基于雷達(dá)原理對(duì)雷達(dá)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建問題研究

■ 馬啟晟

引言

本文旨在根據(jù)雷達(dá)原理，搭建一種雷達(dá)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱為“實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”）。該實(shí)驗(yàn)設(shè)備可以演示雷達(dá)的基本構(gòu)成、信號(hào)產(chǎn)生方式、信號(hào)逐級(jí)傳輸處理過程，實(shí)現(xiàn)硬件級(jí)故障模擬，配合原理講解課件，達(dá)到基礎(chǔ)原理教學(xué)目的。貫徹執(zhí)行通用化、模塊化設(shè)計(jì)思想，結(jié)合軟件仿真技術(shù)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)系統(tǒng)的真實(shí)、全面及實(shí)用性。

1 雷達(dá)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 雷達(dá)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)功能

雷達(dá)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)：通過硬件電路展示雷達(dá)工作原理，設(shè)置測(cè)試點(diǎn)，允許對(duì)雷達(dá)部分工作狀態(tài)（例如：STC 開啟/關(guān)閉、中頻放大增益等）進(jìn)行調(diào)整，可設(shè)置典型故障，實(shí)現(xiàn)硬件級(jí)故障模擬，并對(duì)故障排查過程進(jìn)行考核；通過文字、圖片、動(dòng)畫等方式，講解雷達(dá)基本工作原理，與硬件結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)員動(dòng)手測(cè)量，觀察信號(hào)逐級(jí)變化過程。

1.2 雷達(dá)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)組成

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用全相參，脈沖多普勒，捷變頻的工作體制，原理如圖1。

共分為顯控分機(jī)、發(fā)射分機(jī)、接收分機(jī)、天線與微波分機(jī)、電源模塊五部分，如圖1 所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)雷達(dá)工作原理

（1）顯控分機(jī)主要功能：實(shí)現(xiàn)雷達(dá)回波數(shù)據(jù)、角度、速度距離等雷達(dá)狀態(tài)的顯示，對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)操作控制功能。

（2）發(fā)射分機(jī)主要功能：產(chǎn)生信號(hào)并放大到足夠大的功率，滿足信號(hào)發(fā)射的功率要求。

圖2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)組成

（3）接收分機(jī)主要功能：對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行下變頻，濾波，放大；完成對(duì)中頻信號(hào)的放大，濾波等功能；對(duì)各路通道信號(hào)進(jìn)行檢波處理，獲取目標(biāo)參數(shù)。

（4）天線與微波分機(jī)主要功能：控制天線轉(zhuǎn)動(dòng)，真實(shí)呈現(xiàn)雷達(dá)工作過程中，天線與伺服系統(tǒng)的工作模式。

（5）電源模塊主要功能：提供各分機(jī)工作所需要的電源，通TTL 電平控制開關(guān)實(shí)現(xiàn)電源故障的模擬。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)軟件組成及各臺(tái)之間數(shù)據(jù)傳輸，如圖3、圖4所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)軟件組成

圖4 分機(jī)數(shù)據(jù)傳輸圖

圖5 導(dǎo)控軟件流程圖

本論文的主要工作是設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)導(dǎo)控軟件、接收分機(jī)控制軟件、發(fā)射分機(jī)控制軟件的編寫，以下統(tǒng)稱為控制軟件。

2 控制軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 導(dǎo)控軟件流程

（1）對(duì)網(wǎng)口進(jìn)行初始化，開啟網(wǎng)口數(shù)據(jù)監(jiān)聽線程、顯示控制監(jiān)聽線程；

（2）操作人員通過人機(jī)交互界面進(jìn)行操作，顯示控制監(jiān)聽線程會(huì)監(jiān)聽到界面有人機(jī)交互操作，識(shí)別相應(yīng)操作，進(jìn)入數(shù)據(jù)解析及指令生成模塊。

