基于單片機仿真的雷達實驗教學系統開發

逄金雷， 傅鳳歧

(公安海警學院船艇指揮系，浙江寧波 315801)

0 引言

由于現代航海雷達的發射機、接收機和天線都集中安裝在桅桿部位的集成環境中，內有高壓電源，在教學中雖然可進行雷達功能演示，但不易進行各關鍵原理信號的測量和教學演示，為優化雷達實驗教學環境和提高實驗教學效果，我們利用單片機開發了雷達信號實時仿真器，在教學中實現了雷達關鍵信號的測試和演示實驗環節、增強了學員理論聯系實際的能力，取得了較好的實驗教學效果。將系統適當擴展，又可進行整幅動態雷達信號的仿真，從而實現了在收發機關閉狀態下的雷達操作訓練，具有簡單、經濟、安全、可產生任意地域環境和不同目標特征雷達圖像，優化了實驗教學環境，提高了實驗教學的綜合效果。

1 系統設計

圖1 系統結構圖

該系統以單片機AT89c52芯片為核心，配以相應的硬件設備，形成一個相對獨立的雷達信號發生器，它能在PC機的輔助支持下，實時生成觸發脈沖信號、方位脈沖信號、船首信號、視頻信號，送到雷達顯示器。雷達信號發生器硬件組成包括地址譯碼器、外存儲器62256(32k)、距離計數器82C54(三路)、目標特征移位寄存器165(2組，每組2片)、目標測程控制單穩態觸發器221、方位碼產生用分頻計數器161、船頭閃光產生用單穩態觸發器221、距離計數脈沖發生器包括晶體組件和分頻器161、視頻信號亮度控制用D/A轉換器、串口通信芯片max232。如圖1所示。

1.1 觸發脈沖

單片機內部定時器T0設置為1 ms定時器，每1 ms輸出一個脈沖，頻率1 kHz，該脈沖經整形后直接輸出觸發脈沖。

1.2 天線方位脈沖

測程控制正方波經161計數器分頻后輸出正負對稱的天線方位脈沖，同時還向單片機發出方位中斷信號。

1.3 船頭閃光脈沖

方位中斷信號啟動單片機外部中斷，經中斷程序計算，當達到天線一周的脈沖個數時，單片機輸出一個脈沖，經單穩態觸發器擴展時間后，輸出船頭閃光脈沖。

1.4 視頻信號

在單片機初始化過程中，將距離計數器82C54設置為16為二進制計數狀態，每個1 ms定時脈沖發出前，單片機將目標距離值(2 Byte)裝入距離計數器，將4組目標特征碼(4 Byte)裝入低位亮度16 b移位寄存器和高位亮度16 b移位寄存器，二組移位寄存器存儲同一目標亮點的二b二進制亮度值，每點可輸出4級亮度。測程正方波輸出后控制距離計數器開始計數，其計數脈沖為脈沖源輸出的0.1 μs(10 MHz)脈沖。當計數器溢出時輸出正方波啟動二組移位寄存器工作，移位脈沖為0.2 μs(5 MHz)脈沖，移位過程中二組移位寄存器的高端輸出視頻輝亮點的二位二進制數，經D/A轉換輸出有輝亮等級的視頻信號。二個一位D觸發器是用來屏蔽沒移位前的高位信號輸出。

1.5 單片機軟件設計

單片機軟件程序包括主程序，T0中斷處理程序，外部中斷處理程序。

(1)主程序。系統數值初始化和重要工作單元的功能編程設置。數值初始化包括雷達圖像數據緩存器的清零和方位脈沖計數等軟件計數單元的清零。工作單元的功能編程設置包括定時器T0的1 ms定時設置、串口工作方式和波特率的設置(定時器T1設置為波特率發生器)、外部目標距離計數器的工作方式設置(采用二進制16位方式計數)。在完成數值初始化和功能設置后，啟動中斷系統，程序原地等待，以后的有關的數據處理全部在中斷程序中進行。流程圖見圖2。

