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(biāo)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(fù)雜等不足。

　　本文介紹一種基于FPGA的雷達(dá)PPI顯示設(shè)計及實現(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)示波管實現(xiàn)。PPI顯示器的優(yōu)點為目標(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，圖中掃描線的指向為雷達(dá)天線的方位，掃描中心點與回波信號間的長度代表目標(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

　　2.1 PPI顯示仿真原理

　　根據(jù)雷達(dá)的工作原理，在其探測到目標(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，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(dá)位置為坐標(biāo)原點的目標(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的平面坐標(biāo)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(biāo)平移來實現(xiàn)該效果，有：

　　2.2 PPI顯示仿真系統(tǒng)設(shè)計

　　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)計方法開展系統(tǒng)頂層設(shè)計。PPI顯示仿真系統(tǒng)頂層設(shè)計為：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(biāo)參數(shù)，并進(jìn)行坐標(biāo)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(biāo)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(biāo)參數(shù)信息更新功能[4-5]。

　　2.3 PPI顯示的IP核設(shè)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(shè)計。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，根據(jù)式(7)、式(8)實現(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)運算[6]，關(guān)鍵為方位角的轉(zhuǎn)換及坐標(biāo)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(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，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， 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(biāo)進(jìn)行平移時，采用數(shù)據(jù)流級建模完成坐標(biāo)平移。當(dāng)axisflag為1，且目標(biāo)方位小于3 000密位時，或者當(dāng)axisflag為0，且目標(biāo)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(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，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(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(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(dāng)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(biāo)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(dāng)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(shè)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(dá)為原點的目標(biāo)的x坐標(biāo)值縮放并平移至為以LCD顯示器(300，300)像素點為原點的X坐標(biāo)值仿真試驗結(jié)果，與計算結(jié)果一致。

　　圖9為根據(jù)目標(biāo)的實時斜距及高度計算目標(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)周期性的組合為報文，并通過串口發(fā)送，從而實現(xiàn)了目標(biāo)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(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，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)部隊官兵的好評。

參考文獻(xiàn)

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