《電子技術(shù)應(yīng)用》
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某型雷達(dá)仿真訓(xùn)練系統(tǒng)PPI顯示設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
2014年電子技術(shù)應(yīng)用第11期
陸玉芳1,,2,,倪國旗1,,3
(1.桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院,,廣西 桂林541004; 2.桂林航天電子有限公司,,廣西 桂林541002,; 3.空軍空降兵學(xué)院,,廣西 桂林541002)
摘要: 開展了基于FPGA的雷達(dá)PPI顯示研究,介紹了PPI顯示的頂層模塊設(shè)計(jì)及功能組成,,詳細(xì)闡述了航路目標(biāo)PPI顯示原理及實(shí)現(xiàn)方法,、目標(biāo)坐標(biāo)參數(shù)轉(zhuǎn)換、參數(shù)信息格式轉(zhuǎn)換,、串行通信及參數(shù)信息周期更新等功能IP核設(shè)計(jì),。并且簡(jiǎn)要介紹了各功能模塊的仿真試驗(yàn)情況及在硬件平臺(tái)中的性能測(cè)試情況。
中圖分類號(hào): TP391.9,;TP331.2
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2014)11-0012-04
Design and implementation of PPI for a radar simulation training system
Lu Yufang1,,2,Ni Guoqi1,,3
1.GuiLin University of Electronic Technology,,Guilin 541004,,China,;2.GuiLin Aerospace Electronic Technology Co.,Ltd.,,Guilin 541002,,China;3.Airforce Airbone Academy,,Guilin 541002,,China
Abstract: This paper researchs radar PPI display based on FPGA, introduces the design of top module and the composing of the PPI display, describes function IP cores,such as the principle and realization method of route target PPI display, the target′s parameter coordinate conversion, parameter information format conversion, design of UART and parameter information cycle update in detail. This paper also briefly introduces the simulation test of each function module and performance tests on the hardware platform.
Key words : PPI,;IP core,;FPGA;UART

0 引言

  在傳統(tǒng)的雷達(dá)仿真訓(xùn)練系統(tǒng)中,,通常以工控機(jī)作為硬件平臺(tái),,在Windows操作系統(tǒng)下采用高級(jí)語言(VC++等)編程的方法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)信號(hào)的產(chǎn)生及PPI顯示。該方法具有仿真逼真程度高及硬件通用性好等優(yōu)點(diǎn),,但受平臺(tái)影響,,存在體積大、重量重,、便攜性差及系統(tǒng)組成復(fù)雜等不足,。

  本文介紹一種基于FPGA的雷達(dá)PPI顯示設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方法,能克服傳統(tǒng)方法的不足,。

1 雷達(dá)PPI顯示原理

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  平面位置顯示器(PPI),,屬于徑向圓掃描顯示,采用長余輝電磁偏轉(zhuǎn)陰極射線管或靜電偏轉(zhuǎn)示波管實(shí)現(xiàn),。PPI顯示器的優(yōu)點(diǎn)為目標(biāo)數(shù)據(jù)直觀,,易于理解,,通常用于搜索警戒和作戰(zhàn)指揮。其顯示效果如圖1所示,,圖中掃描線的指向?yàn)槔走_(dá)天線的方位,,掃描中心點(diǎn)與回波信號(hào)間的長度代表目標(biāo)的距離,回波的形狀能夠體現(xiàn)目標(biāo)的回波特征[1],。

2 PPI顯示研究與設(shè)計(jì)

  2.1 PPI顯示仿真原理

  根據(jù)雷達(dá)的工作原理,,在其探測(cè)到目標(biāo)后,可從回波中提取目標(biāo)的位置信息,。在直角坐標(biāo)系中,,目標(biāo)主要包括斜距(D)、水平距離(d),、高度(h),、方位角(β)及高低角(ε)等信息,如圖2所示[2-3],。

  由于雷達(dá)波以光速傳播,,目標(biāo)斜距D與傳播時(shí)間tr的關(guān)系如下:

