基于MCS-51單片機(jī)的雷達(dá)模擬訓(xùn)練卡設(shè)計(jì)

0 引言

動(dòng)目標(biāo)偵察雷達(dá)通常采用單脈沖全相參脈沖多普勒工作機(jī)制來(lái)有效提取復(fù)雜地雜波下的動(dòng)目標(biāo)信號(hào)，這種方法能有效跟蹤活動(dòng)目標(biāo)，提取目標(biāo)的距離、方位、徑向速度等有用信息。該方法在民用領(lǐng)域主要用于邊防哨所的偵察警戒，軍事上則主要對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)活動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)視，因此，動(dòng)目標(biāo)偵察雷達(dá)正逐漸發(fā)揮出其重要作用。由于地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)種類多樣，運(yùn)動(dòng)方式不同，產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)軌跡和多普勒音響差異很大，因此，為了能快速發(fā)現(xiàn)并跟蹤目標(biāo)，降低對(duì)雷達(dá)操作手的要求，本文給出了一種通過(guò)雷達(dá)模擬訓(xùn)練卡來(lái)為雷達(dá)操作手提供逼真訓(xùn)練環(huán)境的具體方法。

1 總體設(shè)計(jì)思路

目前各科研院所研制的目標(biāo)模擬器主要是對(duì)雷達(dá)信號(hào)的模擬，根據(jù)模擬信號(hào)頻率不同可分為射頻、中頻、視頻信號(hào)的模擬。此類模擬器主要用于對(duì)雷達(dá)性能指標(biāo)的測(cè)試，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜但功能強(qiáng)大，造價(jià)也比較高。本文所研制的動(dòng)目標(biāo)模擬訓(xùn)練卡主要用于訓(xùn)練雷達(dá)操作手，而不用于檢測(cè)雷達(dá)性能指標(biāo)，因此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。同時(shí)可將其制成雷達(dá)電路板的通用型號(hào)，并可直接通過(guò)接口電路置于雷達(dá)機(jī)箱內(nèi)，操作攜帶都很方便。

動(dòng)目標(biāo)模擬訓(xùn)練卡能模擬雷達(dá)的背景信號(hào)和動(dòng)目標(biāo)信號(hào)，可在不加高壓的情況下為雷達(dá)操作人員提供較為逼真的訓(xùn)練環(huán)境。該模擬訓(xùn)練卡能在 0 °～ 360 °的范位內(nèi)模擬固定目標(biāo)和動(dòng)目標(biāo)，其模擬運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的類型有單兵、輕型車輛、重型車輛、直升機(jī)、坦克等。

該動(dòng)目標(biāo)模擬訓(xùn)練卡采用微型計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)思路。其整體結(jié)構(gòu)如圖 l 所示。

系統(tǒng)中的 MSC-51 系列芯片 80C 31 主要用于控制從 RAM 和 ROM 讀取背景、目標(biāo)、多普勒音響等存儲(chǔ)信息；輸入設(shè)備采用雷達(dá)自身的薄膜操作鍵盤和距離／方位手輪；輸出設(shè)備采用雷達(dá)的 CRT 顯示器。這樣能使雷達(dá)操作人員快速熟悉鍵盤上各指令的操作位置及雷達(dá)裝備的結(jié)構(gòu)特征，避免重復(fù)設(shè)計(jì)的浪費(fèi)，達(dá)到模擬雷達(dá)操作人員訓(xùn)練的最終目的。

2 雷達(dá)動(dòng)目標(biāo)模擬訓(xùn)練卡電路組成

雷達(dá)模擬訓(xùn)練卡的電路組成主要有 CPU 控制電路、背景產(chǎn)生電路、動(dòng)目標(biāo)產(chǎn)生電路和多普勒音響產(chǎn)生電路。圖 2 為該訓(xùn)練板的電原理圖。

與其它雷達(dá)信號(hào)模擬器不同的是，該模擬雷達(dá)操作手的動(dòng)目標(biāo)信號(hào)首先存儲(chǔ)在動(dòng)目標(biāo)模擬訓(xùn)練卡內(nèi)，這些存儲(chǔ)的信號(hào)都是在雷達(dá)正常工作時(shí)錄入的，信號(hào)特征真實(shí)可靠，從而有效避免了其它雷達(dá)信號(hào)模擬器可能因自身模擬信號(hào)的產(chǎn)生故障而達(dá)不到訓(xùn)練要求的困難。

