摘要：分布式干擾是對抗現(xiàn)代雷達網(wǎng)、通信網(wǎng),、武器制導網(wǎng)和預(yù)警機的有效手段,，網(wǎng)絡(luò)是分布式干擾系統(tǒng)發(fā)揮作戰(zhàn)性能的重要保證。為了解決分布式干擾系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信的需求,，設(shè)計了基于FPGA且具有網(wǎng)絡(luò)通信功能的SoPC,，開發(fā)了網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序。實驗結(jié)果證明，該SoPC可實現(xiàn)控制參數(shù)和偵察信號時域,、頻域數(shù)據(jù)的高速傳輸,，且具有體積小，靈活,，成本低,，功耗小的特點，可滿足分布式干擾系統(tǒng)的設(shè)計要求,。
關(guān)鍵詞：分布式干擾,；嵌入式網(wǎng)絡(luò)；FPGA,；SoPC

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,，廉價的小功率偵察干擾機裝置在易于投放的小型平臺上,，撒布在接近被干擾目標空域地，通過指令啟動,，自主組網(wǎng),，并根據(jù)控制對敵方雷達網(wǎng)、通信網(wǎng),、制導網(wǎng)和預(yù)警機等電子信息系統(tǒng)實施接近式偵察和干擾，這將在未來的電子對抗中發(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“面對面”的電子戰(zhàn)系統(tǒng)，共同完成對敵信號的探測,、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,。目前國內(nèi)對分布式干擾系統(tǒng)的研究還停留在理論基礎(chǔ)上，而對其關(guān)鍵技術(shù)的研究不多,。本文首次在現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable GateArray,，F(xiàn)PGA)上設(shè)計了應(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)。實驗結(jié)果表明，本文設(shè)計的SoPC在滿足分布式干擾系統(tǒng)要求的同時,，實現(xiàn)了控制參數(shù)和偵察信號時域,、頻域數(shù)據(jù)的高速傳輸。

1 分布式干擾系統(tǒng)對嵌入式網(wǎng)關(guān)設(shè)計的要求
    根據(jù)分布式干擾系統(tǒng)的作戰(zhàn)運用背景,，在設(shè)計嵌入式網(wǎng)關(guān)硬件平臺時應(yīng)從以下幾個方面考慮：
    (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,，其嵌入式網(wǎng)關(guān)也應(yīng)具有擴展性和靈活性，可以根據(jù)作戰(zhàn)環(huán)境的需要進行升級,。
    (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)計直接決定了其能耗水平,，還決定了各種軟件通過優(yōu)化可能達到的最低能耗水平。因此,，要合理地設(shè)計硬件系統(tǒng),，有效降低系統(tǒng)能耗。
    (6)具有一定的信號預(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)具有一定的信號預(yù)處理能力,，包括下變頻功能和FFT變換功能，以此來提高網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男省?br />
2 分布式干擾系統(tǒng)中嵌入式網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計
    嵌入式網(wǎng)關(guān)實際上就是一個可實現(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,、可擴充、可升級的功能，已逐漸成為一個新興的技術(shù)方向,。因此,，本文在設(shè)計分布式干擾系統(tǒng)的嵌入式網(wǎng)關(guān)時選用基于FPGA的SoPC解決方案，選用的實驗平臺為Xilinx公司的ML402開發(fā)平臺,。
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、干擾機和控制中心外都集成在一塊ML402評估板上,。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變換后的偵察信號數(shù)據(jù)，然后通過以太網(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作為片外存儲器，用來彌補微處理器內(nèi)部存儲器容量小的缺點,；CF卡存儲系統(tǒng)軟硬件的bit文件和網(wǎng)絡(luò)配置文件,；串口用來控制具有遠程控制功能的偵察接收機，也可在調(diào)試時輸出系統(tǒng)的運行信息,。本文設(shè)計的嵌入式網(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)對嵌入式網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計的要求。

