嵌入式系统在雷达系统设计中的应用

张诗煜，王乐

摘要：在科学电子技术和国际局势不断发展的今天，军事雷达系统的功能越来越复杂，对雷达技术水平要求越来越高，系统的实时性和跟踪计算的精确度也有了更高的要求。而嵌入式系统在实际应用中具有显著的优势，如实时性强、功耗低、尺寸可裁减、处理速度快、可靠性高、可多任务调度等。本文简要分析了雷达系统的硬件和软件结构，研究了嵌入式实时操作系统VxWorks和PowerPC处理器的特性。正是由于嵌入式系统和雷达系统的特性和性能要求，就嵌入式系统在雷达系统中的应用进行研究分析。

关键词：嵌入式系统；雷达系统；VxWorks操作系统；PowerPC处理器

1.引言

雷达在现代战场上所承担的角色越来越重要，对雷达[1]的性能要求越来越高，如高精度、高可靠性、多功能、数字化和智能化等。雷达系统[2]一般由数据处理系统、信号处理系统、天线系统等多个分系统组成，通常各系统之间复杂的协作关系需要一个“大脑”支配，用来进行合理且高效地多任务监管、调度和分配，各任务是相互牵制、彼此影响的，是根据不同的功能需要进行协调合作的。因此，雷达系统需要采用极为高效的、可靠的实时软件系统来并行处理现代战场上的各种随机事件。

在微电子技术高速发展的今天，片上嵌入式系统[3]体积越来越小，但功能越来越强。随着Internet的发展和Internet技术与工业控制、智能家电等领域的紧密结合，嵌入式技术已经迎来了迅猛发展和广泛应用的时期。嵌入式系统具备良好的硬件环境和软件环境，为系统在多任务、抢占式调度，低中断反应时间，以及迅速灵活的通信机制等方面提高实时性奠定了基石。所以，将嵌入式系统应用到雷达系统的设计中，简化雷达系统的软件结构和硬件结构，提高雷达系统的应用性能。

2.嵌入式系统

嵌入式系统以嵌入式计算机为技术核心[4]，面向不同的产品需求时，软件和硬件都可以根据功能裁减成合适的大小。它主要由嵌入式处理器、嵌入式操作系统、外围的键盘等硬件设备以及特定的应用程序这四部分组成，是能够独立完成工作的、集软件和硬件于一体的器件，用于完成多任务调度、监视和控制等核心功能，其操作系统具有相对不变性。

采用RISC多发射体系结构的嵌入式PowerPC处理器，支持共享存储器结构，可以处理较高的带宽能力，有较高的时钟频率和强大性能的处理核，因此更适于数据的后端处理，能后处理雷达系统复杂的模型计算和数据处理。VxWorks是一个能够独立于处理器，且功能齐全、性能优异的嵌入式实时系统[5]，具有高度的可裁剪性，支持多种CPU硬件环境。它拥有一个真正的高性能的微内核结构--wind，该内核里有256种优先级，系统内核始终保持执行最高优先级的任务，而且它支持所有的实时特征，如快速任务切换、中断驱动、抢占式和时间片轮转调度等。VxWorks以I/O为操作系统的核心，强调对硬件的掌控，对I/O的管理简单、清晰、高效，具有极强的确定性和实时性。正是基于以上诸多特征，VxWorks非常适合作为雷达系统设计的实时操作系统。与VxWorks配套的集成开发环境是风河Workbench，它具有Workbench开发工具、VxWorks实时操作系统内核和一整套主机与目标机之间的通信机制这三个组件。Workbench作为一个单一的平台提供了设计整个产品研发周期所需要的全部功能和工具，包括硬件系统仿真、编译器、命令解析器、调试工具和各种开发插件等，可以提高产品的开发效率。Workbench平台的适应性极其广泛，主要体现在多个任务或进程、多目标、多模式（任务模式和系统模式）、多操作系统、多主流CPU（或处理器）、主机和目标机之间的多种通讯连接、多主机操作系统；而且它的调试手段非常丰富，且方便使用，使得调试进度得到极大的进展。因此，它最适应于像雷达系统这样的多CPU、多目标机、多任务的复杂系统的开发。

