一種相控陣系統遠程升級方法

高群福，孫維新

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊050081； 2.中國人民解放軍63790部隊，四川 西昌 615000)

一種相控陣系統遠程升級方法

高群福1，孫維新2

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊050081； 2.中國人民解放軍63790部隊，四川 西昌 615000)

為解決超大規模相控陣收發組件程序升級困難和維護升級繁瑣的問題，提出了一種自主遠程升級方法。對于已經部署的相控陣系統，利用現有硬件設備、網絡架構，設計了一套程序遠程自主燒錄、自主切換機制，通過遠程計算機利用網絡接口，可以在幾分鐘內完成對數千個收發組件的程序升級。應用測試結果表明，與人工升級方法相比，遠程升級方法效率高，成本低，安全可靠。

遠程更新；CRC校驗；軟核；相控陣

0 引言

目前超大規模相控陣系統天線數量以數萬計，數字波束形成體制被廣泛使用，現場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array,FPGA)作為數據處理核心部件，廣泛應用到收發組件中，數量以千計，數量龐大[1-2]。系統部署后，在初期調試階段，不可避免地需要升級收發組件的程序，采用人工升級的方式，升級分布在空間廣大且數量眾多的收發組件，需要幾周甚至更長時間，耗費了大量人力，增加了系統調試時間。對于共形相控陣[3-4]，組件的安裝高度、位置是人工升級時必須考慮的安全因素。

遠程升級技術通過在FPGA內部構建程序文件接收、程序主動引導機制，在不增加新設備、不改動現有硬件的基礎上，實現自主升級。通過創新的程序引導機制、容錯機制，保證遠程升級的快速、可靠。

1 方案設計

設備組成如圖1所示。將需要升級的組件程序存放在控制中心的計算機上，計算機通過以太網至485網絡將程序遠程發送到組件[5-6]，組件接收升級文件，存儲到本地指定空間。

組件復位后，掃描最新的升級程序并開始運行，也可以接收控制中心指令，從指定程序空間啟動。

圖1 設備組成

2 關鍵技術

2.1 遠程更新原理

計算機將程序文件通過網絡發送到組件，組件完成數據校驗后寫入到本地存儲器中，程序文件傳送完成后進入程序切換過程，程序切換過程的狀態轉換入如圖2所示。

圖2 遠程更新狀態轉換

FPGA上電復位后，總是從地址0的位置開始啟動[7]，該位置存放了組件的主引導程序啟動，主引導程序啟動后，開始在指定位置掃描是否由最新的應用程序配置，如果發現有新應用程序，則啟動應用程序，如果沒有新應用程序則一直在主引導程序下運行。

主引導程序啟動應用程序時，如果發生錯誤則返回主引導程序，主引導程序、應用程序之間可以任意切換。主引導程序不會被更新，應用程序可以被更新，應用程序啟動或運行時發生任何錯誤都會退回到主引導程序[8-9]。

2.2 程序文件存儲

組件程序文件存儲在串行FLASH芯片中，主引導程序存放在起始地址為0的空間內，應用程序存儲在后續的空間中。如圖3所示。

圖3 程序文件存儲

主引導程序為組件首次燒錄的程序，該程序不會被遠程更新重寫，應用程序1和應用程序2可以被遠程更新。

為了保證遠程更新程序的正確與可靠，在數據傳輸過程中加入CRC校驗[10]，并將校驗結果寫入到應用程序的開頭部分，在程序跳轉之前，首先檢查程序文件的校驗結果是否正確。

2.3 程序文件組幀與校驗

FPGA程序包含FPGA硬件部分和NiosII CPU軟件兩個部分[11-12]，分別對應硬件配置(SOF文件)和軟件配置(ELF文件)，為了便于計算機遠程更新，將這兩個文件整合為一個文件。

FPGA加載程序時，默認的加載順序總是先從硬件配置(SOF)開始加載[13]，然后在緊挨著硬件配置的后面開始加載軟件配置(ELF)，因此一個完整應用程序排列格式如表1所示。

