動態(tài)水平儀接入雷達系統(tǒng)的設(shè)計

張繼國

摘要：雷達系統(tǒng)通過天線旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)對空域的3600全方位電子波束掃描。因加工、調(diào)平工藝限制，天線轉(zhuǎn)臺與水平面間存在一定的傾斜角度誤差，且隨方位隨機分布。該誤差會引入雷達系統(tǒng)，降低目標(biāo)定位的準(zhǔn)確度。為消除影響，現(xiàn)代雷達系統(tǒng)均配置動態(tài)水平儀，對天線轉(zhuǎn)臺的水平傾斜角度進行實時測量，雷達系統(tǒng)利用該測量值對目標(biāo)的定位參數(shù)進行實時校正，以保證定位的準(zhǔn)確度。文中以某雷達系統(tǒng)為例，介紹了動態(tài)水平儀的數(shù)據(jù)接口，論述了利用FPGA實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收處理的工程設(shè)計方法，具有很好的設(shè)計參考價值。經(jīng)實際應(yīng)用證明，本設(shè)計穩(wěn)定可靠，滿足系統(tǒng)要求。

關(guān)鍵詞：雷達系統(tǒng);動態(tài)水平儀;異步串口;FPGA

中圖分類號：TN952 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）06-0139-03

0 前言

雷達的工作原理是通過天線的3600旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)對空域的3600全方位電子波束掃描，利用被照射物體對電磁波的反射特性，檢測并發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。為保證目標(biāo)定位的準(zhǔn)確度，對天線轉(zhuǎn)臺的水平度有較高的要求?，F(xiàn)代雷達為保證天線轉(zhuǎn)臺的水平度，除了通過調(diào)平機構(gòu)在雷達架設(shè)時高精度調(diào)整天線轉(zhuǎn)臺的水平度外，一般都在天線轉(zhuǎn)臺上配置動態(tài)水平儀，隨著天線轉(zhuǎn)動，動態(tài)水平儀會實時送出對天線轉(zhuǎn)臺傾斜角度的測量數(shù)據(jù)，雷達的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)依據(jù)此數(shù)據(jù)，對目標(biāo)的定位信息（方位、距離、高度）進行實時的修正，以消除轉(zhuǎn)臺水平傾斜角度誤差的影響。

本文針對動態(tài)水平儀數(shù)據(jù)接入雷達系統(tǒng)的接口設(shè)計，介紹了一種工程設(shè)計方法。

1 動態(tài)水平儀的數(shù)據(jù)接口

動態(tài)水平儀是一種測量基座（平臺或轉(zhuǎn)臺）相對于水平面在正交的兩個方向上小角度傾斜程度的儀表，由一個控制箱和兩個傳感器組成，兩個傳感器以天線轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)軸為中心，對稱安裝，控制箱安裝在轉(zhuǎn)臺之上。

動態(tài)水平儀默認上電后自動開始測量，以50Hz的刷新率對外送出天線轉(zhuǎn)臺X、Y軸向的傾斜角度數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)接口采用RS-422異步串口通信，1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無校驗位，波特率為115200bps，數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)如表1所示。

2 接口設(shè)計

FPGA已廣泛應(yīng)用于雷達系統(tǒng)的設(shè)計，具有設(shè)計靈活的特點。設(shè)計考慮利用FPGA的可編程邏輯實現(xiàn)異步串口接收，輔以RS-422/TTL電平轉(zhuǎn)換電路，完成對動態(tài)水平儀數(shù)據(jù)的接收。接收到的數(shù)據(jù)與其他數(shù)據(jù)（電子波束參數(shù)、雷達天線方位數(shù)據(jù)等）打包后送后端處理。處理流程如圖1所示。

2.1 硬件設(shè)計

如圖1所示，硬件電路設(shè)計涉及電平轉(zhuǎn)換電路和FPGA電路?？紤]到接口兩端電路的安全性，電平轉(zhuǎn)換電路采用帶隔離的設(shè)計，工程中采用AD公司的ADM2582E芯片實現(xiàn)RS-422電平到TTL電平的轉(zhuǎn)換，該芯片內(nèi)部集成有收、發(fā)電路各1個通道，特點是RS-422端的電源、信號、地與TTL端的電源、信號、地是隔離的，采用單電源供電，內(nèi)部集成隔離式DC-DC電源。綜合考慮系統(tǒng)需要實現(xiàn)的可編程邏輯功能，F(xiàn)PGA采用Xilinx公司的XC7VX690T-2FFG1927I產(chǎn)品。

