基于ARM微處理器的雷達有源校準器設計

中國電波傳播研究所電波環境特性及模化技術重點實驗室 李善斌 李慧明 朱秀芹 張玉石

中國電波傳播研究所電波環境特性及模化技術重點實驗室 西安電子科技大學雷達信號處理國家重點實驗室 黎 鑫

基于ARM微處理器的雷達有源校準器設計

中國電波傳播研究所電波環境特性及模化技術重點實驗室 李善斌 李慧明 朱秀芹 張玉石

中國電波傳播研究所電波環境特性及模化技術重點實驗室 西安電子科技大學雷達信號處理國家重點實驗室 黎 鑫

針對傳統雷達有源校準器存在功能單一、便攜性差和集成度低等問題，研究并實現了一種基于ARM微處理器的雷達有源校準器。通過對ARM微處理器系統和嵌入式WinCE（Windows CE）操作系統等的綜合運用開發，實現了雷達有源校準器系統控制、系統校時、數據采集、數據存儲和數據顯示等功能的本機集成。工程應用表明，該設備具有數據采集全面、便攜性佳和集成度高等優點。

ARM微處理器；雷達有源校準器；WinCE

0 引言

在雷達雜波測量過程中，對雷達系統進行外部校準是保障后續雜波數據處理有效性的必要環節。雷達系統的外部校準通常是通過測量一個已知雷達散射截面積（RCS）的校準目標來實現的[1]。校準目標可以采用已知RCS的無源角反射器、有源校準器或均勻擴展地物（如熱帶雨林）等，但實際上校準場地背景雜波干擾嚴重，或者很難找到大面積的理想均勻地物，因此，采用安裝方便、體積小且RCS可以設計較大的雷達有源校準器來實施雷達外校準是目前較好的選擇[2]。

傳統的雷達有源校準器以單片機為核心，主要實現系統的控制與數據采集，而系統校時、數據存儲和數據顯示則由手持式GPS接收機和筆記本電腦完成，因此，傳統的雷達有源校準器的缺點是功能比較單一、設備多、便攜性差、集成度低[1]。

近年來，嵌入式系統以其小型、專用和高可靠等特點，已經在醫療、工業控制和消費電子等領域得到了廣泛的應用，ARM技術作為嵌入式系統方面的主流技術，其應用領域也越來越廣泛[3]，因此，研究一種基于ARM微處理器的雷達有源校準器，可以實現本機實時控制，實時數據采集、存儲和顯示等功能，具有良好的人機交互功能，并且具有便攜性佳、數據采集全面和集成度高等優點。

1 系統硬件設計

系統由ARM微處理器系統、數據采集電路、GPS接收模塊、接收天線、發射天線和微波組件及其控制電路等組成，如圖1所示。

圖1 系統硬件總體框架

ARM微處理器系統作為整個系統的控制中心，其主要任務是根據當前環境溫度調度并控制微波組件使其按照預先設定的方式工作，并完成人機交互、實時數據顯示和存儲等功能；數據采集電路用于獲取微波組件輸出端的視頻信號數據和溫度傳感器的溫度數據，然后通過串口傳送給ARM微處理器系統。GPS接收模塊用于接收GPS信息，并將GPS信息通過串口傳送給ARM微處理器系統。接收天線用于接收雷達的射頻信號，發射天線用于將雷達有源校準器放大后的射頻信號發射給雷達。微波組件及其控制電路通過串口接收ARM微處理器系統的指令，然后對微波組件進行調整，并在調整完成后通過串口反饋給ARM微處理器系統。

1.1 ARM微處理器系統

ARM微處理器系統采用基于ARM11系列處理器的嵌入式開發板。ARM11系列處理器是ARM公司近年推出的新一代RISC處理器，它是ARM新指令架構——ARMv6的第一代設計實現[4]。板上采用的處理器芯片為SAMSUNG 16/32位RISC微處理器S3C6410，它基于ARM1176JZF-S處理器核，最高運行頻率為667MHz，采用SD卡的存儲方式，最高可支持32GB SD卡存儲。開發板具備4個串口、1個網口和1個USB等接口，可以滿足系統對接口的需求。

雷達有源校準器采用該開發板不僅可以減少硬件設計和軟件開發的難度，而且還可以用畫圖的方式實現數據的實時顯示。

1.2 數據采集電路

數據采集電路的主要作用，一是將微波組件輸出的模擬信號轉換成數字信號，二是獲取溫度傳感器的溫度數據，然后把二者的數據通過串口傳送給ARM微處理器系統，是雷達有源校準器不可或缺的組成部分。