3.雷达系统设计

雷达系统设计主要分为硬件设计和软件设计。硬件部分主要有发射机、发射天线、接收天线、接收机、处理部分以及显示器，还有电源设备、数据录取设备、抗干扰设备等辅助设备。雷达系统软件主要是计算机系统设计。其计算机系统及组成部分结构设计一般采用模块化设计技术，目的在于构建一个统一结构的高速、高集成化的设备。基本的设计原则主要考虑能够满足算法需求的计算资源、具有较高可靠性的系统功能、便于各部分功能的单独调试和检测等。雷达控制系统[6]要求具备能够实时响应各种指令的功能，该功能的独特属性是指：一实时性要求高；二多任务并行处理的可靠性高；三具有对各个任务优先级的宏观调控能力。雷达系统的各模块在计算机中与高速网络交换进行连接时一般通过终端机的方式，每个模块之间均是通过高效的TCP/IP协议的以太网络进行连接，且每个模块即使客户端又是服务器，这种布局具有很好的延展性，而且网络结构比较简单，能够让雷达系统在不同计算机之间进行通讯，充分利用网络通信的优势。

目前阶段，在军事嵌入式计算机内所应用的CPU为PowerPC系列芯片，该芯片在计算机的软硬件和价格上都存在优势。在实际的操作中，雷达系统软件是根据微内核，然后按照嵌入式计算机结构进行设计，依此来保证所设计的雷达系统能够在所有计算平台上应用。一般情况下，计算机的实际运行情况是可以完成多项任务的，即需要设计应用多进程技术，对于不同等级的任务采用优先级的形式进行设计。通常，雷达系统软件主要有四种任务，即主线任务、接受网络数据任务、发送网络数据任务、多个中断处理任务。在设计雷达系统软件的网络通讯时，为提高通信的实时性，和不被某一故障所影响时，选择UDP协议，不需要进行握手连接，可以有效地进行点播、组播和广播，适用于实时性的数据处理系统内。由于VxWorks系统的底层系统设计拥有BSP功能，因此用户应用软件的设计通常都具有通用性，即c语言、c++等多种语言都可以完成软件设计，在很多军工产品中得到了验证。因此，选择合适的操作系统和处理器，对复杂、可靠且实时的雷达系统的设计和实现有很重要的意义。

4.结论

嵌入式系统的软、硬件系统性能稳定，功耗小，硬件扩展性和兼容性完备，完全符合雷达系统在实时性、可靠性、多任务运行机制等方面的要求。因此，本文将嵌入式实时多任务操作系统VxWorks和嵌入式处理器PowerPC相结合，提供了更为便捷的多任务间通信及协调方式。基于此对雷达系统进行设计，并借助风河Workbench软件调试平台。不仅可以简化嵌入式实时多任务软件设计，雷达系统软件的设计质量也能获得有效的提高，还能在实际操作时有效保证雷达系统软件的各种性能，并缩短系统的开发周期。

参考文献

[1]杨韧. 一体化雷达仿真系统的设计与实现[D].南京大学,2019.

[2]Wang D . FPGA-based Multi-channel Information Processing Equipment for Testing of Digital Radar[J]. Advances in Computer and Communication,2023,4(1).

[3]侯玉慧.嵌入式系统的研究与应用[J].火控雷达技术,2004(02):40-42.DOI:10. 19472/j.cnki.1008-8652.2004.02.009.

[4]吴双彤,刘兆华.基于嵌入式计算机及网络技术的雷达系统软件的设计[J].电子技术与软件工程,2016(23):65.

[5]陈坤,陈志勇,黎湘.Vx Works实时操作系统在相控阵雷达系统中的应用[J].电光与控制,2005(04):51-53.

[6]王健,赵彬,张宁.基于VxWorks的雷达中央控制系统的设计与实现[J].计算机测量与控制,2003(06):444-446+461.DOI:10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2003.06.016.

作者简介：张诗煜（1997-），女，陕西省西安市人，雷达数据处理软件助理工程师，主要从事雷达软件开发相关工作。

王乐（1994-），男，陕西省西安市人，计算机技术助理工程师，主要从事雷达软件开发相关工作。