一種專用雷達目標顯示平臺的實現

張 敏，趙宜楠，喬曉林

（哈爾濱工業大學（威海）信息工程學院，山東 威海 264209）

0 引言

目前雷達顯示終端從具體實現技術分為兩種，一種是基于硬件電路專用顯示平臺，主要包括各種顯示控制卡和機箱等。另一種是基于軟件編程的虛擬顯示平臺，主要是基于操作系統的虛擬儀器技術顯示平臺。硬件可移植性差，增減功能時必須同時更改軟硬件，周期長，費用高，且存在所用器件更新問題。軟件雖然靈活但是需要基于虛擬儀器平臺，不能滿足特殊場合的要求[1]。

VGA（Video Graphics Array）接口廣泛應用在各類顯示器中，具有分辨力高、顯示速率快、顏色豐富等優點，在雷達顯示系統有廣泛的應用。目前VGA技術的應用主要針對VGA顯示卡。

通用異步接收發送器（UART）就是一種常用的串行接口，因為其具有傳輸距離遠、簡單可靠、容錯性好等優點，在雷達信息傳輸中廣泛使用。由于通用異步接收發送器性能的不斷提高，處理器花在串行通信上的系統開銷大大減少。

隨著微電子技術的高速發展，FPGA的功能越來越強大。特別是軟核和SoPC等技術的出現，將傳統上的軟件和硬件的概念徹底打破，使電子產品的升級和維護變得非常容易。

由FPGA，UART和VGA接口構成的雷達顯示平臺繼承了各項技術的優點，還具有成本低廉、結構簡單、應用靈活的優點。

1 雷達顯示的相關技術

1.1 P型顯示器

P型顯示器又稱平面位置顯示器（PPI）或環視顯示器，屬于徑向圓掃描顯示。它以極坐標的方式表示目標的斜距和方位，其原點表示雷達所在地。目標在熒光屏上以一亮點或亮弧出現，顯示器畫面一般均有距離和方位電刻度，距離電刻度是一族等間距的同心圓，而方位刻度為一族等角度的輻射狀直線[2]。P型顯示器畫面如圖1所示。

1.2 VGA接口顯示器

隨著VGA顯示器廣泛應用，VGA顯示器也開始應用在雷達顯示上，但VGA顯示器的掃描方式是從左到右的掃描和從上到下的幀掃，屬于直角坐標的方式，而雷達獲取的信息是徑向圓掃描方式屬極坐標方式，所以要實現雷達數據的VGA顯示，首先要將雷達的極坐標信息轉換成直角坐標信息存入存儲器，再以直角掃描的方式從存儲器中讀出并顯示出來。顯示器采用光柵掃描方式，即轟擊熒光屏的電子束在CRT（陰極射線管）屏幕上從左到右（受水平同步信號HSYNC控制）、從上到下（受垂直同步信號VSYNC控制）進行有規律的移動。光柵掃描又分逐行掃描和隔行掃描[3－4]。VGA顯示器要作為雷達顯示器顯示圖像，關鍵還是如何實現VGA時序。

1.3 雷達串行接口

雷達串行接口因其串口需要的數據線少、傳送距離長、可靠性高，廣泛用于雷達與彈上綜控設備及測試設備之間的通信。雷達通信多采用數據幀打包的形式，對特定的信息有不同的幀格式和包長度。

1.4 相關算法

在XGA模式下，顯示分辨力為1 024×768，極坐標（r，θ）到直角坐標（x，y）的變換數學表達為x=x0+r·sinθ，y=y0+r·cosθ[5]。

2 顯示平臺系統設計

本設計采用最簡單的VGA接口，FPGA管腳直接與VGA接口相連，顯示器上只能顯示紅、綠、藍三原色。同時，這樣的方案設計對硬件要求相對更低，沒有使用任何專用的視頻處理芯片，極大降低了成本[6]。硬件平臺主要由FPGA和SRAM構成，該系統框圖如圖2所示。