（3）顯控分機(jī)、發(fā)射分機(jī)、接收分機(jī)通過網(wǎng)口向?qū)Э剀浖l(fā)送狀態(tài)上報(bào)報(bào)文、故障提交報(bào)文，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接收監(jiān)聽線程會(huì)監(jiān)聽到網(wǎng)口有數(shù)據(jù)傳入，接收數(shù)據(jù)，進(jìn)入數(shù)據(jù)解析及指令生產(chǎn)模塊。

（4）數(shù)據(jù)解析及指令生成，判斷數(shù)據(jù)來源并根據(jù)相關(guān)協(xié)議進(jìn)行相應(yīng)處理

2.2 發(fā)射分機(jī)、接收分機(jī)控制軟件流程

（1）對(duì)串口、網(wǎng)口、TTL 進(jìn)行初始化，開啟串口數(shù)據(jù)接收監(jiān)聽線程、網(wǎng)口數(shù)據(jù)監(jiān)聽線程、顯示控制監(jiān)聽線程；

（2）顯控分機(jī)通過網(wǎng)口向發(fā)射/接收分機(jī)發(fā)送網(wǎng)絡(luò)報(bào)文，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接收監(jiān)聽線程會(huì)監(jiān)聽到網(wǎng)口有數(shù)據(jù)包傳入，接收網(wǎng)口數(shù)據(jù)，進(jìn)入數(shù)據(jù)解析及指令生成模塊。

（3）實(shí)驗(yàn)臺(tái)內(nèi)各模塊通過串口發(fā)送串口數(shù)據(jù)，串口數(shù)據(jù)接收監(jiān)聽線程會(huì)監(jiān)聽到串口有數(shù)據(jù)傳入，接收串口數(shù)據(jù)，進(jìn)入數(shù)據(jù)解析及指令生成模塊。

（4）操作人員通過人機(jī)交互界面進(jìn)行操作，顯控監(jiān)聽線程會(huì)監(jiān)聽到界面有人機(jī)交互操作，識(shí)別相應(yīng)操作，進(jìn)入數(shù)據(jù)解析及指令生成模塊。

（5）數(shù)據(jù)解析及指令生成，判斷數(shù)據(jù)來源并進(jìn)行相應(yīng)處理。

2.3 控制軟件相關(guān)配置

2.3.1 網(wǎng)口配置

采用UDP 協(xié)議，模擬系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)采用C 類IP 地址，其子網(wǎng)地址是192.168.2.0，子網(wǎng)掩碼是255.255.255.0，各節(jié)點(diǎn)IP 地址、端口號(hào)如表1：

表1 網(wǎng)口配置

表1 網(wǎng)口配置

2.3.2 串口配置

本系統(tǒng)中，各模塊與上位機(jī)的接口采用RS422 串口實(shí)現(xiàn)，各模塊端口號(hào)如表2 所示。

表2 串口配置

表2 串口配置

2.3.3 TTL 配置

本系統(tǒng)采用PCI-1730U 實(shí)現(xiàn)TTL 控制，線性電源每路輸出通過TTL 均可單獨(dú)控制，實(shí)現(xiàn)每路電源故障模擬。發(fā)射實(shí)驗(yàn)臺(tái)可模擬電源故障6 路，接收實(shí)驗(yàn)臺(tái)可模擬電源故障3 路。

PCI-1730 能夠提供隔離數(shù)字量輸入通道和隔離數(shù)字量輸出通道,隔離保護(hù)電壓可達(dá)到2500VDC,所有輸出通道都提供高電壓保護(hù)。

3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試

3.1 導(dǎo)控軟件測(cè)試

導(dǎo)控系統(tǒng)是為教員配備的高級(jí)教學(xué)引導(dǎo)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的控制，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各分機(jī)工作狀態(tài)，可下發(fā)目標(biāo)指示，可設(shè)置故障。本系統(tǒng)在考核過程中可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)學(xué)員的操作過程，為教員對(duì)學(xué)員的考核提供參考。導(dǎo)控軟件啟動(dòng)后，界面如下圖8 所示：