  1.png

  目標(biāo)水平距離d為:

  2.png

  設(shè)水平距離d在正北方位的投影為X0,則有:

  3.jpg

  設(shè)水平距離d在正西方位的投影為Y0,,則有:

  4.png

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  在LCD顯示器中進(jìn)行PPI仿真顯示時(shí),,首先,根據(jù)式(1)求出斜距,,再根據(jù)式(2)求出目標(biāo)在以雷達(dá)為原點(diǎn)的投影,。其次,如圖2所示,,假設(shè)以正北方位為X軸,,以正西方位為Y軸,根據(jù)式(3),、式(4)可將目標(biāo)三維坐標(biāo)信息轉(zhuǎn)換為以雷達(dá)為原點(diǎn)的二維坐標(biāo)信息,。最后,根據(jù)LCD顯示器像素等比例縮放,,設(shè)N個(gè)像素點(diǎn)表示水平距離d,,比例因子為K,有:

  5.png

  根據(jù)上式,,可將以雷達(dá)位置為坐標(biāo)原點(diǎn)的目標(biāo)平面位置參數(shù)(X,,Y)轉(zhuǎn)換為以LCD顯示器平面左上角為原點(diǎn)的平面坐標(biāo)位置參數(shù)(x,y),,則:

  6.png

  仿真時(shí),,為了實(shí)現(xiàn)如圖1所示的顯示效果,通常將LCD顯示器像素點(diǎn)(x0,,y0)作為原點(diǎn),。由于LCD顯示器原點(diǎn)為左上角,,通過坐標(biāo)平移來實(shí)現(xiàn)該效果,有:

  78.png

  2.2 PPI顯示仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)


003.jpg

  根據(jù)某型雷達(dá)仿真訓(xùn)練系統(tǒng)功能需求,,并結(jié)合FPGA處理器硬件資源,,采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法開展系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)。PPI顯示仿真系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)為:系統(tǒng)復(fù)位模塊,、目標(biāo)初始參數(shù)ASCII碼變換模塊及直行航路參數(shù)計(jì)算模塊等19個(gè)功能模塊,。如圖3所示,系統(tǒng)通過串行通信接收初始參數(shù),,計(jì)算目標(biāo)參數(shù),,并進(jìn)行坐標(biāo)變換;動(dòng)態(tài)顯示控制模塊產(chǎn)生參數(shù)更新觸發(fā)脈沖,;參數(shù)更新控制模塊將目標(biāo)參數(shù)信息組合為通信報(bào)文,,并產(chǎn)生參數(shù)發(fā)送觸發(fā)脈沖;參數(shù)發(fā)送模塊通過RS232總線發(fā)送報(bào)文數(shù)據(jù),,發(fā)送完畢后產(chǎn)生脈沖信號(hào),,參數(shù)更新控制模塊等待下一個(gè)參數(shù)更新觸發(fā)脈沖。由此,,系統(tǒng)完成了PPI顯示及目標(biāo)參數(shù)信息更新功能[4-5],。

  2.3 PPI顯示的IP核設(shè)計(jì)

  根據(jù)PPI顯示仿真原理,,結(jié)合系統(tǒng)邏輯框圖開展IP核設(shè)計(jì),。IP核主要完成目標(biāo)坐標(biāo)參數(shù)轉(zhuǎn)換,將信息轉(zhuǎn)換為LCD顯示器字庫碼,,RS232通信及目標(biāo)參數(shù)周期更新等功能,。

  2.3.1 目標(biāo)坐標(biāo)參數(shù)轉(zhuǎn)換

  根據(jù)PPI顯示仿真原理,先計(jì)算目標(biāo)的水平距離,,再進(jìn)行比例縮放換算為LCD坐標(biāo)參數(shù),。根據(jù)LCD分辨率,將(300,300)設(shè)置為原點(diǎn),,根據(jù)式(7),、式(8)實(shí)現(xiàn)該功能。根據(jù)上述關(guān)系,,目標(biāo)飛行航路PPI顯示的邏輯圖設(shè)計(jì)如圖4所示,。

