作戰(zhàn)環(huán)境的需要進(jìn)行升級(jí)。

(3)穩(wěn)定性和安全性。穩(wěn)定性要求嵌入式網(wǎng)關(guān)能夠在給定的外部環(huán)境變化范圍內(nèi)正常工作。安全性設(shè)計(jì)包括代碼安全和通信安全，是軍事領(lǐng)域應(yīng)用的基本要求。

(4)低成本。分布式干擾系統(tǒng)的作戰(zhàn)應(yīng)用表明，系統(tǒng)是大量部署且不能回收的，因此就要嚴(yán)格限制包括嵌入式網(wǎng)關(guān)在內(nèi)的重要部件的成本。

(5)低功耗。嵌入式網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計(jì)直接決定了其能耗水平，還決定了各種軟件通過(guò)優(yōu)化可能達(dá)到的最低能耗水平。因此，要合理地設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)，有效降低系統(tǒng)能耗。

(6)具有一定的信號(hào)預(yù)處理能力。嵌入式系統(tǒng)中微處理器的處理能力較弱，且內(nèi)存較小，嵌入式網(wǎng)絡(luò)的速度普遍不高。這就要求嵌入式網(wǎng)關(guān)具有一定的信號(hào)預(yù)處理能力，包括下變頻功能和FFT變換功能，以此來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男省?/p>

2 分布式干擾系統(tǒng)中嵌入式網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計(jì)

嵌入式網(wǎng)關(guān)實(shí)際上就是一個(gè)可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信功能的嵌入式系統(tǒng)。隨著FPGA技術(shù)的迅速發(fā)展，SoPC作為一種特殊的嵌入式系統(tǒng)，具備軟硬件在系統(tǒng)可編程、可裁減、可擴(kuò)充、可升級(jí)的功能，已逐漸成為一個(gè)新興的技術(shù)方向。因此，本文在設(shè)計(jì)分布式干擾系統(tǒng)的嵌入式網(wǎng)關(guān)時(shí)選用基于FPGA的SoPC解決方案，選用的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為Xilinx公司的ML402開發(fā)平臺(tái)。

2.1 分布式干擾系統(tǒng)中嵌入式網(wǎng)關(guān)的硬件組成

圖1表示的是分布式干擾系統(tǒng)中嵌入式網(wǎng)關(guān)的硬件組成，這些硬件除A/D、干擾機(jī)和控制中心外都集成在一塊ML402評(píng)估板上。系統(tǒng)以帶有32位 MicroBlaze微處理器軟核的FPGA作為控制中心，處理經(jīng)A/D變換后的偵察信號(hào)數(shù)據(jù)，然后通過(guò)以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳送到控制中心，并從控制中心傳回控制參數(shù)。DDR_SDRAM作為片外存儲(chǔ)器，用來(lái)彌補(bǔ)微處理器內(nèi)部存儲(chǔ)器容量小的缺點(diǎn);CF卡存儲(chǔ)系統(tǒng)軟硬件的bit文件和網(wǎng)絡(luò)配置文件;串口用來(lái)控制具有遠(yuǎn)程控制功能的偵察接收機(jī)，也可在調(diào)試時(shí)輸出系統(tǒng)的運(yùn)行信息。本文設(shè)計(jì)的嵌入式網(wǎng)關(guān)的各功能部件在FPGA內(nèi)部都以IP核的形式構(gòu)建并連接，較好地滿足了分布式干擾系統(tǒng)對(duì)嵌入式網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)的要求。

2.2 SoPC的片上總線設(shè)計(jì)

受分布式干擾系統(tǒng)體積和電源能量的限制，其網(wǎng)絡(luò)通信必須采用猝發(fā)通信的方式，這就對(duì)嵌入式網(wǎng)關(guān)微處理器的處理能力提出了更高的要求。MicroBlaze 微處理器的總線是其優(yōu)于其他同類CPU的重要部分，每種總線都有鮮明的特點(diǎn)和明確的外設(shè)。只有合理使用不同的總線來(lái)訪問(wèn)不同的外設(shè)，且正確地協(xié)調(diào)這些總線的工作，才能最大限度地發(fā)揮MicroBlaze的優(yōu)勢(shì)。因此，SoPC的片上總線設(shè)計(jì)是該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