數據采集電路由微處理器、信號調理電路、AD轉換器、門限控制電路和通訊等部分組成，如圖2所示。微處理器采用華邦W77E58單片機，其指令與MCS-51系列單片機兼容，但內核經過重新設計，提高了時鐘速度和存儲器訪問周期速度。信號調理電路選用運算放大器MCP6002和電阻電容等實現視頻信號的匹配、濾波和放大等功能。為滿足數據采集需要，AD轉換芯片采用MAX1290芯片，該芯片為12位采樣ADC，采樣速率為400ksps。門限控制電路選用LM211比較器芯片，為減小數據量，只對高于噪聲電平（或已知信號電平）的信號予以采樣。串口電平轉換器采用MAX232芯片，便于數據采集電路與ARM微處理器系統進行通訊。

圖2 數據采集電路組成框圖

1.3 GPS接收模塊

GPS信息（包括位置信息和時間信息等）是雷達系統外部校準和數據處理的重要參數，對數據處理和校準結果起著舉足輕重的作用。傳統雷達有源校準器采用GPS手持式接收機獲取GPS信息，本系統采用本機集成GPS OEM接收板的方式自動獲取并存儲GPS信息，相比而言，提高了系統的集成度。

為滿足雷達有源校準器對GSP信息的需求，本系統GPS接收模塊選用摩托羅拉（Motorola）M12授時型GPS OEM接收板，其具有定位精度高（小于25m）、授時準確（高達ns級的同步授時）和功耗低等優點[5]。

1978年12月，黨的十一屆三中全會拉開了我國改革開放的序幕，同年十一月份，當時的國家物資總局組織有關部門和地方領導赴日本考察，首次將物流的概念引入國內。

1.4 微波組件及其控制電路

微波組件及其控制電路是雷達有源校準器最重要的組成部分，其能夠在ARM微處理器系統的控制下實現射頻信號的接收、放大、自校準和轉發等功能，這也是雷達有源校準器要實現的功能。

微波組件由微波開關、濾波器、衰減器、功率放大器、信號源和檢波器等組成，如圖3所示。微波開關采用單刀雙擲工作方式，實現輸入/輸出微波信號的切換；衰減器分為粗調和微調兩種，粗調衰減器采用程控工作方式，用于實現衰減量的大步進調整，微調衰減器采用電調工作方式，用于實現衰減量的小步進調整，通過粗調和微調相結合的方式，實現衰減量的精確調整，從而實現增益的精確調整；信號源是系統自校準的基準信號，其產生兩路信號，一路通過微波環路進入檢波器，另一路直接進入檢波器，然后交由數據采集電路和ARM微處理器系統進行后續處理。

圖3 微波組件組成框圖

微波組件控制電路（如圖4所示）以單片機W77E58為核心，通過串口與ARM微處理器系統進行通訊，根據ARM微處理器系統的下達指令對微波開關和衰減器進行直接控制，其中，取單片機的2位I/O來控制2個微波開關，取單片機的5位I/O來控制粗調衰減器，取單片機的另5位I/O來控制耦合端衰減器，采用D/A轉換器將數字量轉化成模擬量以實現微調衰減器（電調衰減器）的控制。

圖4 微波組件控制電路組成框圖

1.5 溫度傳感器

由于微波器件受溫度的影響較大，為增強雷達有源校準器的環境適應性，需要配置溫度傳感器以便在不同溫度下對系統進行自校準。

溫度傳感器采用美國DALLAS公司生產的一線式智能數字溫度傳感器DS18B20，它具有精度高、全數字化和連線少等優點[6]。為提高電路抗干擾能力，本系統中的DS18B20采用外部供電方式工作，其硬件連線如圖5所示。

2 系統軟件設計

系統軟件主要實現系統校時、系統控制、數據顯示和數據存儲等功能。系統控制包括參數設置（RCS設置和衰減設置）、自校和轉發功能。

圖5 溫度傳感器與單片機的連線圖

2.1 開發平臺構建

系統開發平臺的構建流程[8]如圖6所示，首先利用集成開發工具Microsoft Visual Studio 2005和Platform Builder對WinCE系統進行定制，包括系統組件的裁剪和系統源代碼的修改等；然后根據開發板的特點編譯WinCE工程并生成STEPLDR.bin、EBOOT.bin和NK.bin等WinCE鏡像文件；最后導出對應鏡像的SDK（Software Development Kit）即可進行應用程序開發。

圖6 WinCE開發平臺構建流程圖

2.2 系統軟件主程序設計

系統軟件主程序流程圖如圖7所示，系統首先進行自檢，確認各模塊工作正常后即進入校時操作，校時的目的是根據當前GPS信息對系統時間進行修正，以便與所要校準的雷達進行時間同步。在正常使用的情況下，自校是必須進行的，只有進行了自校，系統才能達到所要求的精度，但是系統軟件允許在不自校的情況下進行轉發操作，這是考慮到有些不需要自校或者自校可能通不過的情況下也能讓用戶使用雷達有源校準器。