004.jpg

  Derc為目標(biāo)的方位角,D為斜距,,H為高度,,axisflag為目標(biāo)位置寄存器。當(dāng)初始水平距離大于飛行距離則axisflag為“1”,,否則為“0”,。目標(biāo)坐標(biāo)參數(shù)信息轉(zhuǎn)換主要包括開方,、乘法及除法等算術(shù)運(yùn)算[6],關(guān)鍵為方位角的轉(zhuǎn)換及坐標(biāo)平移的實(shí)現(xiàn),。采用數(shù)據(jù)流級(jí)建模實(shí)現(xiàn)方位角的轉(zhuǎn)換,,求出方位角的余角。方位角余角的正弦與水平距離的乘積則為目標(biāo)的x坐標(biāo)值,。建模語句為:

  assign DercMulti=(Derc>13'd3000)?(13'd6000-Derc):Derc;

  assign TempDerc=(DercMulti>13'd1500)?(13'd3000-

  DercMulti):DercMulti;

  assign dercwire=13'd1500-TempDerc;

  方位角正弦與水平距離的乘積則為目標(biāo)的y坐標(biāo)值,。建模語句為:

  assign Dercmulti=(Derc>13'd3000)?(13'd6000-Derc):Derc;

  assign dercwire=(Dercmulti>13'd1500)?(13'd3000-

  Dercmulti):Dercmulti;

  對(duì)目標(biāo)坐標(biāo)(x,y)進(jìn)行比例縮放后,,得到其在LCD上的(X,,Y)坐標(biāo)值。采用數(shù)據(jù)流級(jí)建模完成X坐標(biāo)的平移,。當(dāng)axisflag為1,,且方位角大于1 500密位小于4 500密位時(shí),或者當(dāng)axisflag為0,,且方位角小于1 500密位或大于4 500密位時(shí),, X取值為(11'd300-xasis),否則為(11'd300+xasis),。建模語句為:

  assign XaxisCode=(((axisflag==1'b1)&((Derc>13'd1500)& (Derc<13'd4500)))|((axisflag==1'b0)&((Derc<13'd1500)|(Derc>13'd4500))))?(11'd300-xasis):(11'd300+xasis);

  在對(duì)Y坐標(biāo)進(jìn)行平移時(shí),,采用數(shù)據(jù)流級(jí)建模完成坐標(biāo)平移。當(dāng)axisflag為1,,且目標(biāo)方位小于3 000密位時(shí),,或者當(dāng)axisflag為0,且目標(biāo)方位角大于3 000密位時(shí),, Y取值為(11'd300-xasis),,否則為(11'd300+xasis)。建模語句為:

  assign YaxisCode=(((axisflag==1'b1)&(Derc<13'd3000))|

  ((axisflag==1'b0)&(Derc>13'd3000)))(11'd300-yasis):(11'd300+yasis);

  2.3.2 目標(biāo)信息轉(zhuǎn)換為LCD顯示器字庫碼

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  航路目標(biāo)參數(shù)主要包括速度,、方位角,、高低角、斜距,、高度及水平距離等,。在LCD顯示器上顯示時(shí),需將數(shù)值轉(zhuǎn)換為ASCII碼值,。其邏輯圖如圖5所示,,采用除法運(yùn)算求出各個(gè)位的數(shù)值。由于數(shù)字‘0’的ASCII值為0x30(48),,數(shù)字加48得到其ASCII碼值,。

  2.3.3 RS232通信及目標(biāo)參數(shù)周期更新

  航路目標(biāo)PPI顯示,由FPGA處理器通過RS232總線向LCD顯示器發(fā)送報(bào)文實(shí)現(xiàn),。通信報(bào)文格式如表1所示,,幀頭長度為1 B,,指令長度為1 B,指令參數(shù)最多可達(dá)1 018 B,,幀尾長度為4 B,。