Xilinx以IBM CoreConnect總線通信鏈為嵌入式處理器的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，提供了豐富的接口資源，主要有處理器本地總線(Processor Local Bus，PLB)接口、高速的本地存儲(chǔ)器總線(LMB，Local Memory Bus)接口、快速單連接(Fast Simplex Link，F(xiàn)SL)主從設(shè)備接口、緩存鏈路(Xilinx Cache Link，Xilinx，XCL)接口。PLB總線可將外設(shè)IP核連接到Microblaze系統(tǒng)中，常用在速度要求不高的場(chǎng)合;LMB專門用于實(shí)現(xiàn)對(duì)片上的塊RAM的高速訪問(wèn);XCL則用于實(shí)現(xiàn)對(duì)片外存儲(chǔ)器的高速訪問(wèn)。FSL是Microblaze處理器特有的一個(gè)基于FIFO的單向鏈路，可實(shí)現(xiàn)用戶自定義IP核與MicroBlaze內(nèi)部通用寄存器的直接相連，一般用在傳輸速度要求較高的場(chǎng)合。

在本文設(shè)計(jì)的分布式干擾系統(tǒng)的嵌入式網(wǎng)關(guān)中，SysACE CF卡、中斷控制INTC、GPIO和串口UART與MieroBlaze處理器之間只進(jìn)行參數(shù)傳遞，對(duì)速度要求不高，因此使用PLB總線與 MieroBlaze處理器和多端口內(nèi)存控制器(Multi Port Memory Controller，MPMC)相連;MPMC與Mic-roBlaze處理器之間使用XCL相連。自定義IP核FFT輸出信號(hào)的頻譜數(shù)據(jù)，對(duì)傳輸速度要求很高，因此使用FSL總線與MicroBlaze內(nèi)部通用寄存器直接相連。DDC輸出信號(hào)的時(shí)域數(shù)據(jù)，對(duì)傳輸速度要求最高;為滿足傳輸速度要求，本文參照以太網(wǎng)控制器Soft TEMAC開發(fā)了XPS_LL_Exam-ple IP核，通過(guò)該IP核的LocalLink接口將信號(hào)的時(shí)域數(shù)據(jù)傳輸?shù)組PMC中進(jìn)行處理。分布式干擾系統(tǒng)的嵌入式網(wǎng)關(guān)片上總線設(shè)計(jì)如圖2所示。

2.3 SoPC的實(shí)現(xiàn)

本文設(shè)計(jì)的SoPC是利用Xilinx公司的嵌入式開發(fā)套件(Embedded Development Kit，EDK)實(shí)現(xiàn)的。EDK集成了硬件平臺(tái)產(chǎn)生器、軟件平臺(tái)產(chǎn)生器、仿真模型生成器、軟件編譯器和軟件調(diào)試等工具。用戶使用EDK可以對(duì)硬件平臺(tái)進(jìn)行任意的添加和裁減，同時(shí)可以方便地添加自定義的IP核，極大地方便了開發(fā)過(guò)程，提高設(shè)計(jì)效率。本文利用EDK實(shí)現(xiàn)圖2所示的各功能部件IP核的添加，并實(shí)現(xiàn)了IP核的地址分配和總線架構(gòu)、外設(shè)接口的連接。[!--empirenews.page--]

3 分布式干擾系統(tǒng)中嵌入式網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計(jì)

分布式干擾系統(tǒng)中嵌入式網(wǎng)關(guān)的軟件包括嵌入式操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序。EDK集成了軟件平臺(tái)產(chǎn)生器、軟件編譯器和軟件調(diào)試等工具，因此，軟件設(shè)計(jì)也在EDK進(jìn)行。

3.1 嵌入式操作系統(tǒng)的選用

嵌入式操作系統(tǒng)是嵌入式軟件技術(shù)的核心，介于嵌入式系統(tǒng)硬件和應(yīng)用程序之間，負(fù)責(zé)調(diào)度并管理應(yīng)用程序，完成對(duì)嵌入式系統(tǒng)硬件的控制和操作。嵌入式操作系統(tǒng)的選用主要考慮實(shí)時(shí)、高可靠、低功耗、可抑制性和兼容性、軟件開發(fā)難易等因素。本文主要是對(duì)分布式干擾系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信進(jìn)行技術(shù)驗(yàn)證，因此選擇較為簡(jiǎn)單的 Xilkernel操作系統(tǒng)。