表1 編程幀結構

名稱長度/Byte說明幀頭2幀頭標識1幀類型標識長度2幀長度起始地址4編程文件起始地址數據256編程文件CRC校驗2CRC校驗

QuartusII軟件生成的硬件SOF文件，NiosII IDE生成NiosII CPU運行的軟件文件ELF，首先將這兩個文件轉換為十六進制數據文件，并最終生成一個數據文件。為了保證數據可靠傳輸，在數據文件中加入了CRC校驗信息。

2.4 接收緩沖邏輯

遠程升級文件傳輸時，總線上的數據量比較大，本地需要進行CRC校驗，比較耗時。為了實現最大的數據傳輸速率，本地使用FPGA邏輯實現具有512字節的接收緩沖FIFO的UART接收邏輯[14]，接收到一個完整數據幀后，NiosII CPU從接收緩沖中讀取數據，進行CRC校驗，并將校驗成功的數據寫入到指定存儲地址的存儲空間中，同時標記該數據幀已經被正確接收。

3 工程實現

3.1 硬件平臺

在基于Altera公司FPGA-EP4CGX22的硬件平臺上，進行遠程更新系統驗證。在FPGA內部構建了基于NiosII CPU軟核控制架構，通過高性能總線互聯各個模塊[15-16]，如圖4所示。

圖4 硬件架構

在QuartusII軟件中使用Qsys設計工具定制CPU和外設，所需的外設包括片上RAM、EPCS FLASH控制器、UART控制器、遠程升級(RSU)控制器、SPI控制器等，同時還有自定義的外部設備，用于系統控制。

實例化CPU和所有外設后，為外設分配地址、設置參數，之后編譯生成整個系統。

3.2 軟件流程

系統啟動后，NiosII CPU軟件在主循環中一直等待接收從串口發來的數據，接收到數據幀后，首先進行解析、校驗，根據命令的類型采取不同的操作：遠程更新程序數據文件按照指定地址直接寫入到存儲器中，遠程更新啟動命令則按指定的起始地址啟動程序，一般的控制指令則直接執行。軟件工作流程如圖5所示。

圖5 軟件流程

3.3 測試結果

目前遠程更新方法已經在一個超大規模相控陣系統中得到應用。實際測試表明，485網絡波特率38 400 bps，FPGA升級文件大小為1 MB，采用廣播方式，更新3 000個FPGA程序只需5 mins；而采用人工更新的方式，2個人配合工作，需要半個月的時間才能更新完成，大部分時間都浪費在挪動設備、線纜上了。測試結果如表2所示。

表2 測試結果對比

升級方式耗時成功率遠程升級5min100%人工升級15天/2人100%

4 結束語

遠程升級技術可以在幾分鐘內快速部署、升級應用程序，極大地方便了系統調試、維護。遠程更新技術也可以在后續升級為從控制中心向測控站直接更新程序，而不必人工參與。

在安全性方面，有些大規模共形相控陣結構奇特，安裝高度大、部署空間廣泛，系統升級、維護時的安全性也必須予以關注，采用遠程更新技術無人參與，安全可靠。

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MethodofRemoteUpgradeonPhasedArraySystem

GAO Qun-fu,SUN Wei-xin

(1.The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China; 2.Unit 63790,PLA,Xichang Sichuan 615000,China)

In the very large-scale phased array system,the T/R program upgrade and the maintenance upgrade are very difficult.In order to solve these problems,this paper puts forward an independent remote upgrade method.For the existing phased array system,a program remote automatic burning and switching system is designed by utilizing existing hardware and network framework.Using remote computer and network interface,the program upgrade of thousands of T/R modules can be completed in several minutes.The test results show that the remote upgrade method has such characteristics as high efficiency,low cost,high reliability and high security compared with man-made upgrade method.

remote update;CRC;soft CPU;phased array

TTN911

A

1003-3114(2017)06-77-4

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.06.19

高群福，孫維新.一種相控陣系統遠程升級方法[J].無線電通信技術,2017,43(6):77-80.

[GAO Qunfu,SUN Weixin.Method of Remote Upgrade on Phased Array System[J].Radio Communications Technology,2017,43(6):77-80.]

2017-06-20

高群福(1986—)，男，碩士，工程師,主要研究方向：航天測控、陣列信號處理。孫維新(1982—)，男，工程師，主要研究方向：航天測控、系統運行管理。