摘要：船用导航雷达对于船舶的安全航行起着非常重要的作用，特别是在雾天、黑夜等环境下作用更加突出。为了发挥导航雷达的最大作用，通常导航雷达室外单元通常安装于船舶桅杆，这给雷达室外单元的软件升级及维护带来不便，为解决该问题，本设计采用FPGA为主控芯片，实现导航雷达室外单元软件远程更新。系统采用了Altera公司的CycloneIV FPGA为主控芯片，实现了通过以太网完成软件远程更新。
关键词：导航雷达；远程升级；FPGA；以太网
引言
为减少设备的维护成本以及便利产品维护，电子设备设备在设计开发中通常采用更多种方式实现软件程序的更新。FPGA作为日益应用越来越广的CPU，因其优异的性能、高灵活性以及加速产品更新换代等优点，在无线通信、多媒体音视频、高性能计算机、人工智能，无人驾驶等众多领域得到广泛引用。因此，本设计实现采用了FPGA作为主控芯片，实现导航雷达室外单元的软件远程升级。
导航雷达远程升级系统连接框图
图1.导航雷达远程升级系统连接框图
如图1所示，导航雷达室内单元通过网线与导航雷达室外单元连接，实现雷达回波视频、通信命令及远程软件更新。
FPGA软件远程升级硬件设计
系统设计师面临着严峻的挑战，如缩短设计周期、不断发展的标准和在偏远地区的系统部署。Cyclone IV 器件利用固有的重编程和专用电路来执行远程系统更新，帮助克服了这些挑战。远程系统更新有助于实现功能的增强和错误的修复，无需昂贵的成本，减少产品上市的时间和延长产品的生命周期。
FPGA远程升级硬件设计如图2所示。Cyclone IV器件支持AS串行模式进行远程软件更新。FPGA在AS模式下，将.pof烧写文件下载至FPGA外部Flash（设计中采用Altera公司的EPCS64芯片），FPGA上电时主动从Flash读取配置文件加载至FPGA内部，然后运行用户软件。
图2.ADV7604原理图设计
FPGA升级软件设计
FPGA软件升级原理框图如图3所示。系统上电后，FPGA首先运行工厂配置，确定用户应用程序启动地址，设置配置寄存器，然后从确定的起始地址加载应用镜像。当在配置过程中出现配置错误，工程镜像会根据错的类型进行确定加载不同的应用镜像，以保证应用程序正常运行。
图3.FPGA软件升级原理框图
FPGA远程升级软件实现框图如图4所示。软件主要包括PHY以太网接口驱动模块、用户应用功能模块，用户状态机模块、以及若干升级模块。FPGA实时监测外部以太网远程升级指令，当FPGA接收到来自室内单元升级指令时，接收配置文件以太网包，然后将配置数据根据配置地址写入对应的FLASH地址0xbbbbbb。当配置写完成后，触发重新配置功能模块1，启动FPGA重新配置。FPGA从FLASH正常加载工厂镜像，工厂镜像根据上一次镜像地址（0xaaaaaa），判断当前需要启动的地址（0xbbbbbb），软件再次重启，从当前地址0xbbbbbb加载新的用户镜像2。
图3.FPGA远程升级软件实现框图
FPGA软件升级流程框图如图4所示。FPGA具体实现结构框图如图5所示。
图4.FPGA软件升级流程框图
图5.FPGA远程升级软件结构实现
FPGA远程升级上位机软件界面如图6所示。在该界面中，设置好本地IP地址以及要升级的板卡IP地址，加载配置文件.jic，点击“发Flash”即可完成。
图6.FPGA远程升级上位机软件界面
结论
本设计在经过方案论证、硬件电路设计及软件设计最终实现了设计目标，可以正常实现雷达室外机FPGA软件远程升级，这给设备的软件更新升级带来便利。该更能的实现可以扩展至其他产品进行应用，可以实现不同接口协议的升级，如USB、串口等实现FPGA软件升级。
参考文献：
[1]FPGA的远程升级研究及应用.重庆大学，2013.
[2]FPGA系统远程升级安全机制的研究.西安电子科技大学，2014.
[3]FPGA配置数据流的安全性研究.哈尔滨工程大学，2008.
论文作者:陈以辉
论文发表刊物:《电力设备》2018年第15期
论文发表时间:2018/8/17
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