0 引言

    船用雷達(dá)訓(xùn)練過(guò)程中采用的方法一般采用實(shí)裝訓(xùn)練、模擬器訓(xùn)練和半實(shí)裝訓(xùn)練,。實(shí)裝訓(xùn)練雷達(dá)一般都安裝在實(shí)驗(yàn)室樓頂上端^[1],，在周?chē)ㄖ镉绊懴拢繕?biāo)回波與真實(shí)的海上回波差別很大,，針對(duì)性不強(qiáng),，并且訓(xùn)練中雷達(dá)輻射大量的大功率電磁波，不僅形成資源浪費(fèi)，且對(duì)人體有傷害,。模擬器訓(xùn)練可以在不輻射電磁波的情況下較好地提供接近真實(shí)雷達(dá)的海上回波,，但學(xué)生都是用鼠標(biāo)控制雷達(dá)的各種操作，與真實(shí)的操作面板差異很大,，不利于學(xué)生的操作訓(xùn)練,。半實(shí)裝訓(xùn)練是采用雷達(dá)顯示器真機(jī)和取代收發(fā)機(jī)的信號(hào)發(fā)生器相結(jié)合的方式，避免了天線輻射,，但由于信號(hào)發(fā)生器存儲(chǔ)容量有限,，只能存儲(chǔ)某一岸線和碼頭的回波，雷達(dá)回波單一^[2],，效果并不理想,。鑒于以上存在的問(wèn)題，本文提出一種新的船用雷達(dá)訓(xùn)練方式,，用與真雷達(dá)一樣的操作面板去控制軟件雷達(dá)模擬器工作，完成雷達(dá)的各種功能訓(xùn)練,。軟件模擬器技術(shù)比較成熟,，使用中只要設(shè)計(jì)合適的接口即可，因此,，本文的核心是設(shè)計(jì)一款控制軟件雷達(dá)模擬器的操作控制板,，本板以單片機(jī)為核心，結(jié)合A/D采樣器,，把按鍵,、電位器等功能轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制代碼，通過(guò)USB接口與電腦交換數(shù)據(jù),。所以,，控制板的硬件和軟件設(shè)計(jì)是重點(diǎn)工作。設(shè)計(jì)完成的控制板可實(shí)現(xiàn)絕大多數(shù)類(lèi)型的船用雷達(dá)操作訓(xùn)練,，實(shí)現(xiàn)模擬雷達(dá)的功能,，提供接近真機(jī)的操作體驗(yàn)，具有很好的便攜性,，且升級(jí)方便,。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    模擬器控制板要能完成雷達(dá)操作所需的各種控鈕、按鍵及狀態(tài)顯示標(biāo)志,，并要設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)通信的硬件電路,。

1.1 硬件框圖設(shè)計(jì)

    船用雷達(dá)模擬器控制框圖如圖1所示。電位器電路包括雨雪,、海浪,、增益和調(diào)諧等電路，由于電位器產(chǎn)生的是連續(xù)的模擬電壓信號(hào)，必須經(jīng)過(guò)A/D采樣后變換成數(shù)字信號(hào),，經(jīng)單片機(jī)送給PC完成對(duì)模擬器軟件的控制,；按鍵電路是雷達(dá)相關(guān)功能的開(kāi)關(guān)，使其工作在高低電平,，完成相應(yīng)的工作,，為了提高接口程序的穩(wěn)定性和降低程序的復(fù)雜度，通過(guò)與門(mén)電路設(shè)計(jì)使按鍵掃描工作在中斷方式,；電源主要為單片機(jī),、電位器、門(mén)電路等各種芯片提供工作電源,；晶振作為振蕩元件,，給單片機(jī)和USB接口芯片提供合適的工作時(shí)鐘。

1.2 單片機(jī)硬件電路設(shè)計(jì)

    現(xiàn)在的雷達(dá)面板一般有12～21個(gè)按鍵,、4～6個(gè)電位器,。因此在對(duì)單片機(jī)選型時(shí)，首先考慮其管腳是否夠用和有無(wú)自帶A/D采樣器,，其次考慮性價(jià)比,，因此選取STC12C5A60S2 芯片。它是宏晶公司生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期（1T）的單片機(jī),，是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī),，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8～12倍,。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路,、2路PWM、8路高速10位A/D 轉(zhuǎn)換,，這些特點(diǎn)保證了面板硬件電路簡(jiǎn)單實(shí)用,。其電路如圖2所示。

