基于STM32的雷達模擬訓練裝置設計與實現

（海軍航空大學青島校區 青島 266041）

1 引言

XX雷達是海/空軍航空兵實施飛機著陸引導的主要裝備。現役雷達具有操作繁瑣、原理復雜、體型較大、價格昂貴等特點，對雷達操縱員的業務訓練歷來是該裝備管理的薄弱環節和難點問題。基于STM32等嵌入式系統開發雷達模擬訓練裝置，并有針對性開展裝備操作、維護、測試和檢修等技能訓練，具有訓練成本低、效率高、安全性高等優點，是促進雷達崗位人員生成裝備保障能力的有效手段。

2 雷達模擬訓練裝置的總體設計

基于STM32開發板集成了雷達模擬訓練裝置（以下簡稱模擬裝置），模擬實現了該型雷達的組成結構、通電檢查、信號檢測、故障排除等功能，其系統組成如圖1所示。

圖1 雷達模擬訓練裝置系統組成

依據雷達裝備整機的實際組成，模擬裝置包括控制機柜、收發機柜、操顯機柜、領顯機柜、雷達天線、電源控制箱。其中，機柜外觀、機柜背部插座及其電纜、分機面板開關及其指示燈與雷達實裝保持一致，控制機柜與雷達實裝一致，天線使用舊型雷達天線，其他機柜各內部器件根據設計需求重新規劃設計和精簡，電纜內部信號根據模擬裝置的控制邏輯需要重新定義了數據內容。模擬裝置的核心控制機構由四塊STM32開發板和一臺計算機組成，其中STM32-1板用于讀取雷達故障狀態和分發雷達操作指令，STM32-2板用于產生測試孔波形，STM32-3板用于查詢插座插針狀態，STM32-4板用于模擬顯示其波形功能。

3 裝置的通電操作模擬

為了使模擬裝置能夠較為逼真地模擬出實際雷達裝備操作控制、狀態指示、顯示畫面等聯合控制效果，模擬裝置設計有模擬控制板STM32-1、波形產生板STM32-2和操顯計算機，聯合實現各機柜控制臺控制操作、各分機的面板開關監控與響應、面板指示燈指示和分機內測試孔測試等功能。操作控制及其狀態指示原理如圖2所示。

圖2 雷達控制及指示模擬原理圖

模擬控制板STM32-1、波形產生板STM32-2控制程序設計功能如下：

1）用STM32-1的GPIO接口與各機柜控制臺操控開關和分機面板開關、收發機柜和操顯機柜各分機內器件故障撥碼開關（器件故障撥碼開關的通斷分別表示器件的好壞兩種狀態）相連，并實時查詢各開關狀態；

2）STM32-1根據各開關狀態以及雷達控制邏輯，控制裝置模擬完成雷達開/關機、開/斷發射、兩路轉換、天線主/輔助運動等操作控制功能，以及控制各分機前面板指示燈聯動點亮或者熄滅；

3）STM32-1根據工作狀態生成雷達狀態數據包，通過RS232串口發送給操顯計算機，以供操顯計算機顯示軟件根據雷達控制邏輯響應和顯示雷達狀態；

4）波形產生板STM32-2通過RS232串口接收雷達狀態數據包，并根據雷達控制邏輯通過時鐘模擬產生雷達測試信號波形，并送至分機內各測試孔。

4 裝置的顯示界面模擬

模擬裝置的操顯計算機集成有雷達顯示模擬軟件，軟件根據雷達真實界面用C++語言編譯，完全還原雷達航向畫面、下滑畫面和微表區，能夠根據雷達邏輯控制關系模擬實現雷達天線運動控制及其狀態指示、目標跟蹤及其狀態指示、雷達參數裝訂、系統修正和狀態選擇等操控功能，邏輯描述如下：

1）操顯計算機通過RS232串口與控制模擬板STM32-1連接，實時接收雷達器件故障撥碼開關、各機柜控制臺操縱開關等雷達狀態，并在顯示畫面中根據雷達控制邏輯表征對應狀態；

2）操作控制機柜控制臺“對消”、“自適應”、“恒虛警”、“參差”等按鍵時，顯示畫面右側微表區相應改變狀態，同時左側兩顯示畫面則呈現相應算法處理后的目標回波動畫；

3）操作微表區“參數裝訂”、“系統修正”、“狀態選擇”功能菜單時，可進入下一級操控界面，可對理想航跡線、等高線、保障機型等進行修訂后，左側兩顯示畫面相應輔助線改變；