2．2 SoPC的片上總線設(shè)計
    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和明確的外設(shè),。只有合理使用不同的總線來訪問不同的外設(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,。因此，SoPC的片上總線設(shè)計是該系統(tǒng)設(shè)計的重點,。
    Xilinx以IBM CoreConnect總線通信鏈為嵌入式處理器的設(shè)計基礎(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合,；LMB專門用于實現(xiàn)對片上的塊RAM的高速訪問；XCL則用于實現(xiàn)對片外存儲器的高速訪問,。FSL是Microblaze處理器特有的一個基于FIFO的單向鏈路,，可實現(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合,。
    在本文設(shè)計的分布式干擾系統(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處理器之間只進行參數(shù)傳遞,，對速度要求不高，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輸出信號的頻譜數(shù)據(jù),，對傳輸速度要求很高,，因此使用FSL總線與MicroBlaze內(nèi)部通用寄存器直接相連。DDC輸出信號的時域數(shù)據(jù),，對傳輸速度要求最高,；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,，通過該IP核的LocalLink接口將信號的時域數(shù)據(jù)傳輸?shù)組PMC中進行處理,。分布式干擾系統(tǒng)的嵌入式網(wǎng)關(guān)片上總線設(shè)計如圖2所示。

2．3 SoPC的實現(xiàn)
    本文設(shè)計的SoPC是利用Xilinx公司的嵌入式開發(fā)套件(Embedded Development Kit,，EDK)實現(xiàn)的,。EDK集成了硬件平臺產(chǎn)生器、軟件平臺產(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可以對硬件平臺進行任意的添加和裁減,，同時可以方便地添加自定義的IP核,，極大地方便了開發(fā)過程，提高設(shè)計效率,。本文利用EDK實現(xiàn)圖2所示的各功能部件IP核的添加,，并實現(xiàn)了IP核的地址分配和總線架構(gòu)、外設(shè)接口的連接,。

3 分布式干擾系統(tǒng)中嵌入式網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計
    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)計也在EDK進行,。
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,，負責調(diào)度并管理應(yīng)用程序,，完成對嵌入式系統(tǒng)硬件的控制和操作。嵌入式操作系統(tǒng)的選用主要考慮實時,、高可靠,、低功耗、可抑制性和兼容性,、軟件開發(fā)難易等因素,。本文主要是對分布式干擾系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信進行技術(shù)驗證，因此選擇較為簡單的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,，運行速度快，是中小型設(shè)計的理想操作系統(tǒng),。Xilkernel本身不帶有文件處理系統(tǒng)和TCP／IP協(xié)議棧,，但與LwIP庫和Treck協(xié)議棧具有良好的接口，加上文件系統(tǒng)支持庫LibXil MFS,，可形成較為復雜的嵌入式操作系統(tǒng),。
    首先，在EDK的軟件平臺設(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)和庫函數(shù)界面對操作系統(tǒng)進行配置,，主要進行輸入／輸出,、線程和計時器的設(shè)置。最后執(zhí)行產(chǎn)生庫函數(shù)和BSPs文件,，即可生成與嵌入式系統(tǒng)硬件平臺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)為偵察信號時域和頻域數(shù)據(jù)，直接影響著網(wǎng)絡(luò)通信的效率,，因此,，本文只對偵察信號時域和頻域數(shù)據(jù)的傳輸進行檢測,。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)備的中斷請求,，在程序中為多個外圍設(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機相連,，在PC機上開發(fā)網(wǎng)絡(luò)客戶端程序，發(fā)送控制偵察接收機的數(shù)據(jù),。使用信號線將AR-ONE通信接收機輸出端與A／D板相連,，A／D模塊使用ADI公司的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)AD9460。在偵察接收機受控工作時,，使用串口線將圖1所示硬件系統(tǒng)與AR-ONE通信接收機串口輸入相連,；在偵察接收機自主工作和系統(tǒng)調(diào)試時，使用串口線將圖1所示硬件系統(tǒng)與PC機相連,，在超級終端中觀察系統(tǒng)運行狀態(tài),。將信號源與AR-ONE通信接收機信號輸入端相連。將軟硬件聯(lián)合編譯生成的bit文件下載到FPGA開發(fā)板上,，信號源輸出95.5MHz的FM信號,，在PC機上使用無線電監(jiān)測測向系統(tǒng)進行監(jiān)測，如圖4,、圖5所示,。

    經(jīng)比對，PC機上顯示的正是信號源輸出信號的頻域和時域波形,。

5 結(jié)語
    本文設(shè)計了一個基于FPGA的SoPC,，利用此SoPC的網(wǎng)絡(luò)功能可實現(xiàn)PC機對通信接收機的控制，并可將接收機偵察信號的頻域和時域波形實時的傳回PC機,。同時,，基于FPGA IP核的設(shè)計，使各功能部件集中在FPGA芯片上,，滿足了分布式干擾系統(tǒng)對體積,、成本、功耗和靈活性的要求,。如再加上無線收發(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。