    單片機(jī)電路設(shè)計(jì)時(shí),，重點(diǎn)注意以下問(wèn)題：(1)外部晶振頻率的選擇,。為了使定時(shí)器T1的初值設(shè)置為整數(shù)，便于產(chǎn)生USB串口通信精確的波特率,，這里選取的晶振頻率為11.059 2 MHz,；(2)電源上必須設(shè)置一個(gè)開(kāi)關(guān)，為單片機(jī)下載程序時(shí)使用,，原因是STC12C5A60S2必須斷電后重新加電才能把程序下載到單片機(jī)內(nèi)部,；(3)設(shè)置開(kāi)機(jī)復(fù)位電路，由于單片機(jī)內(nèi)部的特殊功能寄存器控制各個(gè)功能部件正常工作,，因此單片機(jī)工作時(shí)需要復(fù)位控制,，并且只能從外部進(jìn)行^[3]；(4)注意把外部0中斷連接到與門(mén)終端，用于按鍵掃描控制,。為了便于閱讀,，本電路端口連接全部使用網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)。

1.3 USB接口電路設(shè)計(jì)

    USB(Universal Serial Bus)是一種通用的串行總線技術(shù),，通過(guò)PCI總線和PC的內(nèi)部系統(tǒng)數(shù)據(jù)線連接,，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送，具有即插即用功能,，支持熱插拔^[4],。利用STC12C5A60S2上的串行通信引腳TXD和RXD，通過(guò)PL2303HX或CH340芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)串口轉(zhuǎn)USB口的電路,?？紤]性價(jià)比及實(shí)用性，本文采用Prolific公司推出的串口轉(zhuǎn)USB接口的轉(zhuǎn)換芯片PL2303HX來(lái)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的串口轉(zhuǎn)USB接口的電路,。USB接口電路如圖3所示,。PL2303HX轉(zhuǎn)換電路并不復(fù)雜，外圍只需幾個(gè)電阻和電容就可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與接PC之間的通信,。

    從圖3中看出,，PL2303HX的TXD和RXD引腳分別與單片機(jī)的P3.0和P3.1連接，就可完成單片機(jī)串口與USB口的轉(zhuǎn)換,，但是注意這兩根線一定要做成差分處理,。PL2303HX外部12 MHz晶振為自己提供工作時(shí)鐘,，外圍兩個(gè)電容為起振電容,；為了防止信號(hào)在端口附近產(chǎn)生反射現(xiàn)象，在D-和D+兩個(gè)端口上分別接上一個(gè)阻值為27 Ω的終端匹配電阻,，D+端接一個(gè)1.5 kΩ的上拉電阻,，實(shí)現(xiàn)枚舉功能。此控制板采用USB直接供電,，因此在USB供電輸出端需要C,、C15兩個(gè)電容對(duì)電源濾波處理，發(fā)光二極管D2主要監(jiān)測(cè)USB供電是否正常,。

1.4 按鍵及電位器電路設(shè)計(jì)

    按鍵電路的功能是按下相關(guān)鍵后控制PC上模擬器軟件執(zhí)行相應(yīng)的功能,，如POWER鍵按下后，模擬器軟件開(kāi)始執(zhí)行開(kāi)機(jī)的工作,，面板出現(xiàn)蜂鳴聲,，屏幕上出現(xiàn)倒計(jì)時(shí)。因此,，在鍵按下后,，輸出一個(gè)低電平給單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)掃描確定POWER鍵按下，然后送給PC一個(gè)二進(jìn)制代碼,，如FF0101AA,。所以在設(shè)計(jì)硬件電路時(shí)，要用簡(jiǎn)單實(shí)用的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)需要的功能,。按鍵電路如圖4所示,，當(dāng)S1沒(méi)有按下時(shí)，POWER端通過(guò)上拉電阻接到電源,，因此POWER端的電壓為高電平（+5 V）,，當(dāng)S1按下時(shí)，S1的“1”端和“4”端導(dǎo)通,，POWER端接地,，輸出為低電平；當(dāng)S1松開(kāi)時(shí),，“1”和“4”端斷開(kāi),，POWER端恢復(fù)為高電平。由于單片機(jī)采用中斷對(duì)按鍵處理,，因此POWER端還要通過(guò)與門(mén)與單片機(jī)外部0中斷（INTN0）連接,。

