基于单片机仿真的雷达实验教学系统开发

逄金雷， 傅凤歧

(公安海警学院船艇指挥系，浙江宁波 315801)

0 引言

由于现代航海雷达的发射机、接收机和天线都集中安装在桅杆部位的集成环境中，内有高压电源，在教学中虽然可进行雷达功能演示，但不易进行各关键原理信号的测量和教学演示，为优化雷达实验教学环境和提高实验教学效果，我们利用单片机开发了雷达信号实时仿真器，在教学中实现了雷达关键信号的测试和演示实验环节、增强了学员理论联系实际的能力，取得了较好的实验教学效果。将系统适当扩展，又可进行整幅动态雷达信号的仿真，从而实现了在收发机关闭状态下的雷达操作训练，具有简单、经济、安全、可产生任意地域环境和不同目标特征雷达图像，优化了实验教学环境，提高了实验教学的综合效果。

1 系统设计

图1 系统结构图

该系统以单片机AT89c52芯片为核心，配以相应的硬件设备，形成一个相对独立的雷达信号发生器，它能在PC机的辅助支持下，实时生成触发脉冲信号、方位脉冲信号、船首信号、视频信号，送到雷达显示器。雷达信号发生器硬件组成包括地址译码器、外存储器62256(32k)、距离计数器82C54(三路)、目标特征移位寄存器165(2组，每组2片)、目标测程控制单稳态触发器221、方位码产生用分频计数器161、船头闪光产生用单稳态触发器221、距离计数脉冲发生器包括晶体组件和分频器161、视频信号亮度控制用D/A转换器、串口通信芯片max232。如图1所示。

1.1 触发脉冲

单片机内部定时器T0设置为1 ms定时器，每1 ms输出一个脉冲，频率1 kHz，该脉冲经整形后直接输出触发脉冲。

1.2 天线方位脉冲

测程控制正方波经161计数器分频后输出正负对称的天线方位脉冲，同时还向单片机发出方位中断信号。

1.3 船头闪光脉冲

方位中断信号启动单片机外部中断，经中断程序计算，当达到天线一周的脉冲个数时，单片机输出一个脉冲，经单稳态触发器扩展时间后，输出船头闪光脉冲。

1.4 视频信号

在单片机初始化过程中，将距离计数器82C54设置为16为二进制计数状态，每个1 ms定时脉冲发出前，单片机将目标距离值(2 Byte)装入距离计数器，将4组目标特征码(4 Byte)装入低位亮度16 b移位寄存器和高位亮度16 b移位寄存器，二组移位寄存器存储同一目标亮点的二b二进制亮度值，每点可输出4级亮度。测程正方波输出后控制距离计数器开始计数，其计数脉冲为脉冲源输出的0.1 μs(10 MHz)脉冲。当计数器溢出时输出正方波启动二组移位寄存器工作，移位脉冲为0.2 μs(5 MHz)脉冲，移位过程中二组移位寄存器的高端输出视频辉亮点的二位二进制数，经D/A转换输出有辉亮等级的视频信号。二个一位D触发器是用来屏蔽没移位前的高位信号输出。

1.5 单片机软件设计

单片机软件程序包括主程序，T0中断处理程序，外部中断处理程序。

(1)主程序。系统数值初始化和重要工作单元的功能编程设置。数值初始化包括雷达图像数据缓存器的清零和方位脉冲计数等软件计数单元的清零。工作单元的功能编程设置包括定时器T0的1 ms定时设置、串口工作方式和波特率的设置(定时器T1设置为波特率发生器)、外部目标距离计数器的工作方式设置(采用二进制16位方式计数)。在完成数值初始化和功能设置后，启动中断系统，程序原地等待，以后的有关的数据处理全部在中断程序中进行。流程图见图2。

图2 主程序流程图

(2)T0中断处理程序。计时到1ms时，发出定时器T0中断，中断处理程序执行:①重新装填1ms定时参数到定时器T0，准备下一次计时使用;②从雷达图像缓存器取出目标距离值装填到外部距离计数器，取出目标特征值装填到目标移位寄存器，目标移位寄存器有4 Byte，二Byte为一组，每组16 bit，将目标特征码(4字节)装入低位亮度16 b移位寄存器和高位亮度16位移位寄存器，二组移位寄存器存储同一目标亮点的二位二进制亮度值，每点可输出4级亮度。③输出触发脉冲。触发脉冲经单稳态触发器输出测程有效正方波，测程有效正方波控制距离计数器开始计数，其计数脉冲为脉冲源输出的0.1 μs(10 MHz)脉冲。当计数器溢出时输出正方波启动二组移位寄存器工作，移位脉冲为0.2 μs(5 MHz)脉冲，移位过程中二组移位寄存器的高端输出视频辉亮点的二位二进制数，经D/A转换输出有辉亮等级的视频信号。二个一位D触发器是用来屏蔽没移位前的高位信号输出。流程图(图3)。

(3)外部中断处理程序。每输出一个方位脉冲，就向单片机发出一次外部中断请求，单片机采用软件计数方法对方位脉冲进行计数，当达到天线一周标准的方位脉冲个数时，将软件计数单元清零，同时用软件输出一个船首脉冲，该脉冲经单稳态触发器展宽后正式输出船首脉冲。流程图见图4。

图3 外部中断流程图

图4 外部中断流程图

2 系统功能

32 kB存储器作为一幅雷达图像的缓存存储器，可通过串口由控制机进行管理，就可实现包含目标和背景环境的全幅雷达图像的实时仿真，并可作为教学和训练的仿真雷达信号源使用。不连接主计算机时，单片机也可以独立运行，实现典型目标和环境的教学演示效果并形成雷达信号测量实验的电气环境。该系统集演示、测量和训练为一体，优化了雷达实验教学效果和训练效果。共有四种工作模式:

(1)雷达实验教学演示和重要信号测试。和雷达显示器配合进行单目标的显示和触发脉冲、方位计数脉冲、船头闪光脉冲和视频信号的实时测量。可在示波器上观察各脉冲间的对应关系;通过p1口按钮手动控制，可改变目标距离和特征，以便在示波器上同步观察对应的变化，提高了实验教学的效果。

(2)脱机显示多个动态目标。依靠单片机软件计算每个天线周期实时输出动态的目标数据，实现数个动态目标的实时显示。设备简单，目标能动态运动，实验教学效果明显。

(3)脱机显示全幅雷达图像。依靠单片机软件初始化时计算出一幅雷达图像的相关数据并存储到32 kB数据缓存器，或者连接主机，由主计算机生成一幅雷达图像的数据并存储到32 kB数据缓存器后脱机，单片机主程序控制32 kB缓存里一幅雷达图像的实时显示。

(4)联机显示动态全幅雷达图像。连接主机，每个天线周期由主计算机生成一幅雷达图像的数据并存储到32 kB数据缓存器，单片机主程序实现32 kB缓存里一幅幅雷达图像的动态实时显示。

3 结语

以单片机为核心开发的雷达信号仿真器，替代具有高压和较大影响雷达使用寿命的收发机进行雷达信号测量实验教学，其方法简单、经济、安全，又可产生任意地域环境和不同目标特征的雷达图像，优化了实验教学环境，提高了实验教学的综合效果，该方法也可引用到类似的实验教学项目中。

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