Xilkernel是Xilinx公司提供的用于EDK系統(tǒng)的小型、模塊化的嵌入式操作系統(tǒng)。Xilkernel的內(nèi)核完整，且占用CPU資源較少，運(yùn)行速度快，是中小型設(shè)計(jì)的理想操作系統(tǒng)。Xilkernel本身不帶有文件處理系統(tǒng)和TCP/IP協(xié)議棧，但與LwIP庫(kù)和Treck協(xié)議棧具有良好的接口，加上文件系統(tǒng)支持庫(kù)LibXil MFS，可形成較為復(fù)雜的嵌入式操作系統(tǒng)。

首先，在EDK的軟件平臺(tái)設(shè)置中選擇Xilkernel，并選擇相應(yīng)的文件系統(tǒng)和TCP/IP協(xié)議棧，本文選擇xilfatfs文件系統(tǒng)和lwip130 協(xié)議棧。然后在操作系統(tǒng)和庫(kù)函數(shù)界面對(duì)操作系統(tǒng)進(jìn)行配置，主要進(jìn)行輸入/輸出、線程和計(jì)時(shí)器的設(shè)置。最后執(zhí)行產(chǎn)生庫(kù)函數(shù)和BSPs文件，即可生成與嵌入式系統(tǒng)硬件平臺(tái)相匹配的嵌入式操作系統(tǒng)環(huán)境。

3.2 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序的開發(fā)

分布式干擾系統(tǒng)中嵌入式網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)闹饕獢?shù)據(jù)為偵察信號(hào)時(shí)域和頻域數(shù)據(jù)，直接影響著網(wǎng)絡(luò)通信的效率，因此，本文只對(duì)偵察信號(hào)時(shí)域和頻域數(shù)據(jù)的傳輸進(jìn)行檢測(cè)。網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序采用順序執(zhí)行的結(jié)構(gòu)方式。為了能夠響應(yīng)外圍設(shè)備的中斷請(qǐng)求，在程序中為多個(gè)外圍設(shè)備提供了相應(yīng)的中斷服務(wù)程序。網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序的流程圖如圖3所示。

4 系統(tǒng)調(diào)試

用一根千兆網(wǎng)線將圖1所示的硬件系統(tǒng)與PC機(jī)相連，在PC機(jī)上開發(fā)網(wǎng)絡(luò)客戶端程序，發(fā)送控制偵察接收機(jī)的數(shù)據(jù)。使用信號(hào)線將AR-ONE通信接收機(jī)輸出端與A/D板相連，A/D模塊使用ADI公司的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)AD9460。在偵察接收機(jī)受控工作時(shí)，使用串口線將圖1所示硬件系統(tǒng)與AR-ONE通信接收機(jī)串口輸入相連;在偵察接收機(jī)自主工作和系統(tǒng)調(diào)試時(shí)，使用串口線將圖1所示硬件系統(tǒng)與PC機(jī)相連，在超級(jí)終端中觀察系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。將信號(hào)源與AR- ONE通信接收機(jī)信號(hào)輸入端相連。將軟硬件聯(lián)合編譯生成的bit文件下載到FPGA開發(fā)板上，信號(hào)源輸出95.5MHz的FM信號(hào)，在PC機(jī)上使用無(wú)線電監(jiān)測(cè)測(cè)向系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如圖4、圖5所示。

經(jīng)比對(duì)，PC機(jī)上顯示的正是信號(hào)源輸出信號(hào)的頻域和時(shí)域波形。

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于FPGA的SoPC，利用此SoPC的網(wǎng)絡(luò)功能可實(shí)現(xiàn)PC機(jī)對(duì)通信接收機(jī)的控制，并可將接收機(jī)偵察信號(hào)的頻域和時(shí)域波形實(shí)時(shí)的傳回PC 機(jī)。同時(shí)，基于FPGA IP核的設(shè)計(jì)，使各功能部件集中在FPGA芯片上，滿足了分布式干擾系統(tǒng)對(duì)體積、成本、功耗和靈活性的要求。如再加上無(wú)線收發(fā)模塊，該SoPC可作為分布式干擾系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)的一種解決方案。