動(dòng)目標(biāo)模擬訓(xùn)練卡的工作過(guò)程是：首先由 CPU 根據(jù)當(dāng)前薄膜鍵盤和控制手輪錄入的雷達(dá)方位碼和雷達(dá)狀態(tài)信號(hào)中的距離起點(diǎn)信息，調(diào)出預(yù)先存儲(chǔ)有各種動(dòng)目標(biāo)的聲音信號(hào)和背景信號(hào)。然后通過(guò)背景產(chǎn)生電路和動(dòng)目標(biāo)產(chǎn)生電路送出相應(yīng)顯示段的背景信號(hào)和動(dòng)目標(biāo)信號(hào)，同時(shí)根據(jù)雷達(dá)狀態(tài)信號(hào)中的光標(biāo)信號(hào)來(lái)判決當(dāng)前的方位和距離上是否有動(dòng)目標(biāo)，若有則通過(guò)多普勒聲音產(chǎn)生電路送出相應(yīng)的聲音信號(hào)。

3 具體電路設(shè)計(jì)及功能實(shí)現(xiàn)

CPU 控制電路是系統(tǒng)電路部分核心，其余的背景產(chǎn)生電路、動(dòng)目標(biāo)產(chǎn)生電路、多普勒聲音產(chǎn)生電路都由 CPU 根據(jù)雷達(dá)當(dāng)前狀態(tài)決定其工作方式和內(nèi)容。雷達(dá)狀態(tài)主要包括主時(shí)鐘信號(hào)、錄取光標(biāo)信號(hào)、距離推移信號(hào)、背景采樣信號(hào)等，其中從距離推移信號(hào)可得到當(dāng)前顯示的距離段，而從錄取光標(biāo)信號(hào)加距離推移信號(hào)則可得到當(dāng)前顯示的距離段上某一點(diǎn)的距離。微機(jī)數(shù)據(jù)總線可送來(lái)雷達(dá)狀態(tài)信息，如扇掃、顯示范圍等。

3.1 CPU 控制電路

CPU 的主要任務(wù)是按預(yù)定算法計(jì)算各動(dòng)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)方向和位置，更新動(dòng)目標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)，并根據(jù)方位和距離起點(diǎn)信息送出相應(yīng)顯示段的動(dòng)目標(biāo)信號(hào)。本訓(xùn)練卡的 CPU 采用 MCS-51 系列 80C 31 芯片，其 CPU 控制電路如圖 3 所示。

系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器采用 27C 512 ，保證有 64KB 的程序空間給監(jiān)控程序使用，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器則采用 62C 256 ，它有 32KB 的 RAM 可使用，地址譯碼電路可產(chǎn)生若干端口信號(hào)，這些端口信號(hào)可控制訓(xùn)練卡的輸入輸出緩沖等接口，以保證從系統(tǒng)得到正確的輸入控制信號(hào)，并通過(guò)輸出端口控制輸出。在電路中， RAM( 62C 256) 占有 0000-7FFFH 的地址，剩余的地址分配給端口使用。

(1) 距離推移脈沖信號(hào)形成

距離推移信號(hào)的數(shù)值提取以 50 kHz 為時(shí)鐘，并以零距離信號(hào)為計(jì)數(shù)起點(diǎn)。距離推移信號(hào)為數(shù)據(jù)鎖存信號(hào)，它可將計(jì)數(shù)器的值鎖存到鎖存器。該值稱為距離推移鎖存值。由于計(jì)數(shù)器時(shí)鐘為 50kHz ，計(jì)數(shù)器的一步為 3 km ，因此，距離推移信號(hào)的數(shù)值等于距離推移鎖存值× 3 。

(2) 錄取光標(biāo)脈沖信號(hào)形成

錄取光標(biāo)信號(hào)的數(shù)值提取以 12.8 MHz 為時(shí)鐘，以距離推移信號(hào)為計(jì)數(shù)起點(diǎn)信號(hào)，錄取光標(biāo)信號(hào)為數(shù)據(jù)鎖存信號(hào)，并將計(jì)數(shù)器的值鎖存到鎖存器中，該值稱為錄取光標(biāo)鎖存值。由于計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘是 12.8MHz ，計(jì)數(shù)器的每一步即是 11.7m ，因此，錄取光標(biāo)信號(hào)的數(shù)值等于錄取光標(biāo)鎖存值× 11.7 。