2.1 串行接口

串口邏輯轉換采取FPGA編程實現，串口電平轉換芯片采用SP232，3.3 V供電。

2.2 圖形緩存

在1 024×768分辨力下，如果采用256色共需要768 kbyte的容量作為圖形緩沖。這里采用IS61LV51216，存取時間為10 ns，單片容量為1 Mbyte。

2.3 可編程FPGA

總控單元采用1片FPGA作為采集存儲的控制核心，型號為EPC2C8208。總控制單元負責控制協調模數轉換單元、緩存單元、數據存儲單元以及USB傳輸單元之間數據傳輸，實現系統整體設計功能[7]。

2.4 電源單元

在整個系統中利用+5 V為輸入電壓（+5 V可是電壓源輸入，也可利用USB總線供電），利用電源轉換芯片LT_1764－3.3得到+3.3 V電壓，用LM1117得到+1.2 V電壓。

3 軟件系統設計

軟件系統由串口模塊、數據識別、數據處理、VGA接口等幾個模塊構成，如圖3所示。其過程為雷達回波數據通過串口接收后，對接收的數據進行識別，將命令和數據分開。然后通過數據處理將數據變換為直角坐標格式。最后將直角坐標變換為VGA能顯示的格式。

3.1 串口模塊

其基本功能有：實現了異步底層通信格式（起始位+數據位+2位停止位）；將由外部傳遞來的串行數據轉換為字節，提供給系統內部使用并行數據的器件使用[7－8]。

3.2 數據識別

由于雷達串口在傳輸中有特定的幀頭、指令數據格式、校驗，所以需要將串口收到的數據中不需要的內容剔除。

3.3 數據處理

數據處理模塊將目標點的距離和方位信息進行格式轉換、數據計算。

其基本功能有：將接收到的坐標數據轉換為適合顯示的范圍；計算出3個半徑分別為100，200，300個像素的圓環及十字坐標，并且存入顯示緩存中，顯示固定的漢字以及距離坐標值；定位相對坐標原點；給出固定的移動軌跡；向顯示緩存中存入最新數據[9]。坐標變換如圖4所示。

3.4 VGA接口

VGA顯示控制模塊是在場、行時序下將數據載入顯示在LCD顯示器上。其基本功能有：處理后的數據轉換為行場控制信號，以目標點的形式顯示在LCD顯示器上；使目標點閃爍顯示。

4 實際效果

P型顯示界面實物如圖5所示。由LABVIEW[9]做的上位機界面模擬雷達串口通信如圖6所示。

5 小結

經過測試，可以顯示串口波特率為9 600 baud/s的目標數據，VGA采取逐行掃描方式。在場刷新率為75 Hz的情況下顯示3色的圖像，分辨力為1 024×768。

如果改變VGA接口控制方式，可以實現更多的色彩分辨力，采用更大的顯示緩存和功能更強大的FPGA就可以實現人機控制交互。所以這種結構的雷達顯示控制具有強大的可擴充性。

[1] 朱兵.有關雷達顯示終端軟件化的設想[J].艦船電子對抗，2004（5）：54－55.

[2] 丁鷺飛，耿富錄.雷達原理[M].3版.西安：西安電子科技大學出版社，2002.

[3] 黃平，吳景東.基于DRAM、FPGA的專用VGA顯示接口設計與實現[J].微計算機信息，2007，5（2）：33－36.

[4] 趙婧.雷達光柵顯示掃描技術[J].現代電子，2002（4）：17－20.

[5] 譚歆，景占榮.機載雷達綜合顯示器的仿真實現[J].飛行器測控學報，2002（5）：33－35.

[6] 童文滔，徐火生.一種新型雷達顯示系統技術的研究[J].艦船電子工程，2004，24（5）：4－5.

[7] 羅朝霞，高書莉.CPLD/FPGA設計應用[M].北京：人民郵電出版社，2007.

[8] 陳曉輝，劉峰.基于TMS320DM355的VGA信號實時監控系統[J].電視技術，2010，34（3）：25－27.

[9] 劉焱.基于COM技術和WinSock技術的雷達顯示系統設計[J].儀表技術，2010（1）：18－20.