圖2 主程序流程圖

(2)T0中斷處理程序。計時到1ms時，發出定時器T0中斷，中斷處理程序執行:①重新裝填1ms定時參數到定時器T0，準備下一次計時使用;②從雷達圖像緩存器取出目標距離值裝填到外部距離計數器，取出目標特征值裝填到目標移位寄存器，目標移位寄存器有4 Byte，二Byte為一組，每組16 bit，將目標特征碼(4字節)裝入低位亮度16 b移位寄存器和高位亮度16位移位寄存器，二組移位寄存器存儲同一目標亮點的二位二進制亮度值，每點可輸出4級亮度。③輸出觸發脈沖。觸發脈沖經單穩態觸發器輸出測程有效正方波，測程有效正方波控制距離計數器開始計數，其計數脈沖為脈沖源輸出的0.1 μs(10 MHz)脈沖。當計數器溢出時輸出正方波啟動二組移位寄存器工作，移位脈沖為0.2 μs(5 MHz)脈沖，移位過程中二組移位寄存器的高端輸出視頻輝亮點的二位二進制數，經D/A轉換輸出有輝亮等級的視頻信號。二個一位D觸發器是用來屏蔽沒移位前的高位信號輸出。流程圖(圖3)。

(3)外部中斷處理程序。每輸出一個方位脈沖，就向單片機發出一次外部中斷請求，單片機采用軟件計數方法對方位脈沖進行計數，當達到天線一周標準的方位脈沖個數時，將軟件計數單元清零，同時用軟件輸出一個船首脈沖，該脈沖經單穩態觸發器展寬后正式輸出船首脈沖。流程圖見圖4。

圖3 外部中斷流程圖

圖4 外部中斷流程圖

2 系統功能

32 kB存儲器作為一幅雷達圖像的緩存存儲器，可通過串口由控制機進行管理，就可實現包含目標和背景環境的全幅雷達圖像的實時仿真，并可作為教學和訓練的仿真雷達信號源使用。不連接主計算機時，單片機也可以獨立運行，實現典型目標和環境的教學演示效果并形成雷達信號測量實驗的電氣環境。該系統集演示、測量和訓練為一體，優化了雷達實驗教學效果和訓練效果。共有四種工作模式:

(1)雷達實驗教學演示和重要信號測試。和雷達顯示器配合進行單目標的顯示和觸發脈沖、方位計數脈沖、船頭閃光脈沖和視頻信號的實時測量。可在示波器上觀察各脈沖間的對應關系;通過p1口按鈕手動控制，可改變目標距離和特征，以便在示波器上同步觀察對應的變化，提高了實驗教學的效果。

(2)脫機顯示多個動態目標。依靠單片機軟件計算每個天線周期實時輸出動態的目標數據，實現數個動態目標的實時顯示。設備簡單，目標能動態運動，實驗教學效果明顯。

(3)脫機顯示全幅雷達圖像。依靠單片機軟件初始化時計算出一幅雷達圖像的相關數據并存儲到32 kB數據緩存器，或者連接主機，由主計算機生成一幅雷達圖像的數據并存儲到32 kB數據緩存器后脫機，單片機主程序控制32 kB緩存里一幅雷達圖像的實時顯示。

(4)聯機顯示動態全幅雷達圖像。連接主機，每個天線周期由主計算機生成一幅雷達圖像的數據并存儲到32 kB數據緩存器，單片機主程序實現32 kB緩存里一幅幅雷達圖像的動態實時顯示。

3 結語

以單片機為核心開發的雷達信號仿真器，替代具有高壓和較大影響雷達使用壽命的收發機進行雷達信號測量實驗教學，其方法簡單、經濟、安全，又可產生任意地域環境和不同目標特征的雷達圖像，優化了實驗教學環境，提高了實驗教學的綜合效果，該方法也可引用到類似的實驗教學項目中。

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