文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2014)11-0012-04
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
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:
目標(biāo)水平距離d為:
設(shè)水平距離d在正北方位的投影為X0,則有:
設(shè)水平距離d在正西方位的投影為Y0,,則有:
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:
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:
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:
2.2 PPI顯示仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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,。
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
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,。
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,。
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
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),。
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