动态水平仪接入雷达系统的设计

张继国

摘要：雷达系统通过天线旋转实现对空域的3600全方位电子波束扫描。因加工、调平工艺限制，天线转台与水平面间存在一定的倾斜角度误差，且随方位随机分布。该误差会引入雷达系统，降低目标定位的准确度。为消除影响，现代雷达系统均配置动态水平仪，对天线转台的水平倾斜角度进行实时测量，雷达系统利用该测量值对目标的定位参数进行实时校正，以保证定位的准确度。文中以某雷达系统为例，介绍了动态水平仪的数据接口，论述了利用FPGA实现数据接收处理的工程设计方法，具有很好的设计参考价值。经实际应用证明，本设计稳定可靠，满足系统要求。

关键词：雷达系统;动态水平仪;异步串口;FPGA

中图分类号：TN952 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）06-0139-03

0 前言

雷达的工作原理是通过天线的3600旋转，实现对空域的3600全方位电子波束扫描，利用被照射物体对电磁波的反射特性，检测并发现目标。为保证目标定位的准确度，对天线转台的水平度有较高的要求。现代雷达为保证天线转台的水平度，除了通过调平机构在雷达架设时高精度调整天线转台的水平度外，一般都在天线转台上配置动态水平仪，随着天线转动，动态水平仪会实时送出对天线转台倾斜角度的测量数据，雷达的数据处理系统依据此数据，对目标的定位信息（方位、距离、高度）进行实时的修正，以消除转台水平倾斜角度误差的影响。

本文针对动态水平仪数据接入雷达系统的接口设计，介绍了一种工程设计方法。

1 动态水平仪的数据接口

动态水平仪是一种测量基座（平台或转台）相对于水平面在正交的两个方向上小角度倾斜程度的仪表，由一个控制箱和两个传感器组成，两个传感器以天线转台回转轴为中心，对称安装，控制箱安装在转台之上。

动态水平仪默认上电后自动开始测量，以50Hz的刷新率对外送出天线转台X、Y轴向的倾斜角度数据。数据接口采用RS-422异步串口通信，1位起始位，8位数据位，1位停止位，无校验位，波特率为115200bps，数据包结构如表1所示。

2 接口设计

FPGA已广泛应用于雷达系统的设计，具有设计灵活的特点。设计考虑利用FPGA的可编程逻辑实现异步串口接收，辅以RS-422/TTL电平转换电路，完成对动态水平仪数据的接收。接收到的数据与其他数据（电子波束参数、雷达天线方位数据等）打包后送后端处理。处理流程如图1所示。

2.1 硬件设计

如图1所示，硬件电路设计涉及电平转换电路和FPGA电路。考虑到接口两端电路的安全性，电平转换电路采用带隔离的设计，工程中采用AD公司的ADM2582E芯片实现RS-422电平到TTL电平的转换，该芯片内部集成有收、发电路各1个通道，特点是RS-422端的电源、信号、地与TTL端的电源、信号、地是隔离的，采用单电源供电，内部集成隔离式DC-DC电源。综合考虑系统需要实现的可编程逻辑功能，FPGA采用Xilinx公司的XC7VX690T-2FFG1927I产品。

鉴于雷达系统内部电磁环境复杂，存在高电压、大电流设备，会在数据信号的传输过程中窜入干扰。工程设计上，要综合常规的抗EMI设计，采取必要的电源退耦、信号滤波整形、阻抗匹配以及采用屏蔽电缆等措施，解决干扰问题。

2.2 软件设计

异步串口通信的数据帧格式如图2所示。

如图2所示，一帧数据包括起始位、数据位（共8位）、校验位和停止位。线路空闲时，传输线路保持高电平。开始发送数据时，传输线路由高电平变为低电平，称为起始位（1bit时长），表示一帧数据的开始，然后连续8bit的有效数据位，再奇偶校验位，最后是停止位，传输线路变为高电平，表示一帧数据的结束。