4）操顯計算機通過USB口與鍵盤和鼠標相連，接收其動作指令并反映到顯示軟件中，如當操作鍵盤方向鍵“←”、“→”、“↑”、“↓”時，效能分別等同控制機柜控制臺的“下滑左”、“下滑右”、“航向俯”、“航向仰”按鈕，左側兩顯示畫面則以指向暗帶變化反應雷達天線的輔助運動角度；

5）當鼠標指針處于目標回波中心且按下左鍵時，目標回波即被自動跟蹤，并在右側實時顯示目標偏離理想航跡線的角度或者距離數值；

6）當鼠標指針移至下滑畫面某一點時，右側微表區實時顯示該點的高度、距離數據。

5 裝置的信號檢測模擬

對于模擬裝置而言，如果全部用真實信號進行裝備仿真，其成本基本等同于實際裝備，也就失去了研制意義。為此，模擬裝置針對數量較少的分機測試孔級信號仍然使用了實際信號，而針對眾多的插座插針級信號則使用三塊STM32開發板聯合實現了信號的模擬檢測功能。插座插針級信號模擬檢測原理如圖3所示。

圖3 插座插針級信號模擬檢測原理圖

模擬裝置插座插針級信號模擬檢測控制程序設計如下：

1）模擬控制板STM32-1實時讀取、存儲、分發模擬裝置設置的各器件故障撥碼開關的狀態；

2）按下模擬檢測板STM32-4功能按鍵“下載”時，STM32-4通過WIFI一次性從STM32-1讀取器件故障狀態；

3）STM32-4處于模擬檢測待機時，利用“上選”、“下選”、“確認”按鍵選擇檢測插座；

4）插針查詢板STM32-3利用GPIO接口與待檢測插座插針連接，其查詢程序等待并查詢STM32-4模擬探頭連接的插座插針序號，并把其查詢結果利用CAN通信實時傳送至STM32-4中；

5）STM32-4首先解析插針查詢結果數據，然后根據插座插針各引腳的定義判斷STM32-4模擬探頭連接是否正確，如連接錯誤則在顯示器顯示“連接錯誤，請查閱插座及其插針功能定義并檢查連接”，同時利用聲光告警；

6）如連接正確，STM32-4則查詢模擬裝置器件故障狀態，然后去SD卡的雷達信號波形圖片庫中讀取對應插座和插針的故障或者是正常情況的信號波形圖。

至此，雷達信號模擬檢測系統就完成了一個插座一對插針的模擬檢測流程，如果檢測同一插座的其他插針，可利用模擬探頭連續檢測。如果需要測試其他插座的信號，則要按STM32-4上“下載””鍵退出當前測試，系統會自動進行程序初始化，并按上述流程重新選擇插座和進行模擬測試。

6 裝置的雷達故障模擬

依據實際雷達工作邏輯，模擬裝置利用器件故障撥碼開關配合上述雷達模擬操作、顯示畫面、信號檢測程序，實現了雷達收發、顯示、信處機柜及其分機內部主要器件故障設置及其現象模擬。體現在顯示畫面上的故障通過軟件模擬產生故障畫面，體現在機柜指示上的故障由軟件通過計算機串口將指令發送給控制模擬板，控制模擬板根據指令控制各指示燈顯示故障指示，并將波形產生板相關的指令轉發至波形產生板，由波形產生板控制顯示相關的故障指示。模擬裝置可模擬實現的器件級故障及器件故障開關位置如表1所示。

表1 模擬裝置可模擬的器件級故障

7 結語

經試用，基于STM32設計的雷達模擬訓練裝置具有技術門檻低、性價比高、系統簡潔安全等優點，可在相關院校和部隊相關崗位加以應用和推廣，據此可開展雷達裝備的操作、信號的尋跡、故障分析和定位等實踐教學和訓練科目，并有效緩解雷達裝備稀少而影響教學質量的矛盾，有針對性地加強訓練的強度和深度，有利于受訓對象更好地理解和掌握雷達主要波形、關鍵信號節點和典型故障方面的知識，進而提高雷達綜合保障能力。