    電位器電路是控鈕電路，調(diào)整旋鈕產(chǎn)生連續(xù)模擬電壓信號(hào)去控制雷達(dá)功能的變化,。由于單片機(jī)不識(shí)別模擬信號(hào),，因此需要把電壓信號(hào)進(jìn)行采樣控制，為了節(jié)省成本,，采用了單片機(jī)自帶的A/D采樣器,，因此，只需要把變化的電壓送到單片機(jī)的P0口就可以了,。電路如圖5所示,，由于模擬器軟件界面顯示變化一般可達(dá)十幾到幾十種，因此,，設(shè)計(jì)給P0口模擬電壓的大小要按式(1)進(jìn)行計(jì)算：

式中,，ADC_CONTR[7:0]代表采樣結(jié)果，V_in代表輸入電壓,，V_cc指工作電壓,，此處為5 V?？紤]到模擬軟件的升級(jí),，此處送給P0的電壓控制在0～2 V，即可較好地滿足需求,。

    其他按鍵電路和電位器電路設(shè)計(jì)大致相同,，這里就不再重復(fù),。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

    面板要把針對(duì)面板的各種操作轉(zhuǎn)換為代碼去控制PC上模擬器軟件工作。因此,，面板接口程序不僅要完成單片機(jī)與電腦之間的通信,，還要完成按鍵掃描程序、ADC采樣等程序的設(shè)計(jì),。

2.1 按鍵程序設(shè)計(jì)

    獨(dú)立式按鍵性能穩(wěn)定，單片機(jī)上的可用I/O口足夠用,，因此采用中斷方式的獨(dú)立式按鍵接口電路,，任何一個(gè)按鍵按下時(shí)，都會(huì)觸發(fā)外部零中斷,，由中斷入口處用一跳轉(zhuǎn)指令進(jìn)入按鍵查詢子程序,，確定具體按鍵號(hào)，通過(guò)USB串口送代碼給PC,。

    開(kāi)始階段要設(shè)置具體的起始地址,、中斷入口地址和各種寄存器的初始狀態(tài)，然后等待中斷,，中斷到來(lái)后執(zhí)行查詢和數(shù)據(jù)傳遞等功能,，程序流程如圖6所示。

    面板按鍵是機(jī)械觸點(diǎn)按鍵,，在觸點(diǎn)的閉合和斷開(kāi)瞬間會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng),，從而使電信號(hào)出現(xiàn)抖動(dòng),，這可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)多次執(zhí)行中斷程序,，因此按鍵需要消抖處理,，按鍵抖動(dòng)的時(shí)間長(zhǎng)短與開(kāi)關(guān)的機(jī)械特性有關(guān)，一般為5～10 ms^[5],。程序設(shè)計(jì)時(shí)要做2次消抖處理：一是按鍵閉合消抖，當(dāng)查詢某一按鍵按下時(shí),，延時(shí)10 ms后,，檢查信號(hào)是否為低電平,，如果為低電平,，送32位數(shù)給PC，否則重新掃描,；二是按鍵松開(kāi)消抖，方法同按鍵閉合消抖處理一樣,，這里就不再重復(fù)。當(dāng)POWER鍵按下時(shí)傳送給PC的數(shù)據(jù)就是FF3101AAH,，F(xiàn)F表示單片機(jī)過(guò)來(lái)的是有效數(shù)據(jù),，31表示執(zhí)行的是開(kāi)關(guān)機(jī)功能,，01無(wú)具體意義，AA代表有效數(shù)據(jù)結(jié)束,。其他按鍵按下時(shí)傳遞的數(shù)據(jù)都是32位，只是中間的功能代表值有差異,。

2.2 ADC采樣程序設(shè)計(jì)

    利用STC12C5A60S2單片機(jī)自帶的采樣速度可達(dá)250 kHz的8路A/D轉(zhuǎn)換器，能方便地把模擬電壓信號(hào)進(jìn)行量化,，由于只有4個(gè)電位器,，所以只用了P1.0～P1.3口。在程序設(shè)計(jì)時(shí)需注意以下幾個(gè)問(wèn)題：一是要用STC單片機(jī)擴(kuò)展的特殊功能寄存器,，需要先聲明特殊功能寄存器的地址，如ADC控制寄存器聲明方式：ADC_CONTR  EQU 0BCH,；二是要按照STC技術(shù)手冊(cè)的要求,，打開(kāi)外部模擬通道P1.0～P1.3口,，設(shè)置ADC_CONTR寄存器,，適當(dāng)延時(shí),，等內(nèi)部電源穩(wěn)定再進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,。ADC中斷轉(zhuǎn)換軟件程序流程圖如圖7所示。