依据图2所示数据帧格式，设计如图3所示的FPGA软件处理流程。

帧检测处理逻辑模块始终监视串行输入信号，当检测到输入信号由高电平转为低电平以后，延迟7个时钟节拍再次采样输入信号，如仍为低电平，代表当前的采样时刻为起始位的中央时刻，后面每经过16个时钟节拍就对输入数据采样一次，将8位串行数据逐位采样并缓存起来。再经过16个时钟节拍，检查是否为停止位，若是则表示接收成功，否则出现帧错误，并重新检测，等待下一个新字符接收處理。字符接收成功，则通过移位寄存器合成一个字节，暂存在接收FIFO中。

当接收FIFO内数据达到其触发深度时（默认为5），会产生触发信号，让数据提取逻辑模块从FIFO中依次读数，并查找数据包包头0x24、0xAA、0x55，继而找出X、Y轴向的倾斜角度值（均是16位）。参照表一对完整一包的数据进行奇偶校验运算，如果校验和正确，则将提取的X、Y轴向倾斜角度值送后级处理，否则丢掉，等待下一包数据。

图3中的波特率产生逻辑模块，其核心是在波特率选择控制下，产生1200～115200bps波特率范围内的相对基准时钟（10MHz）的计数值。工程设计中一般采用波特率的16倍值。

软件处理的核心是帧检测处理逻辑，详细处理流程见图4。图4中的处理均是同步处理，时钟采用10MHz的基准时钟。

软件源代码采用Verilog HDL语言编写，通过Vivado 2017编译环境进行编译、综合和布线。

3 应用验证

本设计已成功应用于某雷达系统中，通过异步串口将动态水平仪测量的X、Y轴向倾斜角度数据接入雷达系统，数据波特率是115200bps，在外场试验过程中，设备工作稳定，满足雷达系统要求。

图5所示是外场试验中现场采集到的经检测、提取处理后的动态水平仪数据，数据包头是0x24、0xAA、0x55，X轴向的倾斜角度值是0xfc16，Y轴向的倾斜角度值是0x000c，动态水平仪处于工作状态，BIT检测显示工作正常，符合表1对串口数据包的描述。

4 結语

本设计采用FPGA实现了异步串口数据接收，适用1200～115200bps波特率范围，对于非标称波特率也能正常工作，可广泛应用于工业自动化领域以及武器装备系统，具有节省硬件资源、接口适应性强、功能易扩展等特点，较好地解决了嵌入式系统中计算机串口数量有限与需要接入串口外设数量众多的矛盾，具备很好地推广应用价值。

参考文献

[1] 杨茂林.基于FPGA的智能串口模块设计[J].工业控制计算机2010，23（5）：4-5.

[2] 刘杰，臧炜，梁晓鹏，李军武.一种新型的FPGA实现RS422串口通信方法[J].计算机测量与控制，2017，25（3）：191-192.

[3] 厉荣卫.微机原理与接口技术[M].北京：科学出版社，2006.

[4] 夏宇闻.Verilog数字系统设计教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2013.

Design of Integrating Dynamic Horizon-meter into Radar System

ZHANG Ji-guo

（1.The 38th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation， Hefei  Anhui  230088;

2.Key Laboratory of Aperture Array and Space Application， Hefei  Anhui  230088）

Abstract：The radar system realizes electronic beam scanning in all 3600 space by antenna rotation. Due to the precision limitation of manufacturing and horizontal degree adjustment， there are certain tilting angle errors between the antenna rotation platform and the horizontal plane， and they are distributed randomly with the azimuth. The error will be led into radar system and reduces the targets location accuracy. In order to eliminate the influence， modern radar system is equipped with dynamic horizon-meter to measure the horizontal tilt angle of the antenna rotation platform in real-time. The radar system uses the measured data comes from dynamic horizon-meter to correct the targets location parameters in real-time， so as to ensure the accuracy of targets location. As an example， a design is declared in this paper. This paper introduces the data interface of dynamic horizon-meter， and describes the engineering design method of data receiving and processing based on FPGA， which provides good reference value to other design. The practical application proves that the design is stable and reliable and meets the system requirements.

Key words：radar system;dynamic horizon-meter;UART;FPGA