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(shù)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,。

　　圖8為將以雷達為原點的目標的x坐標值縮放并平移至為以LCD顯示器(300，300)像素點為原點的X坐標值仿真試驗結(jié)果,，與計算結(jié)果一致,。

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

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

　　3.2 性能測試

　　將IP核下載至FPGA,，控制LCD顯示器進行PPI顯示[7],，顯示效果如圖11所示，顯示掃描線,、目標的飛行軌跡及參數(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PPI顯示原理及實現(xiàn)方法,，并應用于仿真訓練裝備,。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，并克服了其不足,，成為某型雷達重要的仿真訓練器材,，受到了雷達部隊官兵的好評。

參考文獻

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　　[6] 陳國軍,，萬明康,，王大鳴，等.乘除法和開方運算的FPGA串行實現(xiàn)[J].微計算機信息(嵌入式與SOC),，2008,，24(2-2)：167-168，192.

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