鑒于雷達系統(tǒng)內(nèi)部電磁環(huán)境復(fù)雜，存在高電壓、大電流設(shè)備，會在數(shù)據(jù)信號的傳輸過程中竄入干擾。工程設(shè)計上，要綜合常規(guī)的抗EMI設(shè)計，采取必要的電源退耦、信號濾波整形、阻抗匹配以及采用屏蔽電纜等措施，解決干擾問題。

2.2 軟件設(shè)計

異步串口通信的數(shù)據(jù)幀格式如圖2所示。

如圖2所示，一幀數(shù)據(jù)包括起始位、數(shù)據(jù)位（共8位）、校驗位和停止位。線路空閑時，傳輸線路保持高電平。開始發(fā)送數(shù)據(jù)時，傳輸線路由高電平變?yōu)榈碗娖?，稱為起始位（1bit時長），表示一幀數(shù)據(jù)的開始，然后連續(xù)8bit的有效數(shù)據(jù)位，再奇偶校驗位，最后是停止位，傳輸線路變?yōu)楦唠娖?，表示一幀?shù)據(jù)的結(jié)束。

依據(jù)圖2所示數(shù)據(jù)幀格式，設(shè)計如圖3所示的FPGA軟件處理流程。

幀檢測處理邏輯模塊始終監(jiān)視串行輸入信號，當(dāng)檢測到輸入信號由高電平轉(zhuǎn)為低電平以后，延遲7個時鐘節(jié)拍再次采樣輸入信號，如仍為低電平，代表當(dāng)前的采樣時刻為起始位的中央時刻，后面每經(jīng)過16個時鐘節(jié)拍就對輸入數(shù)據(jù)采樣一次，將8位串行數(shù)據(jù)逐位采樣并緩存起來。再經(jīng)過16個時鐘節(jié)拍，檢查是否為停止位，若是則表示接收成功，否則出現(xiàn)幀錯誤，并重新檢測，等待下一個新字符接收處理。字符接收成功，則通過移位寄存器合成一個字節(jié)，暫存在接收FIFO中。

當(dāng)接收FIFO內(nèi)數(shù)據(jù)達到其觸發(fā)深度時（默認為5），會產(chǎn)生觸發(fā)信號，讓數(shù)據(jù)提取邏輯模塊從FIFO中依次讀數(shù)，并查找數(shù)據(jù)包包頭0x24、0xAA、0x55，繼而找出X、Y軸向的傾斜角度值（均是16位）。參照表一對完整一包的數(shù)據(jù)進行奇偶校驗運算，如果校驗和正確，則將提取的X、Y軸向傾斜角度值送后級處理，否則丟掉，等待下一包數(shù)據(jù)。

圖3中的波特率產(chǎn)生邏輯模塊，其核心是在波特率選擇控制下，產(chǎn)生1200～115200bps波特率范圍內(nèi)的相對基準(zhǔn)時鐘（10MHz）的計數(shù)值。工程設(shè)計中一般采用波特率的16倍值。

軟件處理的核心是幀檢測處理邏輯，詳細處理流程見圖4。圖4中的處理均是同步處理，時鐘采用10MHz的基準(zhǔn)時鐘。

軟件源代碼采用Verilog HDL語言編寫，通過Vivado 2017編譯環(huán)境進行編譯、綜合和布線。

3 應(yīng)用驗證

本設(shè)計已成功應(yīng)用于某雷達系統(tǒng)中，通過異步串口將動態(tài)水平儀測量的X、Y軸向傾斜角度數(shù)據(jù)接入雷達系統(tǒng)，數(shù)據(jù)波特率是115200bps，在外場試驗過程中，設(shè)備工作穩(wěn)定，滿足雷達系統(tǒng)要求。

圖5所示是外場試驗中現(xiàn)場采集到的經(jīng)檢測、提取處理后的動態(tài)水平儀數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包頭是0x24、0xAA、0x55，X軸向的傾斜角度值是0xfc16，Y軸向的傾斜角度值是0x000c，動態(tài)水平儀處于工作狀態(tài)，BIT檢測顯示工作正常，符合表1對串口數(shù)據(jù)包的描述。

4 結(jié)語

本設(shè)計采用FPGA實現(xiàn)了異步串口數(shù)據(jù)接收，適用1200～115200bps波特率范圍，對于非標(biāo)稱波特率也能正常工作，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化領(lǐng)域以及武器裝備系統(tǒng)，具有節(jié)省硬件資源、接口適應(yīng)性強、功能易擴展等特點，較好地解決了嵌入式系統(tǒng)中計算機串口數(shù)量有限與需要接入串口外設(shè)數(shù)量眾多的矛盾，具備很好地推廣應(yīng)用價值。

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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