2.3 系統自校子程序設計

系統調試階段，在-20℃～+50℃范圍內，以5℃為一個步進，對需要的增益進行調整（通過調整粗調衰減器和微調衰減器來實現），并對溫度、增益、參考電壓、環路電壓、參考電壓與環路電壓的差值等數據進行記錄，存放在一個數據表中。在用戶使用階段，按照當前溫度獲取參考電壓和環路電壓并計算參考電壓與環路電壓的差值，然后將得到的差值與數據表中的相應溫度下的差值進行比對并按照比對結果對環路增益進行調整，最終得到最佳的環路增益。系統自校的流程如圖8所示。

圖7 系統軟件主程序流程圖

圖8 系統自校子程序流程圖

2.4 軟件界面設計

雷達有源校準器一般都在野外使用，所以軟件界面設計超大的觸控按鍵以方便用戶在野外環境下進行觸控操作，軟件菜單采用分級顯示的方式實現軟件的各個功能，第一級界面只有“開始”菜單和狀態顯示，第二級菜單具備參數設置和系統功能按鍵以便用戶實現雷達有源校準器的各項功能，數據存儲子程序自動在后臺運行，將獲取的數據以約定的格式存儲于SD卡中，數據顯示子程序將獲取的數據以畫圖方式顯示于軟件的主界面，如圖9所示。

圖9 軟件界面實況圖

圖10 外校準實況和數據處理結果偽彩圖

3 應用

基于ARM微處理器的雷達有源校準器已多次應用于各類平臺雷達的外校準試驗，取得了良好效果。圖10給出2016年3月某次岸基雷達海上外校準試驗實況圖和外校準數據處理結果偽彩圖，由于試驗是在海上進行，所以需要配合使用穩定平臺以確保試驗的有效性，實況圖中三個白色機箱中偏低一點的便是雷達有源校準器。由數據處理維彩圖可以看出，在第145個距離門處有一條明顯的亮線，這便是雷達有源校準器的所處位置，所得數據再經過后期處理，便可得到岸基雷達的系統常數，即完成雷達系統的外部校準。

4 結語

本文提出一種基于ARM微處理器的雷達有源校準器，通過對ARM微處理器系統和嵌入式WinCE操作系統等的綜合運用開發，實現了集控制、數據采集、數據存儲和數據顯示等于一體的功能完備的雷達有源校準器。目前，已經研制生產了3個波段共計7套基于ARM微處理器的雷達有源校準器，并多次應用于各類型號、產品的雷達外校準試驗，其具有性能穩定、操作方便和精度高等優點，為獲取高精度的雷達系統常數，進而分析雜波數據做出了應有的貢獻。

[1]孫芳,康士峰,羅賢云.機載雜波測量雷達有源校準器的設計與分析[J].電波科學學報,2001,16(4):534-537.

[2]康士峰,葛德彪,張忠治等.機載雜波測量雷達的有源絕對校準技術研究[J].電子學報,2000,28(12):25-28.

[3]李振宇,遲巖,蔡惠茵.基于ARM微處理器的多通道數據采集系統[J].集美大學學報(自然科學版),2007,12(3):237-240.

[4]韋東山.嵌入式Linux應用開發完全手冊[M].北京:人民郵電出版社,2008.

[5]Motorola GPS Products-Oncore User’s Guide.Motorola Inc,2002.

[6]顧振宇,劉魯源,杜振輝.DS18B20接口的C語言程序設計[J].單片機與嵌入式系統應用,2002(7):22-24.

[7]張書峰,張嵐,毛樂山.一種基于Windows CE的數據采集分析儀[J].儀器儀表用戶,2009,16(2):34-36.

[8]Installation Manual for SMDK6410(Windows Embedded CE 6.0).Samsung Electronics Co.,Ltd,2008.

李善斌【通信作者】（1982—），男，工程師，主要研究方向：地海雜波測試方法、地海雜波測試硬件設計。

李慧明（1981—），男，工程師，主要研究方向：地海雜波測試與軟件、地海雜波數據庫與應用技術。

朱秀芹（1971—），女，博士，研究員，中國電子學會高級會員，主要研究方向：電磁場數值計算、雷達雜波特性分析。

Design of active radar calibrator based on ARM microprocessor

Li Shanbin1，Li Huiming1，Zhu Xiuqin1，Zhang Yushi1，Li Xin1,2
（1.Key Laboratory of Electromagnetic Environment and Modeling Technology，Research Institute of Radio Wave Propagation，Qingdao 266107，China；2.National Key Laboratory of Radar Signal Processing，Xidian University，Xi’an 710071，China）

To solve the problem that the traditional active radar calibrator has sole function，poor portability and low integration，a kind of active radar calibrator based on ARM microprocessor has been studied and implemented.The combination of ARM microprocessor system and embedded Windows CE operating system is developed for active radar calibrator to achieve the functions such as system control，system automatic time calibration，data collection，storage and display and so on.Engineering application indicates that this device has the advantages of comprehensive data collection，good portability and high integration.

ARM microprocessor；Active radar calibrator；WinCE