界面功能簡(jiǎn)介：

左側(cè)實(shí)時(shí)狀態(tài)欄：分別顯示顯控分機(jī)、發(fā)射分機(jī)、接收分機(jī)狀態(tài)，綠色在線，灰色離線。

左側(cè)目標(biāo)信息裝訂：包含預(yù)定義雷達(dá)目標(biāo)8 種，首先需要引導(dǎo)的指向器（顯控分機(jī)）在線且處于“導(dǎo)控”狀態(tài)，然后點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)目標(biāo)按鈕，按鈕背景變?yōu)榫G色，再點(diǎn)擊【開始引導(dǎo)】按鈕，即可進(jìn)入引導(dǎo)模式，退出引導(dǎo)模式則點(diǎn)擊【結(jié)束引導(dǎo)】。

中間設(shè)置故障欄：1、選擇故障點(diǎn)，在右側(cè)會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)原理圖；2、故障最多可同時(shí)設(shè)置三個(gè)，每次只下發(fā)一個(gè)故障，當(dāng)收到排故正確上報(bào)信息后，間隔5 秒再下發(fā)下一條故障，直至全部排故結(jié)束；3、點(diǎn)擊【取消故障】按鈕，可取消所有故障，各分機(jī)恢復(fù)正常工作狀態(tài)。

右側(cè)故障考核欄：左側(cè)表格記錄老師下發(fā)的故障名稱、學(xué)員排故操作后上報(bào)的故障名稱及上報(bào)用時(shí)，此次排故上報(bào)錯(cuò)誤則該條上報(bào)記錄標(biāo)紅，正確則標(biāo)為綠色。當(dāng)學(xué)員排故正確時(shí)，排除的故障會(huì)在右側(cè)表格記錄故障名稱、排故時(shí)間以及錯(cuò)誤次數(shù)。當(dāng)學(xué)員故障無法排除，可在對(duì)應(yīng)工作臺(tái)選擇結(jié)束上報(bào)，此時(shí)故障錯(cuò)誤次數(shù)顯示【未排】，方便老師對(duì)學(xué)員的操作進(jìn)行考核。點(diǎn)擊【清除列表】按鈕可清除表格中記錄內(nèi)容；點(diǎn)擊【記錄存儲(chǔ)】按鈕會(huì)將考核記錄保存成為數(shù)據(jù)文件存儲(chǔ)至桌面考核記錄文件夾。

3.2 發(fā)射分機(jī)/接收分機(jī)測(cè)試

分機(jī)上電開機(jī)后，啟動(dòng)分機(jī)控制軟件，界面如下圖8 所示，以發(fā)射分機(jī)控制軟件為例：

圖7 導(dǎo)控軟件主界面

圖8 發(fā)射臺(tái)控制軟件主界面

界面功能簡(jiǎn)介：

左側(cè)顯控分機(jī)狀態(tài)欄：顯控分機(jī)狀態(tài)，綠色在線，灰色離線。

左側(cè)各模塊狀態(tài)欄：各組件狀態(tài)，綠色工作正常，紅色有故障。

中間選擇故障點(diǎn)欄：1、故障點(diǎn)說明：對(duì)所選中的故障點(diǎn)進(jìn)行具體說明；2、各模塊故障點(diǎn)選擇按鈕；3、【故障上報(bào)】按鈕將選擇的故障點(diǎn)上報(bào)至顯控分機(jī)；4、學(xué)生認(rèn)為故障已完全排除時(shí)點(diǎn)擊【排故結(jié)束】按鈕。

右側(cè)故障上報(bào)記錄：記錄顯示故障上報(bào)時(shí)間、上報(bào)故障點(diǎn)名稱。

4 總結(jié)

本文從硬件設(shè)計(jì)、軟件的設(shè)計(jì)與控制軟件的驗(yàn)證等方面對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與軟件開發(fā)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，并給出了軟件設(shè)計(jì)接口、開發(fā)的流程以及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，在經(jīng)過大量的調(diào)試，系統(tǒng)各模塊間協(xié)作配合，達(dá)到了軟件預(yù)期的效果，進(jìn)而說明本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件開發(fā)的正確性。