某型雷达仿真训练系统PPI显示设计与实现-AET-电子技术应用

某型雷达仿真训练系统PPI显示设计与实现

2014年电子技术应用第11期

陆玉芳1，2，倪国旗1，3

（1.桂林电子科技大学信息与通信学院，广西桂林541004； 2.桂林航天电子有限公司，广西桂林541002； 3.空军空降兵学院，广西桂林541002）

摘要： 开展了基于FPGA的雷达PPI显示研究，介绍了PPI显示的顶层模块设计及功能组成，详细阐述了航路目标PPI显示原理及实现方法、目标坐标参数转换、参数信息格式转换、串行通信及参数信息周期更新等功能IP核设计。并且简要介绍了各功能模块的仿真试验情况及在硬件平台中的性能测试情况。

关键词： 平面位置PPI显示器知识产权IP核现场可编程门阵列串行通信

中图分类号： TP391.9；TP331.2
文献标识码： A
文章编号： 0258-7998(2014)11-0012-04

Design and implementation of PPI for a radar simulation training system

Lu Yufang1，2，Ni Guoqi1，3

1.GuiLin University of Electronic Technology，Guilin 541004，China；2.GuiLin Aerospace Electronic Technology Co.，Ltd.，Guilin 541002，China；3.Airforce Airbone Academy，Guilin 541002，China

Abstract： This paper researchs radar PPI display based on FPGA, introduces the design of top module and the composing of the PPI display, describes function IP cores，such as the principle and realization method of route target PPI display, the target′s parameter coordinate conversion, parameter information format conversion, design of UART and parameter information cycle update in detail. This paper also briefly introduces the simulation test of each function module and performance tests on the hardware platform.

Key words : PPI；IP core；FPGA；UART

0 引言

　　在传统的雷达仿真训练系统中，通常以工控机作为硬件平台，在Windows操作系统下采用高级语言（VC++等）编程的方法实现目标信号的产生及PPI显示。该方法具有仿真逼真程度高及硬件通用性好等优点，但受平台影响，存在体积大、重量重、便携性差及系统组成复杂等不足。

　　本文介绍一种基于FPGA的雷达PPI显示设计及实现方法，能克服传统方法的不足。

1 雷达PPI显示原理

　　平面位置显示器(PPI)，属于径向圆扫描显示，采用长余辉电磁偏转阴极射线管或静电偏转示波管实现。PPI显示器的优点为目标数据直观，易于理解，通常用于搜索警戒和作战指挥。其显示效果如图1所示，图中扫描线的指向为雷达天线的方位，扫描中心点与回波信号间的长度代表目标的距离，回波的形状能够体现目标的回波特征[1]。

2 PPI显示研究与设计

　　2.1 PPI显示仿真原理

　　根据雷达的工作原理，在其探测到目标后，可从回波中提取目标的位置信息。在直角坐标系中，目标主要包括斜距（D）、水平距离（d）、高度（h）、方位角（β）及高低角（ε）等信息，如图2所示[2-3]。

　　由于雷达波以光速传播，目标斜距D与传播时间tr的关系如下：

　　目标水平距离d为：

　　设水平距离d在正北方位的投影为X0，则有：

　　设水平距离d在正西方位的投影为Y0，则有：

　　在LCD显示器中进行PPI仿真显示时，首先，根据式(1)求出斜距，再根据式(2)求出目标在以雷达为原点的投影。其次，如图2所示，假设以正北方位为X轴，以正西方位为Y轴，根据式(3)、式(4)可将目标三维坐标信息转换为以雷达为原点的二维坐标信息。最后，根据LCD显示器像素等比例缩放，设N个像素点表示水平距离d，比例因子为K，有：

　　根据上式，可将以雷达位置为坐标原点的目标平面位置参数（X，Y）转换为以LCD显示器平面左上角为原点的平面坐标位置参数（x，y），则：

　　仿真时，为了实现如图1所示的显示效果，通常将LCD显示器像素点（x0，y0）作为原点。由于LCD显示器原点为左上角，通过坐标平移来实现该效果，有：

　　2.2 PPI显示仿真系统设计

　　根据某型雷达仿真训练系统功能需求，并结合FPGA处理器硬件资源，采用自顶向下的设计方法开展系统顶层设计。PPI显示仿真系统顶层设计为：系统复位模块、目标初始参数ASCII码变换模块及直行航路参数计算模块等19个功能模块。如图3所示，系统通过串行通信接收初始参数，计算目标参数，并进行坐标变换；动态显示控制模块产生参数更新触发脉冲；参数更新控制模块将目标参数信息组合为通信报文，并产生参数发送触发脉冲；参数发送模块通过RS232总线发送报文数据，发送完毕后产生脉冲信号，参数更新控制模块等待下一个参数更新触发脉冲。由此，系统完成了PPI显示及目标参数信息更新功能[4-5]。