(3)CPU 計(jì)算方法

可利用 CPU 并通過(guò)公式：距離推移鎖存值× 3+ 錄取光標(biāo)鎖存值× 11.7 來(lái)計(jì)算當(dāng)前的距離。方位數(shù)據(jù)可由外界直接送入，不存在轉(zhuǎn)換的問(wèn)題。雷達(dá)的狀態(tài)信號(hào)可表示雷達(dá)的扇掃范圍、顯示量程和工作方式等狀態(tài)信息。由于該值是數(shù)字信號(hào)， CPU 可直接處理。

最后，在模擬訓(xùn)練卡得到雷達(dá)狀態(tài)信息、距離和方位信息后，即可決定當(dāng)前的聲音和需要顯示的動(dòng)目標(biāo)和背景。

3.2 背景產(chǎn)生電路

背景信號(hào)不需要 CPU 進(jìn)行計(jì)算，只需根據(jù)方位和距離起點(diǎn)信息送出相應(yīng)顯示段的背景信號(hào)即可。其電路如圖 4 所示。

背景產(chǎn)生電路主要以一片 EPROM( 27C 010) 來(lái)設(shè)計(jì)，該 EPROM 中存有一幅實(shí)際的背景圖象，每一象素由三位二進(jìn)制表示，背景產(chǎn)生就是在距離推移信號(hào)的上升沿開始輸出 EPROM 中的數(shù)據(jù)，然后由方位和距離起點(diǎn)信息決定輸出數(shù)據(jù)的起點(diǎn)，而輸出數(shù)據(jù)的范圍 ( 或者說(shuō)當(dāng)前顯示段 ) 則由以背景采樣時(shí)鐘為時(shí)鐘信號(hào)的地址產(chǎn)生器來(lái)決定的。 EPROM( 27C 010) 是八位存儲(chǔ)器，而一個(gè)象素是三位，為了節(jié)約存儲(chǔ)空間，可將 EPROM( 27C 010) 每一字節(jié)分成二個(gè)象素存儲(chǔ)單元，每次輸出的數(shù)據(jù)由一片 GAL 來(lái)對(duì)地址信號(hào)譯碼，以決定當(dāng)前輸出是高四位還是低四位。

3.3 多普勒音響電路

多普勒聲音產(chǎn)生電路主要由 CPU 根據(jù)方位、距離和錄取光標(biāo)信號(hào)來(lái)判斷當(dāng)前位置是否有動(dòng)目標(biāo)，若有動(dòng)目標(biāo)，就從動(dòng)目標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)出其對(duì)應(yīng)的聲音。當(dāng)前聲音控制器可選擇目前產(chǎn)生的聲音是這八種中的哪一種，然后將其輸出給音響報(bào)警板，最后產(chǎn)生多普勒聲音。

4 系統(tǒng)程序流程

本系統(tǒng)由 80C 31 的定時(shí)器 T0 設(shè)定采用時(shí)間間隔， T0 定時(shí)一到即進(jìn)人中斷服務(wù)程序，系統(tǒng)依次采集各路模擬輸入量。并存人對(duì)應(yīng)的 RAM 中。當(dāng)外部開關(guān)量輸入信號(hào)發(fā)生變化后，即可通過(guò) 80C 31 的引腳／ INT1 請(qǐng)求中斷。當(dāng) 80C 31 進(jìn)入相應(yīng)的中斷服務(wù)程序后，系統(tǒng)便可做出相應(yīng)的反應(yīng)。其程序流程圖如圖 5 所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

動(dòng)目標(biāo)偵察雷達(dá)模擬訓(xùn)練卡通過(guò)與雷達(dá)的聯(lián)機(jī)調(diào)試來(lái)有效模擬背景圖和各種動(dòng)目標(biāo)信號(hào)，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)雷達(dá)距離手輪和方位控制顯示器中的搜索光標(biāo)一定，搜索光標(biāo)套住顯示器上的動(dòng)目標(biāo)時(shí)，雷達(dá)喇叭便可發(fā)出不同動(dòng)目標(biāo)的多普勒音響，從而說(shuō)明該模擬訓(xùn)練卡的設(shè)計(jì)達(dá)到了有效訓(xùn)練雷達(dá)操作手的目的。本文將微型機(jī)的設(shè)計(jì)原理應(yīng)用到雷達(dá)模擬訓(xùn)練卡的設(shè)計(jì)中，避免了常規(guī)雷達(dá)信號(hào)模擬器回波模擬的巨大工作量，節(jié)約了成本，同時(shí)有效達(dá)到了逼真訓(xùn)練雷達(dá)操作手的目的。