国产器件的雷达伺服 多通道通讯系统

雷达伺服系统广泛应用于工业雷达、民用雷达和军用雷达等领域。随着现代雷达伺
服系统内自动化设备的规模和复杂度不断提升，对雷达伺服系统的通讯接口、数据处理
性能、恶劣工作环境等指标有了更高的需求。由于进口器件受到限制，国防安全受到威
胁，特别在雷达、航空等高科技领域。为此，研究出一款满足现代雷达伺服系统性能指
标并基于国产化器件平台实现的需求迫在眉睫。

对国产器件的雷达伺服多通道通讯平台进行研究。针对雷达伺服系统硬件自主可控
和多通道通讯复杂的问题，提出一种基于MCU+FPGA架构的国产雷达伺服多通道通讯
系统，以此来提升伺服控制的可靠性、冗余性和通用性。论文主要研究如下：

一、雷达伺服多通道通讯系统硬件平台搭建。利用现有国产芯片的调研分析，最小
系统主控芯片由兆易创新的GD32F407VGT6和中国电科五十八所的JXCLX25-668芯片
组成，并拓展设计了多通道通讯接口、JTAG接口和时钟电源模块设计。最后在Altium
Designer上完成了器件电路原理图设计和印制电路板的布局布线，实现了印制电路板6
层堆叠设计和实物静态测试。
二、雷达伺服多通道通讯系统逻辑开发。根据雷达伺服工作流程，设计本文控制系
统框架。基于国产处理器的软件开发流程的特征和分析结果，选择Keil5+ISE14.7的开
发环境。在此环境下，完成了基于EXMC接口的微控制器与FPGA数据传输，实现逻
辑控制和并行数据处理。FPGA扩展6路RS-422高速接口融合设计，包括RS-422通讯
可靠性传输数据帧格式设计和并行处理存储控制。此外微控制器完成CAN总线和以太
网RMII接口配置，实现了从上位机发送控制命令到驱动器接收命令驱动电机工作功能。

完成硬件平台电气特性测试和多通道通讯功能验证。
首先测试硬件平台电源、时钟和功耗的电气特性。然后验证了微控制器与FPGA之间通
讯和多路RS-422接口通讯质量。最后测试了伺服调试软件发送控制指令到驱动器接收
指令的通讯功能。测试结果表明，雷达伺服系统硬件平台和多通道通讯系统各项指标均
满足设计要求。

雷达（Radio Detection and Ranging，Radar）系统是一种利用电磁波发现目标并确定
目标位置的设备。它通过发射电磁波探未知单位，接收处理后的回波，获取目标的外形、
速度、空间坐标等参数。自1935年雷达系统实现实用化以来，微波、无线通信技术和
数字集成电路等领域的科技进步相继推动其向前发展，现代雷达系统的探测方法已经扩
展为微波、红外光、激光等多种形式，探测目标不在局限于速度和坐标，而是能够实现
跟踪、锁定、成像和分类等。可以说，现代雷达系统在交通、通信和国防等领域
正发挥着不可替代的作用。雷达伺服系统是雷达系统非常重要的子系统，雷达伺服系统
通过电机带动天线转动，快速并准确地搜索目标发射或者反射的无线电信号，以实现目
标跟踪、空中警戒以及空中侦查等功能，因此在航空、导航、军事等领域具有重要的地
位。雷达伺服控制电路的硬件设计与逻辑开发性能的优劣直接影响了雷达整体对目标
探测的实时性、稳定性以及抗干扰等性能。一般来讲，雷达伺服系统的评价指标主要
是指高精度性、快速性、稳定性等

雷达系统在保障国民经济持续增长、国防安全和人民生活保障方面发挥着越来越重
要的作用。在工业上，雷达的应用场景和质量得到了飞速发展，产值对经济的贡献越来
越大，年产值超过100亿元[13]。在国防方面，雷达为人民的安全生活环境和国防战略威
慑提供了有效的保证。在民用领域，汽车雷达、航空雷达、气象雷达与民用活动密切相
关[14]。在军事领域，相控阵雷达、预警雷达、火控雷达和卫星定位雷达是战场上高端武
器装备的基础[15]。南信大气象雷达和百度图片相控阵雷达如图1.1所示

雷达伺服系统作为保证雷达正常工作的重要子器件，在目标探查与告警、锁定与跟
踪、目标参数提取与传输等方面发挥着重要作用。从60年代起，现代控制论逐步发展
起来，不再局限于点对点的单一输入输出，而是适用于非线性、时变和多对多的多输入
输出模式。伺服电机也从直流伺服驱动过度向交流伺服电机，到80年代，我国对交
流伺服系统才开始研究，90年代慢慢形成自己的工业规模。系统方面，由模拟伺服
控制转向数字伺服控制，控制系统方面开始注重高性能化、智能化、网络化和集成一体
化的发展趋势。

雷达的快速目标跟踪功能与现代战争对雷达的作战需求密切相关[22]。针对当前雷达
的现代化发展现状，本课题提出硬件指标和逻辑功能两方面需求。硬件平台是整个系统
基础，应当具备安全可靠且自主可控，因此在进行国产雷达伺服控制平台硬件设计时，
不仅需要考虑国产芯片在数据传输、采集和运算时，还需考虑硬件设备的可靠稳定性能、
兼容扩展性能、性价比、高低温和湿度环境的影响等问题。因此硬件平台器件选型应当
满足：国产化自主控制、稳定性强、兼容性好、性价比高和工程技术支持丰富；主控处
理芯片需要片内资源丰富，接口协议丰富、SRAM可扩展达到100kB以上、调试软件配
套方便；电路板应当提供串口、网口和CAN总线等物理接口，此外印制电路板设置对
外测试接口，方便整板的调试和后期的维护检查；PCB设计容错率高，布局布线合理紧
凑，设计布局抗ESD干扰，特殊信号线远离干扰源，预留2.54mm扩展接口，增加系统
通用性；最后，电路板尺寸应当符合伺服控制箱要求
综上所述，本文提出的雷达伺服多通道通讯系统电路板性能指标如表2.1所示：

雷达伺服常见的主控芯片有：CPU、ARM、DSP、MCU和FPGA等[23]。CPU作为
独立芯片，需要搭载操作系统且许多功能需要通过外置扩展的方式，不适合本文硬件平
台设备。ARM是精简指令集的处理架构，开发需要搭载操作系统，且开发周期较长。
DSP对图像处理、宽带传输和无线传输等领域有独特的计算优势。微控制器把Flash、
UART、CAN、以太网MAC等常用功能接口都集成在片内，因此开发周期短、逻辑功
能实现简单、价格便宜，但是不适合同时做大量复杂运算。FPGA设计ASIC电路开发
周期短，设计灵活，丰富的IP核使得扩展接口简便，在数据处理方面不仅可以拥有更
快的速度和带宽，还能够满足实时处理的需求。处理器性能参数与开发难度对比如表2.2
所示。

现代雷达伺服控制电路主要以ARM+FPGA、DSP+FPGA和MCU+FPGA为主控架
构，每种设计方式各有独自的优势与缺陷[24][25][26]。本设计考虑微控制器（MCU）逻辑
控制开发简单，片内资源丰富，包含以太网MAC层驱动、串口通信驱动和CAN总线
接口驱动，调试与测试技术成熟，符合本课题的设计需求，但是数据处理速度不足以及
引脚资源有限的缺点。针对微控制器弱项，使用FPGA加强微控制器的数据处理和对外
接口的拓展。