　　2.3 PPI显示的IP核设计

　　根据PPI显示仿真原理，结合系统逻辑框图开展IP核设计。IP核主要完成目标坐标参数转换，将信息转换为LCD显示器字库码，RS232通信及目标参数周期更新等功能。

　　2.3.1 目标坐标参数转换

　　根据PPI显示仿真原理，先计算目标的水平距离，再进行比例缩放换算为LCD坐标参数。根据LCD分辨率，将（300,300）设置为原点，根据式(7)、式(8)实现该功能。根据上述关系，目标飞行航路PPI显示的逻辑图设计如图4所示。

　　Derc为目标的方位角，D为斜距，H为高度，axisflag为目标位置寄存器。当初始水平距离大于飞行距离则axisflag为“1”，否则为“0”。目标坐标参数信息转换主要包括开方、乘法及除法等算术运算[6]，关键为方位角的转换及坐标平移的实现。采用数据流级建模实现方位角的转换，求出方位角的余角。方位角余角的正弦与水平距离的乘积则为目标的x坐标值。建模语句为：

　　assign DercMulti=(Derc>13'd3000)?(13'd6000-Derc):Derc;

　　assign TempDerc=(DercMulti>13'd1500)?(13'd3000-

　　DercMulti):DercMulti;

　　assign dercwire=13'd1500-TempDerc;

　　方位角正弦与水平距离的乘积则为目标的y坐标值。建模语句为：

　　assign Dercmulti=(Derc>13'd3000)?(13'd6000-Derc):Derc;

　　assign dercwire=(Dercmulti>13'd1500)?(13'd3000-

　　Dercmulti):Dercmulti;

　　对目标坐标（x，y）进行比例缩放后，得到其在LCD上的（X，Y）坐标值。采用数据流级建模完成X坐标的平移。当axisflag为1，且方位角大于1 500密位小于4 500密位时，或者当axisflag为0，且方位角小于1 500密位或大于4 500密位时， X取值为(11'd300-xasis)，否则为(11'd300+xasis)。建模语句为：

　　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);

　　在对Y坐标进行平移时，采用数据流级建模完成坐标平移。当axisflag为1，且目标方位小于3 000密位时，或者当axisflag为0，且目标方位角大于3 000密位时， Y取值为(11'd300-xasis)，否则为(11'd300+xasis)。建模语句为：

　　assign YaxisCode=(((axisflag==1'b1)&(Derc<13'd3000))|

　　((axisflag==1'b0)&(Derc>13'd3000)))(11'd300-yasis):(11'd300+yasis);

　　2.3.2 目标信息转换为LCD显示器字库码

　　航路目标参数主要包括速度、方位角、高低角、斜距、高度及水平距离等。在LCD显示器上显示时，需将数值转换为ASCII码值。其逻辑图如图5所示，采用除法运算求出各个位的数值。由于数字‘0’的ASCII值为0x30（48），数字加48得到其ASCII码值。

　　2.3.3 RS232通信及目标参数周期更新

　　航路目标PPI显示，由FPGA处理器通过RS232总线向LCD显示器发送报文实现。通信报文格式如表1所示，帧头长度为1 B，指令长度为1 B，指令参数最多可达1 018 B，帧尾长度为4 B。

　　根据仿真系统功能需求，LCD显示器中显示的内容主要包括扫描线、刻度、目标航迹及目标参数信息等，并周期性更新。FPGA控制单元与LCD显示器进行串行通信的流程图如图6所示。

　　图6所示的液晶屏显示子程序中包含动态显示控制、参数更新控制、参数发送3个核心功能模块。其状态图及流程图如图7所示。动态显示控制模块采用有限状态机方式实现，当F5downflag为高时，动态显示控制模块、参数更新控制模块及参数发送模块工作。其中，动态显示控制模块开始计时，并周期性产生scanflag脉冲；参数更新控制模块捕捉到scanflag脉冲后，将updateout置为高电平，并开始判断updateflag的状态；参数发送模块捕捉到updateout上升沿后，通过有限状态机方式选择目标参数报文，实现参数周期更新，发送完毕后将updateflag置为高电平；参数更新控制模块捕捉到updateflag上升沿后将updateout置为低电平，等待下一个scanflag信号。由此，完成了PPI显示及更新。当动态显示控制模块产生地scanflag脉冲周期小于参数发送模块完成发送产生地updateflag脉冲的周期时，可实现PPI参数的周期性实时更新。

3 仿真试验与性能测试

　　3.1 仿真试验

　　使用Verilog HDL完成各功能模块的IP核设计，部分功能模块的IP核仿真如图8～图10所示。