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某型雷達仿真訓練系統(tǒng)PPI顯示設計與實現(xiàn)

2014年電子技術應用第11期

陸玉芳1，2，倪國旗1，3

（1.桂林電子科技大學信息與通信學院，廣西桂林541004； 2.桂林航天電子有限公司，廣西桂林541002； 3.空軍空降兵學院，廣西桂林541002）

摘要： 開展了基于FPGA的雷達PPI顯示研究，介紹了PPI顯示的頂層模塊設計及功能組成，詳細闡述了航路目標PPI顯示原理及實現(xiàn)方法、目標坐標參數(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核設計。并且簡要介紹了各功能模塊的仿真試驗情況及在硬件平臺中的性能測試情況。

關鍵詞： 平面位置PPI顯示器知識產(chǎn)權(quán)IP核現(xiàn)場可編程門陣列串行通信

中圖分類號： TP391.9；TP331.2
文獻標識碼： A
文章編號： 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)的雷達仿真訓練系統(tǒng)中，通常以工控機作為硬件平臺，在Windows操作系統(tǒng)下采用高級語言（VC++等）編程的方法實現(xiàn)目標信號的產(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，但受平臺影響，存在體積大、重量重、便攜性差及系統(tǒng)組成復雜等不足。

　　本文介紹一種基于FPGA的雷達PPI顯示設計及實現(xiàn)方法，能克服傳統(tǒng)方法的不足。

1 雷達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)示波管實現(xiàn)。PPI顯示器的優(yōu)點為目標數(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，圖中掃描線的指向為雷達天線的方位，掃描中心點與回波信號間的長度代表目標的距離，回波的形狀能夠體現(xiàn)目標的回波特征[1]。

2 PPI顯示研究與設計

　　2.1 PPI顯示仿真原理

　　根據(jù)雷達的工作原理，在其探測到目標后，可從回波中提取目標的位置信息。在直角坐標系中，目標主要包括斜距（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]。

　　由于雷達波以光速傳播，目標斜距D與傳播時間tr的關系如下：

　　目標水平距離d為：

　　設水平距離d在正北方位的投影為X0，則有：

　　設水平距離d在正西方位的投影為Y0，則有：

　　在LCD顯示器中進行PPI仿真顯示時，首先，根據(jù)式(1)求出斜距，再根據(jù)式(2)求出目標在以雷達為原點的投影。其次，如圖2所示，假設以正北方位為X軸，以正西方位為Y軸，根據(jù)式(3)、式(4)可將目標三維坐標信息轉(zhuǎn)換為以雷達為原點的二維坐標信息。最后，根據(jù)LCD顯示器像素等比例縮放，設N個像素點表示水平距離d，比例因子為K，有：

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

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

　　2.2 PPI顯示仿真系統(tǒng)設計

　　根據(jù)某型雷達仿真訓練系統(tǒng)功能需求，并結(jié)合FPGA處理器硬件資源，采用自頂向下的設計方法開展系統(tǒng)頂層設計。PPI顯示仿真系統(tǒng)頂層設計為：系統(tǒng)復位模塊、目標初始參數(shù)ASCII碼變換模塊及直行航路參數(shù)計算模塊等19個功能模塊。如圖3所示，系統(tǒng)通過串行通信接收初始參數(shù)，計算目標參數(shù)，并進行坐標變換；動態(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參數(shù)信息組合為通信報文，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)送報文數(shù)據(jù)，發(fā)送完畢后產(chǎn)生脈沖信號，參數(shù)更新控制模塊等待下一個參數(shù)更新觸發(fā)脈沖。由此，系統(tǒng)完成了PPI顯示及目標參數(shù)信息更新功能[4-5]。

　　2.3 PPI顯示的IP核設計

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

　　2.3.1 目標坐標參數(shù)轉(zhuǎn)換

　　根據(jù)PPI顯示仿真原理，先計算目標的水平距離，再進行比例縮放換算為LCD坐標參數(shù)。根據(jù)LCD分辨率，將（300,300）設置為原點，根據(jù)式(7)、式(8)實現(xiàn)該功能。根據(jù)上述關系，目標飛行航路PPI顯示的邏輯圖設計如圖4所示。

　　Derc為目標的方位角，D為斜距，H為高度，axisflag為目標位置寄存器。當初始水平距離大于飛行距離則axisflag為“1”，否則為“0”。目標坐標參數(shù)信息轉(zhuǎn)換主要包括開方、乘法及除法等算術運算[6]，關鍵為方位角的轉(zhuǎn)換及坐標平移的實現(xiàn)。采用數(shù)據(jù)流級建模實現(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的x坐標值。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的y坐標值。建模語句為：

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

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

　　Dercmulti):Dercmulti;

　　對目標坐標（x，y）進行比例縮放后，得到其在LCD上的（X，Y）坐標值。采用數(shù)據(jù)流級建模完成X坐標的平移。當axisflag為1，且方位角大于1 500密位小于4 500密位時，或者當axisflag為0，且方位角小于1 500密位或大于4 500密位時， 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Y坐標進行平移時，采用數(shù)據(jù)流級建模完成坐標平移。當axisflag為1，且目標方位小于3 000密位時，或者當axisflag為0，且目標方位角大于3 000密位時， 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 目標信息轉(zhuǎn)換為LCD顯示器字庫碼

　　航路目標參數(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，需將數(shù)值轉(zhuǎn)換為ASCII碼值。其邏輯圖如圖5所示，采用除法運算求出各個位的數(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通信及目標參數(shù)周期更新

　　航路目標PPI顯示，由FPGA處理器通過RS232總線向LCD顯示器發(fā)送報文實現(xiàn)。通信報文格式如表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、目標航跡及目標參數(shù)信息等，并周期性更新。FPGA控制單元與LCD顯示器進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態(tài)顯示控制、參數(shù)更新控制、參數(shù)發(fā)送3個核心功能模塊。其狀態(tài)圖及流程圖如圖7所示。動態(tài)顯示控制模塊采用有限狀態(tài)機方式實現(xiàn)，當F5downflag為高時，動態(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，動態(tài)顯示控制模塊開始計時，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)機方式選擇目標參數(shù)報文，實現(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scanflag信號。由此，完成了PPI顯示及更新。當動態(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，可實現(xiàn)PPI參數(shù)的周期性實時更新。

3 仿真試驗與性能測試

　　3.1 仿真試驗

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