    控制板工作時(shí),，ADC每次采樣傳送到PC的數(shù)據(jù)也是32位,，如TUNING電位器傳送的數(shù)據(jù)可能是FF0040AAH,，F(xiàn)F和AA代表的數(shù)據(jù)和上述相同,，00代表的是模擬通道P1.0,，40代表的P1.0通道模擬電壓信號(hào)的采樣值,。

2.3 USB串口通信程序設(shè)計(jì)

    串口通信主要包括USB串口驅(qū)動(dòng)程序,、串口通信及波特率初始化和發(fā)送數(shù)據(jù)子程序,。USB串口驅(qū)動(dòng)子程序可從Prolific公司網(wǎng)站下載，安裝后直接使用,，當(dāng)單片機(jī)系統(tǒng)與PC主機(jī)系統(tǒng)通過(guò)USB通信線連接起來(lái)后,，PC將這個(gè)USB接口看成是一個(gè)COM口(RS232全雙工異步串行通信接口),，此端口號(hào)是PC自動(dòng)分派的，不是每臺(tái)都一樣,，使用時(shí)記住串口號(hào)即可,。

    串口通信采用串行口工作方式1的發(fā)送接收方式,，通信雙方不需要時(shí)鐘同步，發(fā)送方和接收方都有自己的移位脈沖,，通過(guò)設(shè)置共同的波特率來(lái)實(shí)現(xiàn)同步,。具體步驟為：(1)初始化串口,，設(shè)置SCON以及PCON寄存器,；(2)初始化寄存器,，設(shè)置波特率。匯編程序子程序如下所示,。

    INIT_UART：MOV TMOD,  #20H,；設(shè)置定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1，工作于模式2

        MOV  TH1, #0FAH

        MOV  TL1, #0FAH,；波特率4 800 b/s

        SETB  TR1,； 啟動(dòng)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1

        MOV  PCON, #0,；設(shè)SMOD為0

        MOV  SCON, #40H,；設(shè)置串行通信工作于方式1,，不允許接收

        RET

    此程序可根據(jù)實(shí)際需求,，重置TH1和TL1的數(shù)值更新波特率大小。傳送數(shù)據(jù)子程序設(shè)計(jì)流程為：(1)將發(fā)送的數(shù)據(jù)送入串口緩沖寄存器,；(2)硬件自動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送結(jié)束后,，TI置1；(3)軟件對(duì)TI進(jìn)行清零,，以發(fā)送下一數(shù)據(jù),。具體程序如下所示：

    SEND_DATA: MOV  SBUF,  A,；送A的值到SBUF

        JNB  TI,  $,；等數(shù)據(jù)傳送

        CLR  TI,；置TI為零

        RET

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

    將制作好的控制板通過(guò)串口與電腦進(jìn)行連接,，設(shè)置好波特率,，通過(guò)串口軟件查看按鍵和電位器傳遞的數(shù)據(jù)，結(jié)果與設(shè)計(jì)結(jié)果完全一致,，證明了設(shè)計(jì)的正確性,。圖8是通過(guò)增益電位器控制雷達(dá)屏幕的顯示，很好地控制了軟件模擬器的工作,，達(dá)到了預(yù)期效果,。

4 結(jié)語(yǔ)

    通過(guò)單片機(jī)將雷達(dá)面板上的各種模擬操作轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制代碼去控制軟件模擬器工作，具有靈活性大,、逼真度高的特點(diǎn),。根據(jù)船用導(dǎo)航雷達(dá)操作控制板的特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)出了基于STC12C5A60S2單片機(jī)的船用雷達(dá)操作控制板,，并對(duì)硬件和軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳盡的介紹,。本板經(jīng)測(cè)試表明性能穩(wěn)定，現(xiàn)已在某一軍用雷達(dá)模擬訓(xùn)練器上投入使用,，效果良好,。

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作者信息:

楊  建

（解放軍鎮(zhèn)江船艇學(xué)院,，江蘇 鎮(zhèn)江212003）