  根據(jù)仿真系統(tǒng)功能需求,LCD顯示器中顯示的內(nèi)容主要包括掃描線,、刻度,、目標(biāo)航跡及目標(biāo)參數(shù)信息等,并周期性更新,。FPGA控制單元與LCD顯示器進(jìn)行串行通信的流程圖如圖6所示,。

  圖6所示的液晶屏顯示子程序中包含動(dòng)態(tài)顯示控制、參數(shù)更新控制,、參數(shù)發(fā)送3個(gè)核心功能模塊,。其狀態(tài)圖及流程圖如圖7所示。動(dòng)態(tài)顯示控制模塊采用有限狀態(tài)機(jī)方式實(shí)現(xiàn),,當(dāng)F5downflag為高時(shí),,動(dòng)態(tài)顯示控制模塊、參數(shù)更新控制模塊及參數(shù)發(fā)送模塊工作,。其中,,動(dòng)態(tài)顯示控制模塊開始計(jì)時(shí),并周期性產(chǎn)生scanflag脈沖,;參數(shù)更新控制模塊捕捉到scanflag脈沖后,,將updateout置為高電平,并開始判斷updateflag的狀態(tài),;參數(shù)發(fā)送模塊捕捉到updateout上升沿后,,通過有限狀態(tài)機(jī)方式選擇目標(biāo)參數(shù)報(bào)文,,實(shí)現(xiàn)參數(shù)周期更新,,發(fā)送完畢后將updateflag置為高電平;參數(shù)更新控制模塊捕捉到updateflag上升沿后將updateout置為低電平,,等待下一個(gè)scanflag信號(hào),。由此,完成了PPI顯示及更新,。當(dāng)動(dòng)態(tài)顯示控制模塊產(chǎn)生地scanflag脈沖周期小于參數(shù)發(fā)送模塊完成發(fā)送產(chǎn)生地updateflag脈沖的周期時(shí),,可實(shí)現(xiàn)PPI參數(shù)的周期性實(shí)時(shí)更新。

3 仿真試驗(yàn)與性能測(cè)試

  3.1 仿真試驗(yàn)

  使用Verilog HDL完成各功能模塊的IP核設(shè)計(jì),,部分功能模塊的IP核仿真如圖8~圖10所示,。

008.jpg

  圖8為將以雷達(dá)為原點(diǎn)的目標(biāo)的x坐標(biāo)值縮放并平移至為以LCD顯示器(300,300)像素點(diǎn)為原點(diǎn)的X坐標(biāo)值仿真試驗(yàn)結(jié)果,,與計(jì)算結(jié)果一致,。

009.jpg

  圖9為根據(jù)目標(biāo)的實(shí)時(shí)斜距及高度計(jì)算目標(biāo)的高低角,,并將高低角轉(zhuǎn)換為ASCII值仿真。仿真結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果一致,。

  由仿真結(jié)果可以看出,,PPI顯示IP核將目標(biāo)狀態(tài)參數(shù)周期性的組合為報(bào)文,并通過串口發(fā)送,,從而實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)參數(shù)PPI顯示及更新,。

  3.2 性能測(cè)試


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  將IP核下載至FPGA,控制LCD顯示器進(jìn)行PPI顯示[7],,顯示效果如圖11所示,,顯示掃描線、目標(biāo)的飛行軌跡及參數(shù)等信息,,效果逼真,。

4 結(jié)論

  本文提出了一種基于FPGA的雷達(dá)PPI顯示原理及實(shí)現(xiàn)方法,并應(yīng)用于仿真訓(xùn)練裝備,。該方法繼承了傳統(tǒng)基于Windows系統(tǒng)PPI顯示逼真度高等優(yōu)點(diǎn),,并克服了其不足,成為某型雷達(dá)重要的仿真訓(xùn)練器材,,受到了雷達(dá)部隊(duì)官兵的好評(píng),。

參考文獻(xiàn)

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